大跨越输电线路导地线力学计算软件研究

第３５卷第２期　２０１３年４月　ｉ峡大学学报（自然科学版）　Ｊ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．３５　ＮＯ．２　Ａｐｒ．２０１３　

大跨越输电线路导地线力学计算软件研究　

孟遂民　王　爽　郭　昊　

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌４４３００２）　

摘要：大跨越输电线路杆塔高、档距大，导地线各点高度不同，各点的风压也不同，当气象条件发生　

变化时，温度、荷载的改变将引起各档应力、档距改变。若采用常规的平均高度法和代表档距法计　

算大跨越导地线力学特性，将导致较大误差．本文采用积分法计算大跨越耐张段导地线各档风荷　

载，进而精确计算各气象条件下的应力和档距改变量，以Ｖｉｓｕａｌ　Ｂａｓｉｃ　６．０作为软件开发工具，Ａｃ—　

ｃｅｓｓ２００３作为软件的数据源，开发了一套完整的大跨越输电线路导地线力学计算软件．软件不仅可　

以完成复杂的导地线力学计算，而且大大提高了计算效率和准确性．　

关键词：大跨越输电线路；　力学特性；　风荷载；　功能模块；　计算软件　

中图分类号：ＴＭ７５３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—９４８Ｘ（２０１３）０２—００３７—０５　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｏｉｌ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｎ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　

Ｌａｒｇｅ　Ｓｐａｎ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｇｒｏｕｎｄ　Ｌｅａｄｓ　

Ｍｅｎｇ　Ｓｕｉｍｉｎ　Ｗａｎｇ　Ｓｈｕａｎｇ　Ｇｕｏ　Ｈａｏ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｃｈｉｎａ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｕｎｉｖ．，Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３００２。Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｐｏｌｅ　ａｎｄ　ｔｏｗｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｐａｎ，ｅｖｅｒｙ　ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｌｅａｄｓ　ｏｆ　

ｌａｒｇｅ　ｓｐａｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｈａｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｅｉｇｈｔｓ．Ｔｈｅ　ａｉｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｐｏｉｎｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　

ｗｅａｔｈｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｃｈａｎｇｅ，ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｌｏａｄ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｇｅａｒ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｓｐａｎ　ｃｈａｎｇｅ．Ｉｆ　

ｗｅ　ｕｓｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ａｖｅｒａｇｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　ｓｐａｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｃａｌ—　

ｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｐａｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｌｅａｄｓ，ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｉｎｅｖｉｔａｂｌｙ　ｌｅａｄ　ｔｏ　ｌａｒｇｅｒ　ｅｒｒｏｒ．Ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｖｉｓｕａｌ　

Ｂａｓｉｃ　６．０　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔＯＯ１，Ａｃｃｅｓｓ　２００３　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄａｔａ　ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｒａｎｓｍｉｓ—　

ｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ＇ｓ　ｗｉｎｄ　ｌｏａｄ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｓｐａｎ　ｓｔｒａｉｎ　ｓｅｇｍｅｎｔ　ｉｎ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｕｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　ｅｖｅｒｙ　

ｗｅａｔｈｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｍｏｕｎｔ　ｏｆ　ｓｐａｎ　ｃｈａｎｇｅ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄ　ｌｅａｄｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ—ｓｐａｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　

ｃｏｍｐｌｅｔｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｅｆｆｉｃｉｅｎ—　

ｃｙ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｉａｒｇｅ　ｓｐａｎ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ；　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；　ｗｉｎｄ　ｌｏａｄ；　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍｏｄｕｌｅｓ；　

ｃａ１ｃｕｌａｔｉｏｎ　ｓｏｆｔｗｅｌｒｅ　

在交直流架空输电线路跨越通航江河、湖泊、海　

峡时，档距较大（一般在１　０００　ｍ以上）、塔的高度较高　

（一般在１００ｍ以上），发生故障时将严重影响航运、　

交通，修复也比较困难Ⅲ，因此，大跨越耐张段的安全　

可靠性尤为重要．大跨越输电线路导地线力学的一般　计算方法是，以平均高度法计算风荷载、以代表档距　

法及状态方程式等进行导地线应力计算．该方法建立　

在一些假设的基础上，其计算存在一定的误差．大跨　

越输电线路档距大，弧垂经常达到百米以上，较小的　

应力误差将引起弧垂很大的变化，会严重威胁跨越档　

收稿日期：２Ｏ１３—０１—１７　通信作者：孟遂民（１９５７一），男，教授，主要研究方向为输电线路工程．Ｅ—ｍａｉ

ｌ：ｍｓｍ＠ｃｔｇｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　３８　三峡大学学报（自然科学版）　２０１３年４月　

的安全运行．跨越档杆塔高、档距大，大风往往成为控　

制气象，准确计算有风气象条件下导地线的力学特性　

特别重要．而导地线各点高度不同，各点的风压也不　

同，采用积分法计算导地线各档所受的风荷载，进而　

计算导地线应力，这将更符合实际情况．气象条件变　

化时，大跨越耐张段各档应力不再相等，悬垂串偏斜，　

悬点位置变化造成各档档距发生变化，因此，不再符　

合代表档距法的计算原则，需要寻找精确的计算方　

法．由于计算复杂，必须开发相应软件借助计算机进　

行求解．　

１关键问题处理　

１．１控制气象条件的确定　

一般情况下，导线的可能控制气象条件是最低气　

温、最厚覆冰、最大风速、年均气温．对大跨越档而言，　

其所受的风荷载又与控制条件有关，因此需要反复试　

算，才能确定大跨越耐张段的控制气象条件．由于上　

层导线承受风荷载最大，因此将以上导线作为研究对　

象．　

大跨越的杆塔位置通常是由地质地形条件确定　

的，即各档档距一般是已知的，意味着其代表档距的　

近似值是已知的．确定控制气象条件的步骤是：　

１）计算代表档距，初定控制气象条件；　

２）由控制气象条件推导出最大弧垂发生气象（最　

高工作温度或者覆冰无风）下的弧垂；　

３）考虑跨越档航道位置、航船桅杆高度、最高航　

行水位、电气限距、安全裕度以及五年一遇、百年一遇　

洪水位和相应电气限距，用最大弧垂曲线模板，初定　

（优化）跨越塔高；　

４）初定跨越塔高后，导线各点对地（水面）高度已　

知，可应用精确计算方法计算风荷载，得到新的风压　

比载；　

５）采用新的风压综合比载，以年均气温为第～状　

态，精确计算覆冰有风、基本风速、最低气温气象条件　

下各档应力，再次判断控制气象条件，返回步骤２）再　

行计算，反复进行，直至控制气象条件和两跨越塔塔　

高和不变为止．　

１．２导地线风荷载的精确计算　

导地线所受风荷载可由式（１）计算．　

Ｐ一０．６２５／？ｃａｆ　邵　ｓｉｎ　０×１０　×　

『　ｈｉ＋　＋　ｓｈ　ｓｈ　１　ｈ照　出　【—————　——一Ｊ　

（］）　式中，ａ　为风压不均匀系数；　为导地线体型系数；　

为５００　ｋＶ及以上线路风荷载调整系数，仅用于计算　

架空线作用于杆塔上的风荷载；口为修正系数；ｚ为粗　

糙度指数；ｄ为导地线的计算直径；ｙ为导地线的均布　

比载；　为导地线的水平应力；Ａｈ为塔基面高出水位　

的距离；ｈ　为左跨越塔导线悬点高度；ｚ为档距．　

整档导地线风荷载的计算步骤是：　

１）先按无风情况算得导地线的纵向应力，得到悬　

挂曲线方程；　

２）沿线长积分计算档内导地线所受风荷载．利用　

式（１），采用梯形法进行积分计算：先把档距进行ｒ／等　

分，对每一等分进行风荷载计算，将所有等分风荷载　

求和；再将档距进行２ｎ等分，进行风荷载计算，反复　

进行．收敛条件是：７，／等分的风荷载值与２　等分的风　

荷载值之差不大于预先设定值［２］；　

３）进行风偏后风荷载的修正．风偏后，导地线变　

高，风荷载将进一步增大．将上步算得的风荷载均布　

在导地线上，利用状态方程式求得有风时的纵向张　

力，得到风偏后导地线的垂直平面投影，再从步骤２）　

反复进行；　

４）直至前后２次得到的导地线纵向张力差满足　

要求．　

为便于对导地线应力的进一步计算和处理，将精　

确计算得到的风荷载Ｐ，按该档线长均布折算为风压　

比载．　

１．３各气象组合下的张力精确计算　

当一种气象状态变到另一种气象状态时，由于温　

度、比载等条件的改变，将引起各档应力改变，绝缘子　

串顺线路方向偏斜，从而导致档距和高差改变．由于　

绝缘子串偏斜对高差变化影响很小，在计算过程中，　

可忽略高差变化．绝缘子串偏斜后，在新的状态下达　

到平衡时，耐张段各档距之和仍应不变，各档档距改　

变量之和应为零ｌ３］，据此，在全部运用悬链线公式的　

基础上，考虑架空线的热胀冷缩和弹性伸长，认为年　

均气象下悬垂串铅垂，由精确计算方法求得各气象组　

合下各档的导地线张力＿１］．　

１．４导地线的不均匀脱冰　

根据设定的脱冰档和脱冰系数，用冰重比载乘以　

脱冰系数，进行脱冰档不均匀脱冰计算，不脱冰档覆　

冰情况不变．以年均气象为第一状态，由精确计算方　

法求取不均匀脱冰下各档的导地线张力．　

１．５塔头荷载计算　

将塔头荷载分解为垂直荷载、横向水平荷载、纵　

向水平荷载．　

塔头垂直荷载包括导线、地线、绝缘子串和金具