JP4696083B2

JP4696083B2 - 架空電線の振動寿命推定方法及び振動寿命推定プログラム

Info

Publication number: JP4696083B2
Application number: JP2007015632A
Authority: JP
Inventors: 豊片桐; 光瀧ケ崎; 史則志賀; 忠大高橋
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; J Power Systems Corp
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; J Power Systems Corp
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: JP2008180657A

Description

本発明は、放電クランプの電線把持部に取り着けられた架空電線が振動疲労を起こして断線するのを予測する架空電線の振動寿命推定方法及び振動寿命推定プログラムに関するものである。

例えば、高圧６６００Ｖ系統の高圧架空電線の線路では、碍子部を有する放電クランプが配電設備の電線支持部の一部材として広く使用されている。放電クランプは、落雷等により電線の絶縁体の被覆が破壊され、その絶縁破壊点に続流アークが集中し、この部位から電線の損傷や溶断を防止するために、絶縁体の被覆を剥ぎ取り導体を露出させた導体部分を把持する電線把持部から電流を大地に放電させるために設けられている。

この放電クランプの電線把持部には、絶縁体が剥離されて導体がむき出しになった架空電線（以下、電線という）が直接把持されている。一方、電線や放電クランプは風によって振動するため、この繰り返しの振動による曲げ応力が電線把持部に集中する。振動が電線把持部に長時間付与されると、絶縁体剥離部分の導体に損傷等の経年劣化を招き、放置すると破断に至り断線するおそれがある。特に、配電線路の通過ルートが、市街地、住宅密集地、通学路、重要幹線道路など、地域環境に密接した場所にある場合、断線により電線が落下したり、または垂れ下がったりすると感電や物損を含む事故を招く可能性がある。

そこで、放電クランプの電線把持部における電線の異常を診断し、断線による電線の落下、または垂れ下がりを未然に防止して感電事故や物損事故を防止することが望まれている。

放電クランプの電線把持部の電線の異常を診断する方法として電線の耐振動寿命を推定する方法があり、電線等の所定部位に歪ゲージを貼り付けると共に電線に繰り返し振動を与えて、動歪振幅と耐振寿命の実測値との相関関係を予め得てマスターカーブとして記録し、予測対象の電線の動歪振幅を歪ゲージで検出し、この歪ゲージにより求められた動歪振幅とマスターカーブとを照合し、電線の耐振動寿命を予測する耐振寿命予測方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１８５５５１号公報

しかし、従来の耐振寿命予測方法によると、データが電線の動歪振幅のみであるため、屋外での風力、風向、風速等の風に関する気象状況（風況条件）が一定でない条件下に晒されて振動している電線の寿命を推定できないという問題がある。

本発明の目的は、放電クランプの電線把持部に取り着けられた架空電線の振動疲労による寿命を推定することが可能な架空電線の振動寿命推定方法及びプログラムを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、寿命推定対象の架空電線が存在する地域の風況条件に基づいて風速発生頻度を計算し、前記風速発生頻度を応力発生頻度に変換する第１のステップと、前記架空電線の架線条件に基づいて前記架空電線の振動周波数を算出する第２のステップと、前記応力発生頻度と前記振動周波数に基づいて前記架空電線の素線が断線に至るまでの繰り返し回数を計算する第３のステップと、前記繰り返し回数から前記架空電線の放電クランプの電線把持部における振動疲労による断線の発生時期を予測する第４のステップとを含むことを特徴とする架空電線の振動寿命推定方法を提供する。

また、本発明は上記目的を達成するため、コンピュータを、寿命推定対象の架空電線が存在する地域の風況条件に基づいて風速発生頻度を計算し、前記風速発生頻度を応力発生頻度に変換する風況条件処理部、及び、前記風況条件処理部による前記応力発生頻度と前記架空電線の架線条件に基づいて振動周波数を算出し、前記振動周波数に基づいて前記架空電線の素線が断線に至るまでの繰り返し回数を計算し、前記繰り返し回数から前記架空電線の放電クランプの電線把持部における振動疲労による断線の発生時期を予測計算する演算部として機能させるための架空電線の振動寿命推定プログラムを提供する。

本発明の架空電線の振動寿命推定方法及び振動寿命推定プログラムによれば、放電クランプの電線把持部に取り着けられた架空電線の振動疲労による寿命を推定することが可能になる。

（振動寿命推定システムの構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る振動寿命推定システムを示す概略構成図である。
振動寿命推定システム１０は、振動寿命推定の処理を行う振動寿命推定装置１と、振動動寿命推定装置１による振動寿命推定の処理に利用されるデータベース部２と、通信線８を介してデータベース部２に接続されたホストコンピュータ３とを備えて構成されている。

振動寿命推定装置１は、例えば、パーソナルコンピュータを用いることも、専用の装置として構成することもできる。

データベース部２は、風速毎の発生応力のデータ、Ｓ（応力）−Ｎ（繰り返し数）曲線のデータ等を格納する不揮発性メモリ、ハードディスクドライブ等の記憶部を備えて構成されている。

ホストコンピュータ３は、例えば、パーソナルコンピュータを用いて構成されている。

振動寿命推定装置１は、オペレータが各種の入力を行う際に用いる入力部４と、入力部４が接続された演算処理部５と、演算処理部５に接続されたディスプレイ６とを備えて構成されている。

入力部４は、キーボード及びマウス等の入力デバイスから構成されている。

演算処理部５は、振動寿命推定処理を実行するためのプログラムを格納した不揮発性メモリ、ハードディスクドライブ等による記憶部５１と、記憶部５１に格納されたプログラムに従って処理を実行するＣＰＵ５２及びその周辺回路等を備えて構成されている。

ディスプレイ６は、例えば、液晶表示器等を用いて構成されている。

（インターフェイス画面）
図２は、振動寿命推定処理の実行時に振動寿命推定装置のディスプレイに表示されるインターフェイス画面を示す図である。

インターフェイス画面７は、推定地域欄７１、電線種類入力欄７２、終了欄７３、データ設定欄７４、架線条件入力／寿命推定結果表示欄７５、地域表示欄７６等を含んでいる。

データ設定欄７４は、電柱入力欄７４ａ、風乱れ入力欄７４ｂ、主方向（風向角）入力欄７４ｃ等を含んでいる。

架線条件入力／寿命推定結果表示欄７５は、弛度率入力欄７５ａ、推定寿命表示欄７５ｂ、径間長入力欄７５ｃ、断線レベル表示欄７５ｄ等を含んでいる。

以上の各入力欄への入力は、例えば、オペレータが入力部４を操作して手入力することにより行われる。

（振動寿命推定システムの動作）
図３は、図１に示す演算処理部の処理を示すフローチャートである。

図４は、風速発生頻度を示す特性図である。

図５は、図３のステップＳ１０３でデータベースとして読み込まれる「発生応力−想定風速」特性図である。

図６は、断線回数の計算に用いられる「繰り返し歪−繰り返し回数」特性図である。

図７は、図３のステップＳ１０７でデータベースとして読み込まれる許容応力の特性図である。

以下に、図１〜図７を参照して本発明の実施の形態に係る振動寿命推定システムの動作を説明する。

まず、オペレータが入力部４を操作して図２の「推定地域」欄７１をクリックし、寿命を推定しようとする電柱が存在する地域を指定する。ここでは、想定地域として図２に示すように、「那須地域」が選択され、地域表示欄７６に表示されている。

更に、計算に必要な架線条件として、電線種類、径間長（電柱間距離）、弛度率、電線単位重量、電線地上高、及び風況条件（風の向き、風の乱れ）等を入力部４から入力する（Ｓ１０１）。上記各条件から、以下の関係を把握することができる。

（１）電線種類、風の向き→横振れ量、風圧荷重
（２）径間長、弛度率 →電柱間の電線の振動周波数、発生応力変化
（３）風の乱れ →風の変動を数値化
（４）電線単位重量 →風圧荷重、電線の横振れ量

演算処理部５は、上記（２）の条件に基づいて架線条件処理、すなわち、張力及び振動周波数を計算すると共に、上記（３）に基づいて風況条件処理、すなわち、風速発生頻度を統計的に評価するために、過去数年分（例えば、１０年分）の気象データ（例えば、アメダスデータ）から図４に示すように風速発生頻度分布を求め、風速発生頻度分布が近似するワイブル（Weibull）分布の尺度係数（Ｃ）形状係数（ｋ）を計算する。図４の場合、約３ｍ／ｓに風速の発生頻度が集中していることが分かる。上記のように求めた尺度係数（Ｃ）と形状係数（ｋ）から、風速に対する発生応力に変換する処理を実行する（Ｓ１０２）。

電線が振動疲労による断線に至るには、許容応力を超えた応力が電線に発生したとき、その繰り返し回数が累積することで破壊して断線に至ることから、電線に風が当たり振動する場合には、風速によって風圧荷重が変化することにより発生応力も刻々に変化する。この発生応力の風速毎の大きさは、実験データを基に、風速別の放電クランプの電線把持部での発生応力を求めている。また、その応力の実線路での発生頻度を求めることにより、一定期間の応力の合計累積発生回数を求めることができるので、風の振動によって発生する応力の頻度は、風速の発生頻度から換算している。

次に、演算処理部５は、ホストコンピュータ３を介してデータベース部２に接続し、風速毎の発生応力（歪み）のデータを取得する（Ｓ１０３）。発生応力は、図５に示すように、実験データにより、電線が取り着けられた放電クランプの電線把持部に発生する応力を、例えば、秒速０〜４０ｍについて２ｍ／ｓ間隔とし、弛度率１〜８％について１％毎に「発生応力−風速」の関係を予め求めたものである。このデータは、弛度率によって応力が増減し、風速に対する応力が変わることから必要になるものである。なお、本明細書中でいう「取り着ける」とは、部材同士が面接触してゆるみや隙間を生じることなく固定されている状態を示している。

次に、演算処理部５は、張力・グッドマン線図から許容応力（疲労限度応力）を計算し（Ｓ１０４）、図７に示す許容応力特性図を得る。電線の素線の断線が進行すると、残った素線は分担応力が増加するため、許容応力が低下し、応力の発生頻度が増える。電線材料の持つ許容応力は、素線の断線によって架線張力を分担する個々の素線荷重が変化するため、許容応力が低下したときの累積応力も計算する。

次に、上記ステップＳ１０２で計算した振動周波数と、データベース部２に格納された振動疲労特性（図６に示すマスターカーブであるＳ−Ｎ曲線）とに基づいて、素線が破断して断線に至るまでの振動回数（繰り返し回数）を計算する（Ｓ１０５）。

素線が繰り返し曲げ応力によって振動疲労する断線回数は、以下の式（１）により算出するが、応力（繰り返し歪）による断線回数は、素線の疲労試験により求めた図６に示すＳ−Ｎ曲線より割り出すことができるため、ある応力での振動回数の総和が断線回数になる。図６に示す特性は、発生歪εに対応する破断回数ｎの関係について工場試験を行い、εｉ＝ｆ（ｎｉ）の関係を求めることにより作成され、データベースとしてデータベース部２に格納されている。

（但し、ｎｉは、歪εｉが作用した回数、Ｎｉは、Ｓ−Ｎ曲線上のｉに対応するｎ値である。）

繰り返される振動により電線の素線が断線に至るまでの回数は、疲労限度応力線図により、ある応力での破断回数を求めることができるので、風速によって発生する応力を予め実験により求め、振動周波数からは一定期間の振動回数を算出することで、風速発生頻度から換算した応力発生頻度から、ある応力の振動回数合計に対する割合が求まる。このことから、風速によって異なる応力の合計発生回数を累積することにより破断して断線にいたるまでの回数を求めることができる。

素線切れが進行すると、未切断の素線で分担する荷重が増加し、素線の断線が加速的に進む可能性がある。そこで、電線サイズ及び素線本数毎に断線に至る振動回数を計算し、この結果に基づいて断線年数を計算する。

まず、電線サイズ毎の素線本数（ｘ）を入力（例えば、２４０ＳＱ：ｘ＝１）し、これをパラメータにする（Ｓ１０６）と共に、素線切れで変化する許容歪をデータベース部２から読み込み（Ｓ１０７）、上記ステップＳ１０２で求めた振動周波数と上記ステップＳ１０４で求めた図７に示す許容応力特性の繰り返し応力とから、素線本数ｘの電線が破断し断線に至るまでの振動回数を計算する（Ｓ１０８）。この計算は、上記ステップＳ１０７〜Ｓ１０９のループにより、ｘ，ｘ−１・・・，１の素線本数について順次実施し、上記ステップＳ１０９でｘ＝０が判定されるまで繰り返し実施する。

上記計算による全ての応力の振動回数は、材料の疲労限度応力（許容応力）を超える応力が発生する場合のみをカウントする。その応力累積発生回数が、データベース部２に格納されているＳ−Ｎ曲線上で断線に至るまでの総回数から、振動疲労による断線年数（電線の施設時点からの年数）を計算する（Ｓ１１０）。また、電線の種類によって異なる素線の断線本数を求めることで、断線発生の初期段階・中期段階・危険段階を求める。

上記ステップＳ１１０で算出された断線年数は、演算処理部５によって、図２に示すインターフェイス画面７の推定寿命表示欄７５ｂに表示される（Ｓ１１１）。更に、断線レベル表示欄７５ｄには、素線の断線量に応じた表示（素線が１，２本断線、素線の半分が断線、素線の全てが断線等）がなされる。

（実施の形態の効果）
上記した実施の形態によれば、数年分の気象データに基づいて風速発生頻度を計算し、この風速発生頻度を応力発生頻度に変換し、応力発生頻度及び線路の架線条件から求めた振動周波数に基づいて当該箇所の繰り返し回数（振動回数）を計算し、その累積結果から電線が破断して断線に至るまでの寿命を推定するようにしたので、従来は困難であった放電クランプの電線把持部に取り着けられた架空電線の振動疲労による寿命を推定することができる。

（実施例１）
次に、本発明の実施例について説明する。
まず、実線路において、電柱高さ、電線の弛み、径間長、風向を実測し、これらの数値を振動寿命推定装置１の記憶部５１に格納されている図３に示す処理内容の寿命推定ソフトウェアに入力して計算した結果と、実線路から電線を撤去し、解体調査を実施したものとで検証を行った。

例えば、径間長が約３５ｍで、電線が径間長に対して約５．０％の弛みをもって架線されていた箇所で、当該箇所の風の乱れを実測データから算出して入力した場合、素線が断線に至る年数を、寿命推定ソフトによって施設開始からの年数で求めたとき、誤差が２年程度で撤去電線の調査結果と整合していることがわかった。これは、撤去電線の解体調査の結果より、約２年寿命が短い計算結果となり、線路運用上厳しい側の予測結果となる。

従って、本実施例によれば、電線が取り着けられた放電クランプの電線把持部に風が当たって電線が振動することで発生する振動疲労から電線の断線時期を予測することが可能となり、配電設備の設備保守管理上の電線張替え・点検サイクルの目安を得ることができ、振動疲労により断線に至った場合でも、電線が落下したり、または垂れ下がったりすることによる感電による人身事故・設備損壊・家屋損壊等を未然に防止することができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。

本発明の実施の形態に係る振動寿命推定システムを示す概略構成図である。振動寿命推定処理の実行時に測定装置のディスプレイに表示されるインターフェイス画面を示す図である。図１に示す演算処理部の処理を示すフローチャートである。風速発生頻度を示す特性図である。図３のステップＳ１０３でデータベースとして読み込まれる「発生応力−想定風速」特性図である。断線回数の計算に用いられる「繰り返し歪−繰り返し回数」特性図である。図３のステップＳ１０７でデータベースとして読み込まれる許容応力の特性図である。

符号の説明

１…振動寿命推定装置、２…データベース部、３…ホストコンピュータ、４…入力部、５…演算処理部、６…ディスプレイ、７…インターフェイス画面、８…通信線、１０…振動寿命推定システム、５１…記憶部、５２…ＣＰＵ、７１…推定地域欄、７２…電線種類入力欄、７３…終了欄、７４…データ設定欄、７４ａ…電柱入力欄、７４ｂ…風乱れ入力欄、７４ｃ…主方向入力欄、７５…架線条件入力／寿命推定結果表示欄、７５ａ…弛度率入力欄、７５ｂ…推定寿命表示欄、７５ｃ…径間長入力欄、７５ｄ…断線レベル表示欄、７６…地域表示欄

Claims

寿命推定対象の架空電線が存在する地域の風況条件に基づいて風速発生頻度を計算し、前記風速発生頻度を応力発生頻度に変換する第１のステップと、
前記架空電線の架線条件に基づいて前記架空電線の振動周波数を算出する第２のステップと、
前記応力発生頻度と前記振動周波数に基づいて前記架空電線の素線が断線に至るまでの繰り返し回数を計算する第３のステップと、
前記繰り返し回数から前記架空電線の放電クランプの電線把持部における振動疲労による断線の発生時期を予測する第４のステップとを含むことを特徴とする架空電線の振動寿命推定方法。
前記第１のステップは、前記風況条件として、風向角及び風の乱れを用いることを特徴とする請求項１に記載の架空電線の振動寿命推定方法。
前記第４のステップは、前記振動疲労断線の発生時期として、施設時から電線の破断に至るまでの年数を算出することを特徴とする請求項１に記載の架空電線の振動寿命推定方法。
コンピュータを、
寿命推定対象の架空電線が存在する地域の風況条件に基づいて風速発生頻度を計算し、前記風速発生頻度を応力発生頻度に変換する風況条件処理部、及び、
前記風況条件処理部による前記応力発生頻度と前記架空電線の架線条件に基づいて振動周波数を算出し、前記振動周波数に基づいて前記架空電線の素線が断線に至るまでの繰り返し回数を計算し、前記繰り返し回数から前記架空電線の放電クランプの電線把持部における振動疲労による断線の発生時期を予測計算する演算部として機能させるための架空電線の振動寿命推定プログラム。