輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統研究

安徽明生電力投資集團有限公司 劉承志 孔露 程少華 國網安徽省電力有限公司 王鵬 馬路遙

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1 張力架線牽引用鋼絲繩斷線狀態分析

牽引繩斷線事故發生后，處于張力狀態的鋼絲繩分成兩截，因斷開處張力消失，鋼絲繩在斷開處單側失去張力造成受力不平衡，此時鋼絲繩會產生切于斷面朝向兩側的瞬時加速度，同時由于自身重力的原因還會有向下的加速度。斷線受力如圖1所示。

圖1 斷線受力

2 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統理論依據

2.1 抱緊機構設計

防跑線裝置的工作原理是在鋼絲繩回跑時，利用動、靜摩擦板與鋼絲繩之間產生的摩擦力將鋼絲繩鎖定。牽引鋼絲繩受力如圖2所示。

圖2 中A 點為斷線后方塔架上安裝防跑線裝置所在的位置，B點為跨越段內導線重心所在的位置。α 為B 點切線方向與水平線的夾角。顯然F1的大小與鋼絲繩角度α有關，隨著下落距離的增大，角度α增大，F1也增大[1]。

圖2 鋼絲繩受力

2.2 無線拉力傳感器的工作原理

2.2.1 應變片原理

金屬電阻應變效應如圖3所示。

圖3 金屬電阻應變效應

應變式傳感器也成為應變片。電阻應變片的工作原理是基于導體的電阻應變效應，將測量物體的變形轉換為電阻變化的傳感器。當金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其電阻將發生變化。

設有一根長度為L，橫截面積為S，電阻率為ρ的金屬絲，在未受力時，原始電阻為：

當金屬電阻絲收到軸向拉力F 作用時，將伸長ΔL，橫截面積相應減小ΔS，電阻值ΔR的變化引起電阻的相對變化為：

由材料力學可知，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。

式中，π為沿某徑向的壓阻系數，與材料及徑向有關；E為彈性模量；σ為材料所受應力；μ為材料橫向效應泊松系數。

忽略壓阻效應，并根據有關的力學應變關系可得到式如下：

式中，k0成為金屬電阻的靈敏系數，受兩個因素影響。一是（1+2μ），主要是材料的尺寸變化引起；另一個是彈性模量E，主要由材料的電阻率隨應變引起。

2.2.2 電橋電路原理

四臂電橋電路如圖4所示。

圖4 四臂電橋電路

因為應變片電阻值變化很小，可以認為電源供電電流為常數，即加在電橋上的電壓也是定值，假定電源為電壓源，內阻為零。當電橋平衡時，即電橋輸出電壓U0為零的條件是R1R3=R2R4。

當電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋的輸出電阻大很多，因此可以把電橋輸出端看成是開路。若電橋不平衡時，即R1R3≠R2R4時，電橋輸出為：

恰好選擇各橋臂電阻，可消除電橋的恒定輸出，使輸出電壓只與應變片輸出有關。

令R1=R2,R3=R4,在應變片工作時，其電阻R1變化ΔR，此時電橋的靈敏度為：

電壓輸出為：

2.2.3 網關端通信

網關端主要由2.4 自組網模塊組成，網關需要新開發網關底板，再結合通信模塊進行使用。網關各自通過DC/DC 開關電源由外部電池進行供電。為適用于戶外的使用環境，上述的組網模塊和開關電源等部件都應安裝于防護等級IP65 的電氣控制箱內?？紤]到輸電線路現場無配電網絡的使用，電源的設計使用充電鋰電池進行供電。無線拉力傳感器考慮安裝在牽引走板或聯結牽引工具中，工作時通過拉動兩頭的結構在軸向方向產生一個微小的機械形變，通過粘貼在軸向方向的應變片，將拉力的大小轉換成電阻值的變化，再通過差動全橋電路將電阻值的變化轉換成毫伏信號，將毫伏信號傳輸到電路板上進行放大、采樣后轉換成拉力值，并通過中繼器進行拉力值傳輸，最后傳輸到牽張機端，作業人員可以隨時掌握動態[2]。

3 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統研究

3.1 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統研究內容

一是放線鋼絲繩斷線情況調查。收集防線鋼絲繩發生斷股斷線事件案例，做好事件原因歸類統計分析。

二是開展放線鋼絲繩力學試驗研究。針對某種具體型號的對放線鋼絲繩進行力學試驗，總結試驗結果。

三是開展牽引用鋼絲繩斷線抱緊裝置設計。根據牽引場牽引機牽引導線作業場景，設計出一旦鋼絲繩斷線時，鎖緊機構能夠快速鎖緊放線鋼絲繩，同時保證正常放線時走板、牽引頭正常通過，利用新材料等方式，使其整體結構簡單，重量較輕，便于施工操作。

四是放線鋼絲繩在線監測拉力傳感器研制。將拉力傳感器與放線走板、旋轉連接器有效結合是設計難點。需要研制出滿足放線走板施工的測力傳感器，利用電阻應變片及電橋電路原理，實現拉力值的測定，其中包括的難點有彈性元件的選擇，應變片的粘貼方法等。

五是感知數據的采集和處理。所采用的傳感器多處于作業環境惡劣，承載情況復雜，有時處于高電壓、強電磁干擾等條件，因此需研究傳感器的數據采集和信號傳輸性能，保證其適用性、抗電磁干擾等方面能滿足要求。

六是通信組網方式的研究。測力傳感器的信號傳輸方式需要采用LORA 網關、中繼器或4GTDU組成，近端傳送和遠端傳送相結合的方式。測力傳感器采集的感知數據傳送到塔身LORA 網關，再從中繼器串聯或4GTDU 集中器傳送到控制端，需要綜合對比分析合理選擇通信傳輸方式[3]。LoRa 模塊和安裝于測力傳感器處，LoRa網關和中繼器安裝于放線中間的鐵塔上，各個敷設點可覆蓋大約2km距離范圍，采用鋰電池供電。

七是后臺控制軟件的功能實現與應用的研究。后臺控制軟件主要完成前端拉力測試的狀態展示與事件的應用處理等功能。狀態展示包括控制管理、報警管理、系統配置管理等內容的展示，應用處理包括對參數設置、自動告警、系統設置、統計分析等內容。后臺控制軟件不僅要實現上述功能，還要在操作界面上人性化，簡潔易用，邏輯嚴謹，因此需要對軟硬件結合進行深入研究。

八是開展抱緊裝置模擬試驗。通過模擬現場工況，對研制的抱緊裝置進行模擬現場場景下的應用測試，驗證其工作的有效性，針對不足持續完善。

3.2 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統研究技術經濟指標

一是放線鋼絲繩斷線情況調查。二是開展放線鋼絲繩力學試驗研究。架線牽引鋼絲繩預防斷裂檢測及鎖緊裝置系統研究試驗報告。三是開展牽引用鋼絲繩斷線鎖緊裝置設計。架線牽引鋼絲繩預防斷裂檢測及鎖緊裝置系統樣機一套，包括鋼絲繩在線測力傳感器、鎖緊裝置樣機、控制應用系統。四是放線鋼絲繩在線監測拉力傳感器研制[4]。五是感知數據的采集和處理。六是通信組網方式的研究。七是后臺控制軟件的功能實現與應用的研究，研究出后臺預警、控制及應用系統用戶軟件操作平臺。八是開展鎖緊裝置模擬試驗。提供鎖緊裝置現場模擬試驗方案，配合完成相關現場模擬試驗。

3.3 張力架線牽引用鋼絲繩斷線抱緊系統研究有關的技術問題

一是放線滑車鋼絲繩輪在滑車中間處，與邊輪間距較小，一直處于旋轉狀態，相關傳感器很難進行設計布置安裝；二是鋼絲繩抱緊機構在放線過程中需要在能夠通過鋼絲繩，當出現連接器具或走板時，也要求能夠順利通過；三是鋼絲繩抱緊機構需要在鋼絲繩斷裂后，能夠承載巨大的沖擊載荷，并鎖緊鋼絲繩；四是通過監測放線滑車所受鋼絲繩的壓力大小及輪速，判斷鋼絲繩是否斷裂，需要進行相關現場斷線試驗驗證；五是對抱緊機構的控制執行邏輯，需要進行詳細梳理，防止出現未考慮到的情況，不能進行鋼絲繩鎖緊或誤動作[5]。

4 結語

按照我國架線施工規定，330kV 以上電力線路工程必須采用張力架線。采用張力架線不但大大提高了工效、加快了工程進度，而且也顯著提高了工程質量。隨著我國大截面導線的廣泛使用和特高壓工程跨越式發展，放線所需的牽引力也越來越大，已從500kV 線路的30kN 上升到300kN。牽引所用的鋼絲繩直徑從13mm 上升到24mm。我國張力放線技術水平已世界領先，其牽張設備也已全部國產化。但是由于部分張力放線需要在山區進行，此種環境下如果牽絲繩發生斷裂，很難確定其準確的位置，雖然我國也有送變電公司開展對防止牽絲繩斷裂研究，但是還滿足不了目前張力放線普遍要求。因此，未來加強對輸電線路張力架線牽引用鋼絲繩斷線的抱緊系統研究至關重要。