（国网沈阳市辽中区供电分公司 辽宁省沈阳市 110200）
摘要：10kV配电线路是电力系统中很重要的构成部分。在架设避雷线的设计中，避雷线的弧垂、应力和线长计算至关重要，是配电线路力学研究的主要内容。针对10kV架空配电线路均布载荷下避雷线的弧垂、线长、应力以及悬链线方程，建立考虑杆塔类型、气象环境等因素的计算模型；针对避雷线，通过改变档距、线长进行结构应力仿真。
关键词：10kV配电线路；架空避雷线；结构应力
引言
在架设避雷线的设计中，不同气象条件下避雷线的弧垂、应力和线长计算占有十分重要的位置，是配电线路力学研究的主要内容。本文针对10kV架空配电线路均布载荷下避雷线的弧垂、线长、应力以及悬链线方程建立考虑杆塔类型、气象环境等因素的计算模型，并通过改变档距、线长对10kV架空配电线路架设避雷线进行结构应力分析和仿真。
1架空线路发生雷击的原因
1.1线路架设部位
在架空线路遭受雷击的原因中，线路架设的位置不合理也是其中主要原因之一。伴随着城市的发展，城镇化建设的推进，城市的土地利用率也因此越来越高，同时经济价值也在增长，这就使得城市在对线路进行架设的过程中，为了不占用宝贵的城市土地资源，通常会选取空旷的山坡或者野外等区域，这些地区本身就非常容易导致线路遭遇雷击的概率升高，加之，不少线路在架设期间并未对其地质条件等作出勘探，使一部分线路被架设在有色金属丰富的区域，从而进一步增加了雷击事故。
1.2雷击活动较为频繁
因某季节或者某个地区雷击活动非常的频繁，或者雷雨天气较多或者处于雷雨季节的情况下，使得雷击活动的频率增加，从而使得架空线路经常性遭受雷击。通常情况下，平均每年雷暴天气在15日以内的地区，称之为少雷区，若雷暴天气达到了40日以上，那么就可称之为重雷区。南方地区，尤其是在遭遇雨季时，其雷雨天气都非常多，雷暴平均会达到130日，故其架空线路经常性会出现雷击天气。
1.3线路密度太高
因架空线路本身的密度相对较大，这种高密度线路的分布下，使得架空线路非常容易遭受雷击。例如：某地区实际土地面积只有2465km2，但为了保证电力供应，配置了400多条架空线路，这就意味着其密度达到了每公里土地就出现1km的线路，从而导致雷击的概率迅速增加。
2计算仿真参数设置
10kV架空配电线路示意模型图，如图1所示。水泥杆高度为10m，加上脚架的避雷线总高度为11.3m。避雷线采用35mm2的钢绞线，主要设置避雷线的密度为8.5653kg/mm3和弹性系数（杨氏模量）为181.4kN/mm2，避雷线的模型如图2所示。
式中，[σm]为避雷线最低点的最大允许应力，单位N/mm2；σP为避雷线的抗拉强度，单位N/mm2；K为避雷线安全系数，一般规定架空线路导线的涉及安全系数不应小于2.5，避雷线的安全系数宜大于导线的安全系数。
影响安全系数的因素很多，如悬挂点的应力大于弧垂最低点的应力，补偿初伸长需增大应力，振动时产生附加应力，断股后架空线强度降低，因腐蚀、挤压损伤造成强度降低，设计、施工中的误差等。即使不考虑悬挂点附加弯曲应力和振动时的附加动应力影响，最小安全系数也要求达到1.86。若加上上述两个因素，则要求安全系数为2.0～2.5。为保证架空配电线路的安全运行，设计规范规定避雷线最大应力下的设计安全系数不应小于2.5。考虑到地线多采用钢绞线，易腐蚀，设计安全系数宜大于避雷线的设计安全系数。
控制微风振动的年均气温条件下的年均运行应力，在采取防振措施的情况下，不应超过避雷线抗拉强度的25%，即此时的设计安全系数不应小于4.0。在最大应力情况下，悬挂点的设计安全系数不应小于2.25。在校验稀有风速或稀有敷冰气象条件时，弧垂最低点的最大使用张力不应超过综合拉断力的70%，悬挂点的最大使用张力不应超过综合拉断力的77%。
图2 七股GJ避雷线示意图模型
310kV配电线路架空避雷线结构应力
在档距选取50m、80m的前提下，通过改变杆塔之间架设的避雷线长，能得到不同避雷线形变云图和应力云图。在避雷线架设安全系数K为8的情况下，根据理论计算得到避雷线最低点的应力最大值为135.2MPa。
2.150m档距
为探究避雷线长对避雷线最低点应力和弧垂的影响，找到最接近临界安全应力，在49.8～50.1m中选取了12组线长分别建模，得到对应的应力云图和形变云图。对数据进行统计，用Matlab软件拟合数据后分别得到最低点应力随线长变化的关系图和弧垂随避雷线线长变化关系图，整体上最低点应力随线长的增长而减小，且最初下降速度较快，在临界线长附近下降速度放缓，最后趋于平坦；弧垂随线长增长而增大，且最初上升速度很慢，在临界点附近上升速度加快。线长为59.959m的情况，为最大安全应力的临界点。
2.2档距为80m
为得到不同线长下的应力和形变情况，分别取线长为79.8m、79.9m、80.0m、80.1m进行建模，得到4组形变云图和应力云图。线长为79.8m时，最低点应力为455.791MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为147.482mm；线长为79.9m时，最低点应力为233.201MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为288.256mm；线长为80.0m时，最低点应力为69.6899MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为964.768mm；线长为80.1m时，最低点应力为35.8903MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为1874.42mm。其中，80m档距情况下，形变云图和应力云图如图3所示。
为探究避雷线长对避雷线最低点应力和弧垂的影响，找到最接近临界安全应力，在79.8～80.1m中选取12组线长分别建模计算形变和应力，数据如表3所示。对数据进行统计，用Matlab软件拟合数据后，分别得到最低点应力随线长变化关系图和弧垂随避雷线线长变化关系，整体上最低点应力随线长的增长而减小，且最初下降速度较快，在临界线长附近下降速度放缓，最后趋于平坦；弧垂随线长增长而增大，且最初上升速度很慢，在临界点附近上升速度加快。线长为79.949m的情况，为最大安全应力的临界点。
结语
在架空避雷线不同档距情况下，架空避雷线最低点应力都随线长的增长而减小，且最初下降速度较快，在临界线长附近下降速度放缓，最后趋于平坦；架空避雷线弧垂随线长增长而增大，且最初上升速度很慢，在临界点附近上升速度加快。在50m档距的情况下，线长为59.959m的情况为最大安全应力的临界点；在80m档距的情况下，线长为79.949m的情况为最大安全应力的临界点。
参考文献
[1]南方电网标准设计和典型造价平台[DB/OL].（2016-03-28）[2018-11-25].https://www.csgstd.com/mod/module2.action.
[2]刘振亚.国家电网公司配电网工程典型设计（2013年版）10kV架空线路分册[M].北京：中国电力出版社，2014.
[3]中华人民共和国国家和发展改革委员会.DL/T5220-200510kV以下架空配电线路设计技术规程[S].2005.
论文作者:林海
论文发表刊物:《电力设备》2019年第10期
论文发表时间:2019/10/23
标签：避雷线论文; 应力论文; 最低点论文; 线路论文; 安全系数论文; 云图论文; 临界点论文; 《电力设备》2019年第10期论文;