浅谈架空输电线路弧垂在线监测基本原理
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【摘要】 架空输电线路弧垂是线路设计和运行的重要参数,弧垂大小关系到整个输电线路运行的安全。本文从弧垂的基本概念出发,简要介绍了弧垂的基本定义及其影响因素,基于导线的基本方程,推导了根据导线张力、倾角或温度来测量导线弧垂的计算公式及方法,得出了弧垂在线监测的基本原理,若能得到广泛实际应用,将大大提高线路安全运行水平,并为线路关键点弧垂监测及线路动态增容等提供强有力的帮助。
【关键词】 弧垂架空导线在线监测
架空导线弧垂是输电线路设计和运行的重要指标,其值大小关系到整个输电线路运行的安全,输电线路的输送容量以及周围环境的变化都可能会导致输电线路弧垂变化,弧垂过大、过小都可能会导致严重的安全隐患。此外,近些年来由于用电负荷增长的需要,许多已有的输电线路为了提高电力输送能力,将导线最高运行允许温度从70°C提高到80°C,这时线路弧垂就成为主要的制约因素[1]。
目前,各大电网公司对架空输电线路弧垂在线监测的研究已进行了多年,并且已经在这方面有所建树,提出了有效的监测方法。本文将先简要介绍弧垂的相关基本知识,再对这些弧垂在线监测方法的原理进行具体描述。
1 弧垂的基本概念
1.1 弧垂的定义
架空线上任一点的弧垂是指该点距两悬点连线的垂向距离[2]。架空输电线路有如下几种弧垂:导线最低点弧垂、档距中央弧垂、导线的最大弧垂。
档距中央弧垂与最大弧垂非常接近,一般可以近似认为,即最大弧垂位于档距中央。因为架空线的最低点可能位于档距之外,计算最低点弧垂有时无实际意义,所以通常所指的弧垂是指架空线的最大弧垂。弧垂是线路设计及运行维护中的重要参数之一,决定了架空线路的松紧程度和线路杆塔的高度,弧垂的大小直接影响到线路的安全稳定运行。
1.2 弧垂的影响因素
架空输电线路弧垂的影响因素有很多,其中主要有导线应力、输送容量、大气温度、风、导线覆冰等[3]。
导线应力是决定弧垂的主要因素,导线的应力变大,弧垂变小。气温的变化,会引起导线的热胀冷缩,进而通过导线的伸缩影响输电线的弧垂,气温越高,导线伸长,弧垂就越大。导线输送容量提高,会导致输电导线温度升高,从而使导线弧垂增大。导线覆冰及大风一方面增加了导线重量,使应力增大,进而影响导线弧垂,另一方面覆冰及大风会引起导线振动,间接导致弧垂增大。
2 垂在线监测的基本原理
2.1 线路的基本方程
在架空输电导线的力学研究计算中,通常忽略导线的刚度而视之为柔性锁链,同时认为导线受均布荷载,这样导线就可用悬链线方程、斜抛物线方程或平抛物线方程来计算。悬链线方程精度最高,但计算繁琐,分析麻烦,本文采用斜抛物线方程计算,虽精度略差但计算较简单,误差在工程允许范围内[4]。利用斜抛物线方程,可求得导线悬挂曲线方程:
(2-1)
其中,为两基杆塔之间的档距,为导线两悬挂点之间的高差,为导线最低点的应力,为导线所受的均布比载值。
在此基础上,下面将讨论弧垂的在线监测方法。
2.2 基于导线张力的弧垂在线监测原理
基于导线悬链线方程,可求得档内的最大弧垂为:
(2-2)
应力定义为单位面积上的荷载,而比载定义为单位长度导线上的荷载折算到单位面积上的数值,同时导线上任意一点处应力的水平分量均等于最低点的应力值,故可以在上式分子、分母中均乘以导线最低点处的横截面积,上式可作如下变换[5]:
(2-3)
其中,为架空导线最低点水平张力,为导线单位长度的自重力。因此,若能对导线张力实现实时在线监测,则可以实时获得导线弧垂值,这个在原理上是可行的,同时也得到了实际应用。
2.3 基于导线倾角的弧垂在线监测原理
式(2-1)对求导,即可得导线各点处的斜率,进而可得各点的倾斜角。经计算悬挂点处导线的倾斜角分别为:
(2-4)
(2-5)
将上面两式带入(2-3)中可得:
(2-6)
或 (2-7)
上式说明线路弧垂值能通过导线悬挂点倾角直接反映,据此,我们可以通过实时测量悬挂点倾斜角来获得导线弧垂值。
2.4 基于导线温度的弧垂在线监测原理
架空导线的线长和弧垂是档距、高差、比载、应力的函数。当气象条件发生变化时,这些参数将会发射变化。气温的升降引起导线的热胀冷缩,使线长、弧垂、应力发生相应变化。揭示架空导线从一种气象条件(第一状态)改变到另一气象条件(第二状态)下的各个参数之间关系的方程,称为架空导线的状态方程。斜抛物线状态方程式如下:
(2-8)
式中,、——分别为两种状态下导线弧垂最低点处的应力;
、——分别为两种状态下导线的比载;
、——分别为两种状态下导线的温度;
、——分别为该档的档距和高差角;
、——分别为导线的温度膨胀系数和弹性系数。
本文暂不考虑导线覆冰及大风等情况,即、均只是导线自重比载,而温度不引起比载变化,对于同一档架空线,导线型号相同,即可认为。对式(2-6)进行分析,对于同一档架空导线,其、、、、均为已知,式中就只剩下应力和温度的关系,而应力可以经截面积转化为导线张力,由此分析可知:通过状态方程式可以求得不同温度下的水平张力值,进而可以通过式(2-3)计算此温度下下导线的弧垂。因此,通过实时监测导线温度来实现弧垂的在线监测,也是可行的。
3 结语
在架空输电线路设计与运行中,弧垂是一个重要指标。然而,弧垂大小与运行负荷和周围气象环境密切相关,任一个因素的变化都可能会造成线路弧垂的变化,过大的弧垂不但会造成事故隐患,也会减小输电线路的热容量,限制了线路的输送能力,对线路运行的经济性和安全性都有至关重要的影响。
目前,国内外专家学者已就弧垂问题进行了多年的研究,将不易直接测量的架空线路弧垂转换到导线张力、倾角、温度等便于直接测量的参量,实现了弧垂的在线监测。本文介绍了弧垂在线监测的基本原理,希望能借此研究开发或者改进得到更加适用于架空输电线路的弧垂在线监测方法及装置,以便大大提高输电线路的正常安全运行水平,并促进挖掘输电线路潜在的输送能力,实现线路的动态增容。
参考文献:
[1]代颍.输电线路弧垂高度自动识别系统研究与实现[D].电子科技大学,2011.
[2]孟遂民,孔伟.架空输电线路设计[M].北京:中国电力出版社,2007.
[3]李柏.送电线路施工测量[M].北京:水利电力出版社出版,1983.
[4]邵天晓.架空送电线路的电线力学计算(第二版)[M].北京:中国电力出版社,2003.
[5]徐青松,季洪献,王孟龙输电线路弧垂的实时监测[J].高电压技术,2007,7.
作者简介:徐昱,男,1975年12月,学历本科,职称工程师,研究方向配网生产运行管理。