摘 要

随着社会的迅速发展，国家的经济水平和人们的生活水平不断提高，对供电可靠性提出了更高的要求。10kV配电线路是配电系统的重要组成部分，与人们的生活息息相关，因此需要重视它的防雷工作。

本次设计主要针对10kV架空配电线路架设避雷线进行结构应力分析，通过架空悬链方程，求解两种不同型号的钢绞线的弧垂和应力，再通过有限元分析软件ANSYS建立避雷线仿真模型，验证理论计算是否正确，并通过改变线长，得到避雷线的弧垂和应力与线长变化的关系。

仿真得到的结果与理论计算得到的结果基本符合，另外，通过改变线长我们可以发现，在档距不变的情况下，弧垂和应力的变化趋势正好相反，线长越长，弧垂越大，应力就越小，反之线长越短，弧垂越小，应力越大。但是在实际的线路中，弧垂过大或者过小都是不可取的，因此在避雷线设计中需要考虑各方面的因素，选择合适的弧垂。

关键词：架空配电线路；应力分析；弧垂；ANSYS

Abstract

With the rapid development of society, the country’s economic level and people’s living standards have continuously improved, placing higher demands on the reliability of power supply. The 10kV distribution line is an important part of the distribution system and is closely related to people's lives. Therefore, it is necessary to pay attention to its lightning protection work.

This design mainly focuses on the structural stress analysis of the 10kV overhead distribution line erecting the lightning conductor. The overhead catenary equation is used to solve the sag and stress of two different types of steel strands. Then the simulation of the lightning conductor is established through the finite element analysis software ANSYS. The model verifies whether the theoretical calculation is correct, and by changing the length of the line, the sag of the lightning conductor and the relationship between the stress and the length of the line are obtained.

The results obtained by the simulation are basically consistent with the results obtained by theoretical calculations. In addition, by changing the line length, we can find that the sag and stress change in the opposite direction without changing the span. The longer the line length, the greater the sag, the smaller the stress. On the contrary, the shorter the line length, the smaller the arc sag and the greater the stress. However, in an actual line, arcing is too large or too small to be desirable. Therefore, various factors need to be considered in the design of the lightning conductor, and select an appropriate sag.

Keywords: Overhead distribution line; Stress Analysis; Sag; ANSYS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本次设计完成的主要工作 3

本章小结 4

第2章 10kV架空配电线路的基本知识 5

2.1 导线 5

2.2 绝缘子（串） 5

2.3 杆塔和拉线 6

2.4 杆塔基础和线路金具 6

2.5 地线 7

本章小结 7

第3章 避雷线的应力与弧垂计算 8

3.1 避雷线的机械物理特性 8

3.1.1 钢绞线的弹性系数与温度膨胀系数 8

3.1.2 钢绞线的额定拉断力和抗拉强度 9

3.2 避雷线的许用应力和安全系数 9

3.3 气象条件 10

3.4 架空线的比载 11

3.4.1 垂直比载 11

3.4.2 水平比载 11

3.4.3 综合比载 12

3.5 架空线悬链方程 12

3.6 架空线的弧垂、线长和应力 14

3.6.1 悬点等高时的架空悬链方程 14

3.6.2 悬点等高时架空线的弧垂 15

3.6.3 悬点等高时架空线的线长 16

3.6.4 悬点等高时架空线的应力 16

3.7 避雷线应力与弧垂计算 17

本章小结 18

第四章 基于ANSYS的避雷线模型仿真分析 19

4.1 ANSYS仿真软件介绍 19

4.2 仿真模型的建立 19

4.2.1 Workbench平台 19

4.2.2 建模过程 20

4.2.3 仿真结果 23

本章小结 27

小结与展望 28

参考文献 29

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景

电力工业是国民经济的基础性产业之一，其根本任务是提供稳定、可靠的电能。人们最早使用的是直流电，但由于社会发展对电力的需求越来越高，且用户端的电压不能过高，因此要增大输送的功率，就必须增大电流。这时就会带来新的问题，电流增大后，输电线路发热也会相应增加，线路的损耗也因此增大，就会造成用户端得到的电压大小取决于距离发电厂的远近的问题，电力的发展也因此被限制。为了解决这一问题，交流输电得以发明，自此交流输电不断进步。由于电能不能够大量存储，因此电能的生产和消费需要同时完成，要保持这一平衡，发电的峰值需要满足用电高峰时的需求，为了降低发电的负荷，采用了电力系统联网，同时可以实现安全。稳定、可靠地供电，输配电线路在其中起到了重要作用。

随着社会的快速发展，国家的经济水平与居民的生活水平不断提高，对供电的可靠性提出了更高的要求。然而近几年来，由于全球变暖和生态环境的恶化，各类自然灾害如雷击、雪灾、洪水地震等频繁发生，给电力系统的安全稳定运行带来了严重影响。^[1]其中，雷击是发生最频繁的灾害，由于我国幅员辽阔，输配电线路分布广泛，并且很多地处旷野，易遭受雷击，因此，对输配电线路加强防雷措施，不但可以减少由于雷电击中输配电线路而引起的跳闸次数，还可以有效保护变电站内电气设备的安全运行，是维持电力系统稳定、可靠供电的重要环节。

我国于19世纪末建设了第一条低压输电线路，20世纪30年代电网初步形成。而后由于日本帝国主义的入侵使得刚刚发育的电压遭受了严重破坏，新中国成立以后，我国电网建设进入到一个统一有序的发展阶段。改革开放以来，为适应经济快速发展，我国电力工业一直保持着快速发展，已经形成了由东北、西北、华北、华东、华中和南方电网互联的大区域电网。

我国全国总发电量的95%左右是由火力发电和水力发电提供的，火力发电主要依靠燃煤发电，所以基于远距离输电和远距离输送燃煤的经济程度考虑，火力发电厂一般会建在煤炭能源基地或者负荷中心附近，但是从技术上、经济上和环境污染等方面比较，现代的大型火电厂宜建在煤炭能源基地。水力发电厂则只能建在水力资源处。产生的电能都是通过输电线路向负荷中心输送。^[2]

进入21世纪后，过度开发利用化石能源导致的能源问题、环境问题越来越突出，建立在化石能源基础上的电力工业面临重大挑战，新一轮能源变革正在世界范围内蓬勃兴起。世界范围内的电力系统都面临许多相同的瓶颈。风电、核电、水电、光伏发电等清洁能源的发展刻不容缓，智能电网也是适应世界电力工业发展的新趋势，具有强大的电力资源配置能力，为构建功能丰富的社会公共服务平台打下基础，而输配电线路安全、稳定、高效地运行，是实现这一切的基础。

配电系统由架空线路、杆塔、电缆、配电变压器、开关设备、无功补偿电容等配电设备及附属设施组成，是电力系统发电、输电、配电、用电中的一个直接面向用户供电的环节，作为输电环节跟用电环节的转换枢纽，在整个电网中起到了至关重要的作用。

10kV架空配电线路是配电网的重要组成部分，由于线路的绝缘水平较低，分布复杂，易发生跳闸，其中雷击是造成事故的主要原因。因此，必须重视配电网架空线路的防雷工作，预防可能发生的雷击事故。雷击事故发生后，要有针对地进行分析，找出合适的解决方法，提高10kV配电网架空线路的耐雷水平和供电可靠性。

避雷线已经广泛地应用于输电线路的防雷保护措施中，可以有效地防止雷电直击和提升线路的耐雷水平。输配电线路是否需要架设避雷线应当根据线路的电压等级、雷电出现的频繁性以及当地线路运行的经验来决定。目前在110kV输电线路中，除了部分雷电活动很少的地区，其他地区基本沿全线架设避雷线，110kV以上通常沿全线架设避雷线或者双避雷线，而10kV配电由于复杂的线路分布、尺寸小的杆塔和成本等原因很少架设避雷线。架设避雷线后，可对导线形成耦合作用和屏蔽作用，可以显著地降低导线上的感应过电压，因此，在部分地区如雷击事故集中、人口较为稠密以及重要跨越等可通过架设避雷线来提高供电的稳定性。

1.2 国内外研究现状

造成架空配电线路雷击事故的主要是雷电过电压，包括感应雷过电压和直击雷过电压，其中，直击雷过电压的危害性更大，可能会造成架空配电线路和关联设备的损坏，但在线路的实际运行中，直击雷发生的概率很低，大多数雷击跳闸事故的发生是由于感应雷过电压，因此在10kV架空配电线路的防雷工作中，不仅需要重视直击雷过电压和感应雷过电压的日常保护，还应该把感应雷过电压作为10kV配电线路防雷工作的重点。

当架空线路受到雷击时，由于雷电过电压，绝缘线路上会发生闪络，导致线路中的瞬时电流增大，绝缘线路被击穿，但由于电流存在的时间很短，不会造成断线。因此，架空绝缘线路发生断线事故不是雷电导致的，造成架空线路发生断线主要是因为当雷电过电压造成两相或者三相同时出现闪络时，各相线路之间会通过雷击孔建立短路通道，在工频电压的作用下，会在短路通道上建弧形成工频持续电流，形成很大的工频短路电流，由此产生的的巨大热量使得架空线路熔断.

10kV架空配电线路的防雷工作应以提高线路绝缘水平、降低雷击跳闸率为主。既要尽量避免遭受雷击时架空绝缘线路发生雷击的情况，又要合理地运用自动重合闸，开展避雷器的安装与更换等工作，选择合适的接地方式以减少雷击建弧率。^[4]目前国内外架空配电线路的防雷保护措施主要有以下几种，包括架设线路避雷器、绝缘塔头和横担、防雷金具、可调式保护间隙、避雷线等结构，以及降低杆塔接地电阻等。

当前在10kV架空配电线路上广泛使用的是避雷器，可避免配电设备在雷电过电压的作用下损坏。但是实际运行过程中，部分避雷器由于质量问题或者运行维护不充分导致被击穿，发生击穿后，10kV架空配电线路通过避雷器接地，这时就需要停电处理故障，因此在一定程度上反而降低了供电可靠性。

防雷金具的安装过程较为简单，运行中也几乎不需要检修和维护，可靠性较高，可以有效避免10kV架空线路受到雷击时发生断线，但是金具本身质量的好坏、安装的方法是否正确等对于配电线路的安全运行影响很大。

可调式保护间隙由两个金属球构成，它不仅架设比较方便，自身的体积比较小，而且可以很好地保护绝缘子和架空绝缘线路，发生故障可以较容易观察到故障点，但保护间隙的启动电压较高，启动时间长，后端的残压会比较高，也就意味着电压保护水平比较高。

绝缘塔头、横担自身的绝缘性能较为良好，抗老化的能力也较强，可以适应长期暴露在户外的环境条件，因此10kV架空配电线路安装绝缘塔头和横担后线路的绝缘水平可以得到很好的提高，但安装的成本很高，目前仅用于雷电活动比较频繁以及对供电可靠性有很高要求的地区，可使用的范围受到了很大的限制。

目前电力系统降低杆塔电阻的方法主要是采用放射法埋设钢筋，可以有效地降低或者避免雷击事故的发生。但是这种方法也有很大的局限性，因为这种方法对于土壤条件有一定的要求，对于接地电阻率很好或者土壤中石头比较多的地区防雷效果就没有那么显著。

由此可以看出，尽管目前10kV架空配电线路的保护措施有很多，但是它们由于自身的缺陷或者其他因素不能兼顾每个方面，从而在一定程度上对供电可靠性产生了影响。

1.3 本次设计完成的主要工作

通过对相关背景知识的学习，了解目前国内外10kV配电网的防雷背景和一些常见的防雷措施，查阅相关资料比较他们的优缺点，从技术性、可行性、安全性、经济性等各个方面考虑架设避雷线的优越性与不足之处。

了解10kV架空配电线路常用的杆塔、导线、绝缘子（串）等结构，熟悉输电线路设计过程中需要考虑的相关机械物理参数，对架空线路设计和施工时需要考虑的气象条件（主要是气温、风、覆冰）、地形条件、避雷线高度的选择等进行学习和研究。

掌握10kV架空线路的弹性系数、温度膨胀系数、抗拉强度等机械物理特性和比载，了解条件等影响因素对10kV架空输电线路架设避雷线结构应力分析的影响，主要内容包括架空线的弧垂、线长、应力、档距。其中，架空线的弧垂、线长、应力的分析包括悬点等高和悬点不等高两种情况，都是通过架空线悬链方程求解得出；档距的大小可以决定气温或者比载能否成为控制条件，档距很小时，架空线的应力仅决定于温度，档距很大时，架空线的应力仅取决于比载，因此在设计的过程中，需要找到一个临界档距，使气温和比载的作用同样重要。档距的计算主要是通过架空线的状态方程求出，计算时把一种控制条件作为第一状态，另一种控制条件作为第二状态，然后代入状态方程式得到临界档距的计算公式。

学习ANSYS软件，建立仿真模型，针对理论计算所得结果进行结构应力分析，并比较在不同条件下的结构应力分布情况，求出最大应力临界解。

本章小结

在本章主要介绍了本次设计研究的背景，国内外研究的现状以及本次设计所完成的主要工作。我们可以了解到，目前而言在国内外的10kV架空配电线路很少架设避雷线，但是社会在不断的发展，各个行业和生活对供电可靠性的要求越来越高，并且随着智能电网的开拓与发展，不论是输电线路还是配电线路，防雷工作将会是防护工作的重点。目前10kV架空配电线路除了架设避雷线外还有很多防雷的方法比如架设避雷器、可调式保护间隙、安装防雷金具等，但是这些方法在实际运行中不能兼顾每个方面，有时反而会导致供电可靠性降低，所以输配电线路防雷工作的研究依旧是一个很重要的课题。

在本次设计中还用到了有限元分析软件ANSYS，可以模拟重力场、磁场等，可以不需要实际架设避雷线来验证我们计算所得的结果，可以节省很多成本，对于本次的设计有很大帮助。

第2章 10kV架空配电线路的基本知识

10kV架空配电线路主要由导线、绝缘子、杆塔、拉线、基础、线路金具、地线等构成，此外还包括安装在架空配电线路上的电气设备如变压器、断路器、隔离开关和熔断器等。^[1]根据地形如平原、湖沼、沿海、丘陵等，会选择不同的元器件；再结合用电负荷密度等因素或选择不同的架设方式，目前我国10kV架空配电线路主要的架设方式有放射式和环网式两种，在设计时可根据实际需要以及环境条件等进行选择。

2.1 导线

目前可用于制作导线的材料主要有铜、铝、铝合金和钢。其中，铜是制作导线最理想的材料，它的导电能力和机械强度都比较好，但目前用铜制作导线的成本比较高，因此除了个别情况，10kV架空配电线路一般不使用铜导线；相较于铜，铝材料制成的导线价格低很多，导电的能力也只是稍弱于铜材料，但是铝材料的机械强度较差，目前只能用于档距较小的配电线路上，此外，铝材料的抗腐蚀性能较差，所以也不适用于环境条件较差•的地区；在此基础上制成的铝合金既有与铝相近的导电性能，也有与铜相似的机械强度，抗腐蚀性能也得到很大的提升，且价格比铜低，唯一的不足之处是导线因振动发生断股的现象比较严重，目前世界各国都在着手解决这一问题，铝合金材料是制作导线最有前途的材料；与前面三种材料相比，钢材料的优势在于它较高的机械强度以及相对低廉的价格，但是钢的导电性能都明显弱于其他三种材料，因此，只有当线路跨越江河山谷档距较大或者线路本身对机械强度的要求较高时才会使用钢材料制成的导线，其他多数情况，钢材料的架空线都是作为避雷线使用的。^[5]

目前在架空配电线路中，一般采用LJ型铝绞线，它是一种单层或多层铝股线绞合在镀锌钢芯线外的加强型导线。四周导电性能较好的铝主要起载流作用，而中间的钢绞线主要起增大导线的机械强度的作用。

2.2 绝缘子（串）

绝缘子（串）是安装在不同电位的导体或导体与接地构件之间的能够耐受电压和机械应力作用的一种特殊的绝缘控件。一开始绝缘子多用于电线杆，随着输电线路容量以及电压的增大，绝缘子渐渐发展成了高型高压电线连接塔的一端挂了很多盘状的绝缘体，它通常是由玻璃或者陶瓷制成的，对输配电线路的安全运行起着重要的作用。^[1]绝缘子的种类有很多，输配电线路中常用的有针式绝缘子、悬式绝缘子、横担绝缘子、棒形绝缘子和复合绝缘子等。在10kV架空配电线路的设计中，主要用到防雷式复合绝缘子、悬式绝缘子、棒形瓷绝缘子三种。

悬式复合绝缘子简称复合绝缘子，又被称为合成绝缘子，多用于污秽地区，可以有效避免污闪的发生，它是由三部分构成，包括伞套、芯棒和端部金具。伞套是由高温硫化硅橡胶制成，具有优秀的疏水性以及防污能力，可以保护芯棒不受环境条件变化的影响。芯棒是由以环氧树脂为基体的玻璃钢制成，通常为了提高其性能还会加入玻璃纤维，它是复合绝缘子机械荷载的承载部件，因而具有出色的抗拉强度和抗疲劳断裂性，同时它也是绝缘子内绝缘的主要部件。端部金具是由碳素钢制成，一般为了防腐蚀会在其外表面镀一层锌，负责传递绝缘子受到的机械荷载。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：