一种铝合金材料的输电线路跨越架设计方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料的输电线路跨越架设计方法。

背景技术

在输电线路施工过程中，受土地成本和空间以及用户用电要求的限制。不同电压等级的输配电线路间交叉跨增长迅速，跨越施工除了包括实现跨越施工外，还包括封拆网、拆除跨越架、跨线路展放新建工程导地线等施工，有的需要停电条件下施工作业，因此传统跨越方式已无法高效实现输变电线路带电跨越施工。例如：采用木质或竹质跨越架，不仅搭设周期比较长，涉及面积大，且对地形环境要求高；而采用钢管跨越架，不仅钢管本身质量重，且进行组装拆卸时需花费时间长、施工效率低，因此只在停电搭设条件、跨越低电压等级线路施工时较为适用。另外，在电网运行高可靠性背景下，施工停电的窗口期日益缩短，施工单位为完成跨越带电线路施工，通常要投入大量的人力、财力、物力。依托传统的停电条件下交叉跨越施工的方法已经逐渐无法满足现场需求，因此发展一种不需要停电实现线路各种交叉跨越施工技术，研制输电线路跨越带电线路施工行走机械的成套装置是非常必要的，不但保证了输电线路施工的高效性、安全性，还避免了电量的损失，提高了施工机械化率，符合国网打造基建“六精四化”专业体系的要求，显得尤为突出和重要。

不停电跨越施工中，确保电网运行高可靠性的同时，也为施工安全性带来了更大挑战。一方面，需要做好前期的准备工作，严格按照施工安全规范设计工程方案，并进行安全性论证；另一方面，也需要根据工程实际，分析潜在的安全隐患，将施工风险降到最低。由于实际中输电线路工作环境复杂多样，在现有跨越带电线路施工中，为确保被跨输配电线路安全、可靠运行，通常采用钢管、木质、竹质等材料在被跨高压线上方搭设跨越架，保证新建线路与被跨越线路满足安全间距，以保证施工安全、可靠。但是跨越架所需占地面积大、对地形环境要求高、搭设时间较长，而钢管式跨越架则运输量大、质量重、安装拆除时间较长，且为导体，只适合于低电压等级配网线路跨越，现有的几种技术均存在着独有的缺陷并且受到工时与架设高度的约束。

因此，需要一种对被跨越线路不停电的跨越线路施工技术，进行输电线路跨越带电线路施工行走机械的关键技术研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金材料的输电线路跨越架设计方法，通过该方法有助于提供一种方便快速架设与回收的输电线路跨越架，且可以重复利用。

本发明的技术方案在于：一种铝合金材料的输电线路跨越架设计方法，包括以下步骤：

（1）进行桁架式跨越架结构设计：桁架式跨越架包括行走车，行走车的上方安装有能够升降的主桁架，主桁架顶部安装有平台立柱，平台立柱的底端安置了一个旋转平台，旋转平台的四周转动安装有液压杆，平台立柱上端布置跨线平台，液压杆的上端分别与跨线平台转动连接；

（2）进行主桁架设计：主桁架由第一节桁架、第二节桁架、第三节桁架构成，第一节桁架安装在行走车的上方，第一节桁架的上方与第二节桁架的下方采用桁架升降液压系统连接，第二节桁架的上方与第三节桁架的下方采用桁架升降液压系统连接；

（3）跨线平台选型：跨线平台由一号跨线架、二号跨线架、三号跨线架、四号跨线架、五号跨线架以及端部斜撑组成；其中，一号跨线架、二号跨线架、三号跨线架以及五号跨线架均由平台纵向空心管、平台横向空心管、平台横向联系空心管、支点组成；四号跨线架由平台纵向空心管、平台横向空心管构成，各跨线架之间通过转轴部件连接；

（4）拉弯、压弯构件截面强度计算，并计算确认材料参数；

（5）进行跨越架的电磁安全设计；

（6）对桁架式跨越架进行带电施工电场仿真。

进一步地，所述第一节桁架、第二节桁架、第三节桁架分别包括四根桁架竖杆，相邻两桁架竖杆之间自上而下间隔设置有卧式桁架直腹杆，上下相邻两桁架直腹杆之间设置有桁架斜腹杆，位于第一节桁架、第二节桁架、第三节桁架的顶部和底部均设置有桁架连杆。

进一步地，所述平台立柱包括四根立式设置的上部支柱，相两根上部立柱的对角线之间设置有立柱联系空心管，四根液压杆转动安装在平台立柱底部的四个端点上；所述跨线平台的四个边角分别设置有端部斜撑。

进一步地，跨线平台选型时采用有限元分析的方式，进行整体结构应力图的仿真，从而获得整体结构中可能存在安全部分的位置，并以此作为选型依据。

进一步地，步骤（4）中，在轴心力和弯矩的共同作用下，当截面出现塑性饺时，拉弯或压弯构件达到强度极限，N/Np和M/Mp 的相关曲线是凸曲线，其承载力极限值大于按直线公式计算所得的结果；其中Np是无弯矩作用时全截面屈服的应力，Mp是无轴力作用时截面的塑性饺弯矩；采用式（2-1）计算圆管构件的双向压弯的应力：

弯矩作用在两个主平面内的圆形截面拉弯构件和压弯构件，其截面强度按下式计算：

（2-1）

式中： N ——同一截面处轴心压力设计值(N)；

M

、/>

——圆形构件的截面塑性发展系数，对于实腹圆形截面取1.2，当圆管截面板件宽厚比等级不满足S3级要求时取1.0，满足S3级要求时取1.15；需要验算疲劳强度的拉弯、压弯构件，宜取1.0；

A

W

进一步地，步骤（5）中，电磁场理论由麦克斯韦方程组来描述，微分形式的麦克斯韦方程组为：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

其中：H为磁场强度(A/m)，J为电流密度(A/m

（2-6）

（2-7）

（2-8）

其中，

进一步地，为使问题得到简化，引入两个变量来把电场量和磁场量分离开来，两个变量一个是矢量磁势A，另一个是标量电势

（2-9）

（2-10）

其中，A为矢量磁势(Wb/m)，

式（2-9）和式（2-10）能满足式（2-3）和式（2-5），将本构造关系式以及式（2-9）和式（2-10）代入到式（2-2）和式（2-4）中，经过推导后分别得到磁场和电场的偏微分方程：

（2-11）

（2-12）

其中，

进一步地，采用有限元方法对偏微分方程式（2-11）和式（2-12）进行数值求解并解得磁势A和电势

进一步地，步骤（6）中，采用1998年ICNIRP安全导则中规定的工频磁感应强度限值0.1mT作为工频磁场的安全评价标准。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1. 输电线路跨越架能够直接由行走车运输至架线现场，主桁架式伸缩结构可以实现架体的快速架设与回收，对于架线过程中需要跨越一些高处障碍物或者高压线的情况具有比较明显的优势，且操作简单，可进行重复使用；

2. 通过对跨越工程的有限元分析情况情况，对其为跨越架材料选择奠定了数据基础，基于有限元分析得到的结构模型可对从跨越架进行构建材料的选型，给整体跨越架结构安全风险进行了评估，在保证结构安全的情况下兼顾了轻便材料的使用，充分发挥了材料的效用，确保了施工过程的安全。

附图说明

图1为本发明的桁架整体结构示意图；

图2为本发明的桁架升降液压系统结构示意图；

图3为本发明的跨线平台与平台立柱结构图；

图4为本发明的主桁架局部结构示意图；

图5为本发明的跨越输电线路工作示意图；

图6为本发明的跨越高速路工作示意图；

图7为本发明的主桁架有限元分析；

图8为本发明的跨越35KV带电施工电场仿真图；

图9为本发明的施加荷载后的仿真图；

图中：10-行走车 20-主桁架 21-第一节桁架 22-第二节桁架 23-第三节桁架24-第一钢丝绳 25-立式液压缸 26-第一滑轮 27-第二钢丝绳 28-第二滑轮 201-桁架竖杆 202-桁架直腹杆 203-桁架斜腹杆 204-桁架连杆 30-平台立柱 31-上部支柱 32-立柱联系空心管 40-液压杆 50-旋转平台 60-跨线平台 61-一号跨线架 62-二号跨线架 63-三号跨线架 64-四号跨线架 65-五号跨线架 66-端部斜撑 67-平台纵向空心管 68-平台横向空心管 69-平台横向联系空心管 70-支点。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更浅显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。

参考图1至图

一种铝合金材料的输电线路跨越架设计方法，包括以下步骤：

（1）进行桁架式跨越架结构设计：桁架式跨越架包括行走车10，行走车的上方安装有能够升降的主桁架20，主桁架顶部安装有平台立柱30，平台立柱的底端安置了一个旋转平台50，旋转平台的四周转动安装有液压杆40，平台立柱上端布置跨线平台60，液压杆的上端分别与跨线平台转动连接，从而通过旋转平台能实现调节平台送线角度的要求，通过液压杆实现跨线平台的收展；

（2）进行主桁架设计：主桁架主要承受轴力作用，为保证跨越架结构稳定，主桁架由第一节桁架21、第二节桁架22、第三节桁架23构成，第一节桁架安装在行走车的上方，第一节桁架的上方与第二节桁架的下方采用桁架升降液压系统连接，第二节桁架的上方与第三节桁架的下方采用桁架升降液压系统连接，第三节桁架的上端与平台立柱相连接；

（3）跨线平台选型：跨线平台由一号跨线架61、二号跨线架62、三号跨线架63、四号跨线架64、五号跨线架65以及端部斜撑66组成；其中，一号跨线架、二号跨线架、三号跨线架以及五号跨线架均由平台纵向空心管67、平台横向空心管68、平台横向联系空心管69、支点组成；四号跨线架由平台纵向空心管67、平台横向空心管68构成，各跨线架之间通过转轴部件连接：例如一号跨线架与二号跨线架转动连接，三号跨线架与四号跨线架的一端转动连接，四号跨线架的另一端与五号跨线架转动连接，从而形成整块的跨线平台；

（4）拉弯、压弯构件截面强度计算，并计算确认材料参数；

（5）进行跨越架的电磁安全设计；

（6）对桁架式跨越架进行带电施工电场仿真。

本实施例中，架体的跨线平台采用铝合金材料制作，保证重量轻。由于跨越线路与被跨越线路之间的交叉角度并不固定，部分情况下可通过调整运输车的位置改变交叉角度。但当存在地形限制时，此种方法适用程度就大大降低。为了适应不同情况下的跨越角度，需要研究控制跨越架平台旋转的技术。考虑到平台的轻量化设计，可在旋转系统安置在主桁架的底部，即在主桁架的底部设计一个旋转平台，该旋转平台通过电机提供动力，使用齿轮传动结构进行减速以放大扭矩，以达到负载要求。其中，上部结构的重量为2.6吨，除去液压杆与斜撑结构，重达1.7吨，其他重量为0.9吨。

本实施例中，为更好地实现主桁架的卧式收折置放在行走车上，第一节桁架的下端一侧与旋转系统的旋转底座相铰接，旋转底座上铰接有斜置液压缸，斜置液压缸的另一端与第一节桁架相铰接，从而通过斜置液压缸的伸缩实现主桁架为立式状态进行跨越工作，或卧式状态方便行走车的移动。

此外，旋转平台可包括设置于平台立柱的下端与主桁架的上端相连接的回转轴承，通过电机输出轴上的齿轮驱动回转轴承的外圈齿轮来带动平台立柱旋转，实现跨越平台的旋转。

该跨越架的最大工作高度为 20 m，架立后最大跨越宽度可达 12 m。主桁架所有杆件截面形状均采用等边角钢截面，材料选用Q345钢。

主桁架采用Q345钢材质，圆管对称分布，顶部部分采用钛合金构成，以增强结构的稳定性。第三节桁架、平台立柱及跨线平台采用外包覆绝缘橡胶层的方式，能够预防桁架与带电导线距离过近引起导电。

本实施例中，桁架升降液压系统包括包括一端固定在第一节桁架底面的第一钢丝绳24，所述第一节桁架的底面上固定有立式液压缸25，所述第一钢丝绳绕过安装于立式液压缸上端的第一滑轮26，且另一端与第二节桁架的底部相连接；第一节桁架的上端连接有第二钢丝绳27，所述第二钢丝绳绕过安装于第二节桁架上端的第二滑轮28，且另一端与第三节桁架的底部相连接。从而在立式液压的伸缩杆伸出时实现第二节桁架和第三节桁架的上升，并在立式液压缸的伸缩杆收缩时实现第二节桁架和第三节桁架的下降。顶升机构具有灵活机动，收缩后尺寸小、不占空间的特点。

桁架升降液压系统还包括液压泵、液压管路、控制阀等。当需要升高或降低主桁架高度时，液压泵会将液压油从油箱中抽取，通过液压管路输送至立式液压缸中。在立式液压缸内部，液压油的压力作用下，立式液压缸的活塞会产生相应的运动，从而实现桁架的升降操作。控制阀用于控制液压油的流动方向和流量，以实现对桁架升降运动的精确控制。桁架升降液压系统具有以下优点：首先，液压技术具有较大的承载能力和稳定性，能够适应各种工作环境和要求。其次，系统操控方便，可以通过控制阀进行精确的高度调节，提高工作效率和安全性。此外，液压系统还具有自锁功能，即使在停电或压力缓慢下降的情况下，也能保持桁架的位置稳定。

本实施例中，所述第一节桁架、第二节桁架、第三节桁架分别包括四根桁架竖杆，第一节桁架21、第二节桁架22、第三节桁架23均由各自的10个连接件组成。所述桁架竖杆分别有十根依次固定的连接件组成，相邻两桁架竖杆201之间自上个下间隔设置有卧式状态的桁架直腹杆202，上下相邻两桁架直腹杆之间设置有桁架斜腹杆203，位于第一节桁架、第二节桁架、第三节桁架的顶部和底部均设置有桁架连杆204。上部结构采用等截面角钢焊接而成的标准节，标准节长度为8 m，截面宽度为2.5 m，各节间采用螺栓相连。结构见图4，

本实施例中，所述平台立柱包括四根立式设置的上部支柱31，相两根上部立柱的对角线之间设置有立柱联系空心管32，四根液压杆转动安装在平台立柱底部的四个端点上；所述跨线平台的四个边角分别设置有端部斜撑66。

由于跨越架平台在运输时保持在收缩状态，在工作状态下平台需要展开使用。通过跨线平台的液压系统进行展开，采用四根液压杆，分别放置在平台立柱的两侧，每根液压杆一端铰接在平台立柱上，另一端连接在跨越平台的四个边角，具体地分别连接在一号跨线架61、二号跨线架62、三号跨线架63、五号跨线架65的边角。

本实施例中，跨线平台选型时采用有限元分析的方式，进行整体结构应力图的仿真，从而获得整体结构中可能存在安全部分的位置，并以此作为选型依据。应力仿真图如图7所示，其中，应力图按最不利荷载考虑，为自重+竖向和横向荷载共同作用。从图中可得出安全储备均未达到其屈服应力的1/3倍。

在进行带电作业时，安全问题必须得到重视，尤其是高压作业。跨越架在进行跨越作业时，需要与被跨越线路保持安全距离，以防止过近距离导致导电事故发生。此外，跨越架在高空作业时受到风力的影响较大。当风力较强时，桁架结构会发生较大形变，如果超过材料的上限，就会发生重大事故。

为了实现这一目的，可以设置一个多维传感器预警系统，该系统包括高度传感器、电场传感器、应变传感器、激光测距摄像头等设备。这些传感器能够实时监测并获取相关数据，通过处理和分析这些数据，系统可以提供预警信息。其中，高度传感器监测跨越架与被跨越线路之间的距离，电场传感器检测电场强度，应变传感器监测桁架的应变情况，而激光测距摄像头可以测量距离和检测形变。通过将这些传感器的数据综合起来，预警系统可以及时发出警报，提醒操作人员采取相应的安全措施。在跨越架使用过程中，当桁架逐步伸缩靠近目标位置时，桁架会根据自身位置传感器判断距离，并向司机提出警示，帮助司机以较为稳定的方式顺利收放桁架。

本实施例中，结构设计中主要考虑结构上的屈服应力强度，以此来设计结构的安全裕度以及材料的选型，以下为设计过程中采用的拉弯压弯构建应力的计算原理。在轴心力和弯矩的共同作用下，当截面出现塑性饺时，拉弯或压弯构件达到强度极限，N/Np和M/Mp的相关曲线是凸曲线，其承载力极限值大于按直线公式计算所得的结果。其中Np是无弯矩作用时全截面屈服的应力，Mp是无轴力作用时截面的塑性饺弯矩。

本标准对承受静力荷载或不需验算疲劳的承受动力荷载的拉弯和压弯构件，用塑性发展系数的方式将此有影响的部分计入设计中。对需要验算疲劳的构件则不考虑截面塑性的发展。截面塑性发展系数γ的数值是与截面形式、塑性发展深度和截面高度的比值μ、腹板面积和一个翼缘面积的比值α以及应力状态有关。相比原规范，本条补充了圆形截面拉弯构件和压弯构件的计算。采用式（2-1）计算圆管构件的双向压弯的应力。

弯矩作用在两个主平面内的圆形截面拉弯构件和压弯构件，其截面强度按下式计算：

（2-1）

式中： N ——同一截面处轴心压力设计值(N)；

M

、/>

——圆形构件的截面塑性发展系数，对于实腹圆形截面取1.2，当圆管截面板件宽厚比等级不满足S3级要求时取1.0，满足S3级要求时取1.15；需要验算疲劳强度的拉弯、压弯构件，宜取1.0；

A

W

本发明中，计算确认的材料参数（单位：mm）：

。

本实施例中，步骤（5）中，电磁场理论由麦克斯韦方程组来描述，微分形式的麦克斯韦方程组为：

（2-2）

（2-3）

（2-4）

（2-5）

其中：H为磁场强度(A/m)，J为电流密度(A/m

（2-6）

（2-7）

（2-8）

其中，

本实施例中，为使问题得到简化，还需引入两个变量来把电场量和磁场量分离开来，这两个变量一个是矢量磁势A，另一个是标量电势

（2-9）

（2-10）

其中，A为矢量磁势(Wb/m)，

本实施例中，式（2-9）和式（2-10）能满足式（2-3）和式（2-5），将本构造关系式以及式（2-9）和式（2-10）代入到式（2-2）和式（2-4）中，经过推导后分别得到磁场和电场的偏微分方程：

（2-11）

（2-12）

其中，

本实施例中，采用有限元方法对偏微分方程式（2-11）和式（2-12）进行数值求解并解得磁势A和电势

本实施例中，步骤（6）中，按照我国环境行业标准HJ/T24-1998规定，采用1998年ICNIRP安全导则中规定的工频磁感应强度限值0.1mT作为工频磁场的安全评价标准。GB8702-2014《电磁环境控制限值》中规定50Hz时的磁感应强度安全防护限值为0.1mT。针对带电作业既要保证作业人员和机械设备安全的问题，又要保证电网的不间断运行。

利用输电线路一般安全距离的计算方法，建立可移动桁架带电作业有限元模型，以35kV交流输电线路为例，研究安全距离下的临界电场，计算并得到不同作业位置的临界电场阈值，并在现场进行电场强度、安全距离的实测验证，从而为施工机械临近电安全距离预警提供依据。研究结果可为电力系统安全稳定运行提供技术支撑，仿真如图8所示。

仿真计算过程如下：

1）当跨越输电线路施工机械入侵时，其安全距离下的临界电场会有较大的变化，具体言之，其相同安全距离下的临界电场强度将增大。

2）不同输电线路等级下，在安全距离位置的临界电场各不相同，因此，在采取临界电场过限法标定安全距离时，需要对跨越电压等级下的临界电场进行系统研究。

3）施工机械位置不同时，其临界电场亦有差别，研究临界电场作为标定安全距离的阈值，以保留一定安全裕度。

此外，还可以对该输电线路跨越架进行荷载施加仿真，荷载施加是指将外部力或重量施加到结构或设备上，以测试其稳定性、耐久性和安全性的过程。通过对其进行的荷载施加仿真，可得到其在正常状态下进行工作的工作情况，通过施加不同类型和大小的荷载，可以确定结构的变形、应力分布、振动特性以及其它重要参数，将对结构进行荷载施加，对整体桁架结构进行设计优化、安全验证和性能验证。荷载施加仿真情况如图9所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种铝合金材料的输电线路跨越架设计方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。