10 kV配电线路架空避雷线结构应力分析

陈匡迪

（华北电力大学，河北 保定 071003）

0 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[1-3]。

本文针对10 kV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10 kV架空配电线路架设避雷线进行结构应力分析和仿真。

1 计算仿真参数设置

10 kV架空配电线路示意模型图，如图1所示。水泥杆高度为10 m，加上脚架的避雷线总高度为11.3 m。避雷线采用35 mm2的钢绞线，结构参数如表1所示。主要设置避雷线的密度为8.565 3 kg/mm3和弹性系数（杨氏模量）为181.4 kN/mm2，避雷线的模型如图2所示。

图1 10 kV配电线路示意模型图

图2 七股GJ避雷线示意图模型

表1 GJ避雷线的结构参数

避雷线的许用应力是指避雷线弧垂最低点所允许使用的最大应力，工程中称之为最大使用应力，其值由式（1）确定：

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%。

2 结构应力分析

在档距选取50 m、80 m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135.2 MPa。

2.1 50 m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49.8～50.1 m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如图3所示，相关数据如表2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的关系图和弧垂随避雷线线长变化关系图，如图4和图5所示。可见，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59.959 m的情况，为最大安全应力的临界点。

图3 线长为50.0 m时的应力云图和形变云图

表2 50 m档距时不同避雷线长的最低点应力及形变

2.2 档距为80 m

为得到不同线长下的应力和形变情况，分别取线长为79.8 m、79.9 m、80.0 m、80.1 m进行建模，得到4组形变云图和应力云图。线长为79.8 m时，最低点应力为455.791 MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为147.482 mm；线长为79.9 m时，最低点应力为233.201 MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为288.256 mm；线长为80.0 m时，最低点应力为69.689 9 MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为964.768 mm；线长为80.1 m时，最低点应力为35.890 3 MPa，最低点在竖直方向上形变量（弧垂）为1 874.42 mm。其中，80 m档距情况下，形变云图和应力云图如图6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79.8～80.1 m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，如图7和图8所示。可以看出，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79.949 m的情况，为最大安全应力的临界点。

图4 50 m档距最低点应力随避雷线线长变化关系图

图5 50 m档距弧垂随避雷线线长变化关系图

图6 线长为80.0 m时的应力云图和形变云图

3 结 论

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50 m档距的情况下，线长为59.959 m的情况为最大安全应力的临界点；在80 m档距的情况下，线长为79.949 m的情况为最大安全应力的临界点。

图7 80 m档距最低点应力随避雷线线长变化关系图

图8 80 m档距弧垂随避雷线线长变化关系图

表3 80 m档距时不同避雷线长的最低点应力及形变