架空线路紧线施工张力控制精度对导线弧垂及安全距离的影响分析

0引言

架空线路因其经济性与施工便捷性,在输配电网中占据主导地位。作为架空线路建设的关键环节,紧线施工质量直接关系到电力系统的运行安全性和供电可靠性[1-2]。其中,紧线施工对导线弧垂的影响最为直接,架空导线的弧垂不仅反映了自身所处的力学状态,还直接影响着电气绝缘安全距离,因而一直是输配电线路设计研究的焦点[3]。弧垂过大,可能导致对地或交叉跨越距离不足,引发放电跳闸甚至人身安全事故;弧垂过小,则会导致导线应力过大,降低其机械强度冗余,在恶劣气象条件下易发生断线事故。紧线施工是确定导线最终弧垂的关键工序,其核心在于对导线张力的精确控制。施工张力的大小直接决定了导线在自重及其他荷载作用下的平衡形态,即弧垂值。然而,在实际施工中,受观测手段、设备精度、环境因素(风速、温度)及人为操作水平的影响,张力控制往往存在一定误差。这种张力控制的精度偏差,将不可避免地传递至最终的导线弧垂,进而影响线路的安全距离,构成潜在风险。因此,系统研究张力控制精度对导线弧垂及安全距离的影响,对提升施工质量、保障线路长期安全运行具有重要的工程实践意义。

1导线张力-弧垂敏感性分析

1.1 导线弧垂的基本计算方式

以具有普遍意义的不等高悬点架空线路为研究对象,其示意图如图1所示,A、B为悬点,两点连线与水平面夹角为β,档距为l,高差为Δh。

为简化计算,假设架空线比载沿着线长呈均匀分布,在此前提下,其弧垂、线长和应力等有关公式具有悬链线的特点,在工程实际中,架空线的线长与斜档距(两悬点间的距离)非常接近,前者比后者长千分之几,因而假定架空线的比载沿斜档距均布自然不会产生大的误差,在这种假设下导出的架空线弧垂、线长和应力的有关公式称为斜抛物线公式[4]。任一点弧垂⨍x、档距中央弧垂⨍1/2 由公式(1)(2)计算:

式中:γ为导线单位长度自重荷载;σx为任一点导线水平张力。

令式(1)对x的导数为零,求得最大弧垂发生在档距中央,其最大弧垂与档距中央弧垂重合,即:

由式(1)~(3)可知,导线的弧垂与悬点的高差无直接关系,因此对同样档距的架空线路,当档距中央弧垂相等时,等高悬点(β=0,Δh=0)与不等高悬点对应点的弧垂相等。

1.2 导线弧垂对张力偏差的敏感性分析

由弧垂公式可知,在档距l和导线单位长度自重γ确定的情况下,导线弧垂⨍m与水平张力σx成反比关系,意味着张力偏大(σx实际 >σx设计)会导致实际弧垂小于设计弧垂(⨍x实际<⨍x设计),张力偏小(σx实际<σx设计)时实际弧垂大于设计弧垂(⨍x实际>⨍x设计),从而影响导线的平衡形态。弧垂偏差量Δ⨍x与导线水平张力偏差量Δσx的关系可由弧垂公式微分推导得出:

即:

即张力偏差5%就会导致约5%的弧垂偏差,所以,导线张力控制的精度一定程度决定了导线弧垂的偏差值,从而影响安全距离。

1.3 多条件耦合影响机制

导线的张力不单单取决于材料本身性质,还受多种环境条件的影响,例如温度、风荷载、覆冰等,其影响机制存在复杂的非线性耦合特点。温度的影响主要源于材料的热胀冷缩,温度变化改变导线长度,从而改变导线张力:

式中:ΔL、α、L、Δt、Δσ、E、A分别为导线自由伸缩量、导线线膨胀系数、导线原长度、温度变化、张力变化、导线弹性系数、导线截面积。

其影响机制为:温度上升→导线膨胀→水平张力下降→弧垂增大;温度下降→导线收缩→水平张力增大→弧垂减小。如式(7)所示,水平张力变化与温度变化呈近似线性关系。

风荷载的影响可由伯努利方程解释:

式中:P风为风荷载;cd为圆柱体阻力系数;pa为空气密度;0为风速。

为方便分析,通过导线直径d和截面积A将风荷载转化为风压比载γ风 :

覆冰的影响主要是增加导线的单位长度荷载:

式中:m冰、p冰分别为冰的质量、密度;r、t分别为导线直径及覆冰厚度。

类似地,将覆冰荷载转化为覆冰比载γ冰 :

式中:g为冰的重力加速度;A'表示导线覆冰荷载的作用截面积。

综上所述,环境条件通过影响导线自由伸长量、风荷载和覆冰厚度影响比载,从而影响导线张力和弧垂。

1.4 多条件耦合影响量化分析

为量化分析各条件及其耦合作用对导线弧垂的影响,本文采用道亨软件推荐的应力弧垂计算程序进行典型案例计算。导线型号JL/G1A-70/10,基准工况为等高悬点,档距50 m,风速5 m/s,覆冰厚度5 mm,气温T=-5℃ ,然后单一改变某个指标(+20%、+40%、+60%、+80%、+100%),观察弧垂的变化,结果如图2所示。

从图2可知,对于特定型号导线,相同变化幅度情况下,各指标对张力及弧垂的影响程度排序为:档距>覆冰>气温≈风速。为进一步分析各指标变化对导线弧垂的影响,在基准工况基础上加大单一指标的变化幅度,计算弧垂变化率(基准工况时,弧垂0.2 m),结果如表1所示。

根据表1数据,各指标对导线弧垂的影响程度差异显著。其中档距变化的影响最为突出,当档距增加50 m时,弧垂变化率高达285%,且随着档距进一步增大,弧垂变化率呈指数级上升 (+200m时达2150%),表明档距是弧垂变化的最敏感因素。覆冰厚度的影响次之,覆冰每增加5 mm,弧垂变化率在65%~390%,其影响虽不及档距,但仍较为显著。气温和风速的影响相对较小,气温升高5℃ ,弧垂仅增加5%,即使气温上升20℃ ,变化率也仅为35%;风速的影响稍强于气温,风速增加20 m/s时弧垂变化率为80%,但仍远低于档距和覆冰的影响。总体来看,弧垂对档距变化的敏感性最高,覆冰次之,而气温和风速的影响相对有限。

在架空线路工程设计和安全校核中,导线张力的控制精度对弧垂稳定性至关重要,需综合考虑材料特性和环境因素的影响,其中档距增大对弧垂的影响最为显著,如档距增加200 m可导致弧垂变化率高达2150%,因此必须严格控制最大档距并优化杆塔布局;同时,覆冰叠加低温的极端工况会大幅增加导线张力,如覆冰增厚20 mm可使弧垂增加390%,需作为关键校核条件以防止断线或倒塔事故;高温工况虽仅使弧垂温和上升(如气温升高20℃时弧垂增加35%),但仍需校核对地安全距离;此外,风速变化、覆冰与温度耦合效应等因素也需纳入动态分析,通过多工况耦合评估确保导线在复杂环境下的可靠性,最终实现导线张力及弧垂的精准控制,确保电网的安全运行。

2 安全距离校验及导线张力控制流程

安全距离是指导线与地面、建筑物、树木、铁路、道路、河流、管道、索道及各种架空线路的距离,有关架空输配电线路设计规范对架空导线的安全距离作了详细规定[5]。实际安全距离D实际与设计弧垂⨍x设计的关系可由下式表述:

式中:H为导线悬点对地高度;Δh为悬点高差。

当导线张力控制精度不够,实际弧垂偏离设计弧垂过大时,实际安全距离会出现较大浮动,当弧垂正向偏差(Δ⨍x >0)使得D实际=D设计—Δ⨍x <Dmin ,即认为安全距离不满足要求。

为避免安全距离校核不满足最低安全距离要求的情形,设计了架空线路施工的张力—弧垂闭环控制系统。如图3所示,该系统分为杆塔结构、测量系统和液压伺服机构三个部分,核心 目标是精确控制架设过程中导线的弧垂和张力,确保其符合设计要求,保障线路的安全运行性能(如对地距离、电气间隙)并优化导线的机械应力状态。

系统核心流程始于实时监测:安装在杆塔横担下方的激光测距仪持续测量导线形态并提供弧垂计算实测数据,同时张力传感器直接监测导线张力,这两项关键数据实时传输至控制柜。控制柜内的算法将实测值与预设目标值进行比对,一旦检测到偏差(如弧垂过大意味着张力不足,张力过大则导致弧垂过小),立即计算出精确的液压指令。该指令驱动液压伺服机构(含伺服阀和油缸),产生强大的可控液压动力作用于张力机的核心部件牵引绳盘:当需增大张力(减小弧垂)时,液压系统驱动绳盘制动收紧导线;当需减小张力(增大弧垂)时,则控制绳盘释放导线。牵引绳盘的调整动作直接改变导线张力,张力变化随即引起导线弧垂形态的同步改变;新的弧垂和张力数据立刻被激光测距仪和张力传感器再次捕获,并反馈回控制柜,从而形成一个持续循环的“测量(弧垂、张力)→比较决策(控制柜)→执行(液压指令→伺服机构→牵引绳盘调整)→效果反馈”闭环。高度自动化的闭环机制能有效动态抵抗风速变化、温度升降等干扰,将弧垂和张力稳定在目标值附近,大幅提升架线精度、效率和安全性,尤其适用于高标准工程,克服了人工调整的误差和滞后问题。

3 结论

1)作为输配电网架空线路建设的关键环节,紧线施工是确定导线最终弧垂的关键工序,其核心在于对导线张力的精确控制,张力控制偏差与导线弧垂偏差呈线性相关关系,张力控制的精度一定程度上决定了导线弧垂的精度,从而影响安全距离。

2)导线的张力控制除受设备精度、人为操作水平影响外,还受档距及多种环境条件的影响,例如温度、风荷载、覆冰等,其影响机制存在复杂的非线性耦合特点,温度通过改变导线自由伸长量影响其张力和弧垂,而风荷载和覆冰厚度则通过改变导线比载影响其张力和弧垂。量化分析结果表明,张力及弧垂对各指标变化的敏感性差异显著,其中档距变化的影响最为突出,随档距增大,弧垂变化率呈指数级上升,覆冰厚度的影响次之,而气温和风速的影响相对有限。

3)为避免安全距离校核不满足最低安全距离要求的情形,设计由杆塔结构、测量系统和液压伺服机构三个部分组成的张力-弧垂闭环控制系统,通过“测量(弧垂、张力)→比较决策(控制柜)→执行(液压指令→伺服机构→牵引绳盘调整)→效果反馈”闭环,实现导线张力的精确控制。

[参考文献]

[1]殷建,蔡学强,陈昊.10kV电力配网工程施工技术问题与处置措施研究[J].电力设备管理,2025(5):185-187.

[2] 陈文卓,唐波,李凯,等.张力架线紧线施工弧垂自动测量设备的研制 [J].国外电子测量技术,2023,42 (7):80-87.

[3]刘静,程洋,操松元,等.一种基于现场点云及环境参数的导线弧垂测试计算方法[J].中国测试,2024,50(增刊1):38-43.

[4]唐波,孟遂民,郑维权,等.架空输电线路设计[M].3版.北京:中国电力出版社,2023.

[5]110 kV~750 kV架空输电线路设计规范 :GB50545—2010[S].

《机电信息》2025年第20期第1篇