羅 臻，劉永鑫

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)山西電力科學(xué)研究院，太原 030001)

受局部地形地勢(shì)和氣象條件影響，微氣象區(qū)極易發(fā)生持續(xù)雨雪冰凍天氣，造成線路覆冰跳閘，金具磨損、導(dǎo)地線斷線斷股、桿塔部件扭曲變形等。針對(duì)輸電線塔體系覆冰受力問(wèn)題，國(guó)外PEYROT et al[1]建立了輸電線路斷線動(dòng)態(tài)張力前兩個(gè)峰值的計(jì)算公式；MOZER et al[2]通過(guò)輸電塔線模型試驗(yàn)測(cè)出桿塔在斷線情況下順導(dǎo)線方向的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)；MCCLURE et al[3]采用ADINA程序分別對(duì)導(dǎo)線脫冰跳躍的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模型，并考慮到檔距、高差、絕緣子串長(zhǎng)度以及導(dǎo)線的動(dòng)力阻尼對(duì)導(dǎo)線脫冰跳躍的影響。國(guó)內(nèi)李黎等[4]利用有限元方法，建立了導(dǎo)(地)線模型數(shù)值仿真輸電塔在導(dǎo)(地)線斷線作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。侯鐳等[5]建立了三自由度多檔導(dǎo)線模型，計(jì)算導(dǎo)線脫冰跳躍的時(shí)程響應(yīng)，并分析脫冰量、檔距組合、導(dǎo)線機(jī)械參數(shù)、均勻與非均勻脫冰等因素的影響。但是，本文涉及的微氣象區(qū)覆冰嚴(yán)重的500 kV線路線塔體系工況復(fù)雜，分析計(jì)算覆冰跳閘前后線塔體系的覆冰荷載、導(dǎo)線間距、不平衡張力以及脫冰跳躍的變化情況，將對(duì)提高微氣象區(qū)覆冰線路抗冰水平具有指導(dǎo)作用。

1 山地微氣象區(qū)覆冰特點(diǎn)

從我國(guó)中部各省近十年覆冰跳閘的故障形式[6]來(lái)看，微氣象區(qū)主要有以下特點(diǎn)：

1) 受溫濕度、冷暖氣流以及線路走向等因素影響，輸電線路易覆冰期在每年的3月和11月，平均溫度為-5～2 ℃，風(fēng)速為3～15 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向與導(dǎo)線夾角大于45°[7-8].

2) 覆冰線路多位于大型山脈的高山大嶺地帶或盆地向山區(qū)過(guò)度的連續(xù)上下坡地帶，平均海拔較高，小范圍內(nèi)受微地形、微氣象條件影響嚴(yán)重，線路運(yùn)行條件惡劣。

3) 分布在氣溫低、覆冰重、融冰慢地區(qū)的線路，主要存在不均勻覆冰后導(dǎo)地線安全距離不足的問(wèn)題，較少在融冰期發(fā)生脫冰跳躍閃絡(luò)。

4) 分布在氣溫高、覆冰輕、融冰快地區(qū)的線路，較少發(fā)生覆冰期導(dǎo)地線閃絡(luò)故障，重點(diǎn)為融冰期導(dǎo)地線脫冰跳躍問(wèn)題。

2 500 kV線路抗冰能力校核

2015年4月和11月，某山地微氣象區(qū)500 kV線路7-25號(hào)桿塔區(qū)段先后發(fā)生導(dǎo)地線脫冰跳躍和OPGW光纜覆冰斷股，線路被迫停運(yùn)。

2.1 覆冰過(guò)載

輸電線路覆冰后，導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力會(huì)逐漸增大，當(dāng)這一應(yīng)力超過(guò)導(dǎo)線拉斷力70%后達(dá)到的最大應(yīng)力即為導(dǎo)線的覆冰過(guò)載能力[9-10]，通常這一實(shí)際應(yīng)力以允許覆冰厚度表示，允許覆冰厚度越厚，則導(dǎo)線過(guò)載能力越強(qiáng)。

通常，導(dǎo)線狀態(tài)方程式為

(1)

在計(jì)算覆冰過(guò)載能力時(shí)，假設(shè)最大實(shí)際應(yīng)力與最大比載相同時(shí)氣溫不變，則

(2)

根據(jù)覆冰時(shí)比載g可以求得覆冰厚度

(3)

式中：l，g1分別為規(guī)律檔距和導(dǎo)線自重比載；b，S分別為覆冰厚度和導(dǎo)線截面；σm，σ分別為已知及待求應(yīng)力；gm，g分別為已知及待求比載；tm，t分別為已知及待求氣溫；E，α分別為導(dǎo)線彈性模量及溫度膨脹系數(shù)；d為導(dǎo)線直徑。

該線路的設(shè)計(jì)條件是最大風(fēng)速30 m/s，覆冰厚度10 mm，環(huán)境溫度-5 ℃；本次計(jì)算按照最大風(fēng)速15 m/s，環(huán)境溫度-5 ℃，在300～700 m之間選取5個(gè)代表檔距進(jìn)行導(dǎo)線和地線的覆冰過(guò)載能力校核，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線和地線的過(guò)載能力對(duì)比Fig.1 Comparison on icing overload capability of conducting and earth wires

該線路導(dǎo)線和地線過(guò)載能力合格，而OPGW光纜的覆冰過(guò)載能力偏低。OPGW光纜作為光纖復(fù)合地線，在同塔雙回線路中，其過(guò)載能力應(yīng)該與常規(guī)地線一致，結(jié)果表明OPGW-120光纜的過(guò)載冰厚較GJ-80地線低5 mm，覆冰過(guò)載能力偏低，相同覆冰厚度時(shí)OPGW-120光纜的應(yīng)力更低，更易發(fā)生斷線或閃絡(luò)故障。

2.2 覆冰導(dǎo)線間距

導(dǎo)線或?qū)У鼐€覆冰后的線間距離直接影響著閃絡(luò)故障的發(fā)生概率。不均勻覆冰后，導(dǎo)線或?qū)У鼐€在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下的間隙距離應(yīng)大于等于其操作過(guò)電壓的間隙距離[11-12]，即導(dǎo)線間的操作過(guò)電壓間隙距離應(yīng)大于等于4.55 m，導(dǎo)地線間的操作過(guò)電壓間隙距離應(yīng)大于等于2.70 m.

兩懸垂點(diǎn)高度不同時(shí)，導(dǎo)線在檔距中點(diǎn)的弧垂為：

f=gl2/8σ0cosβ.

(4)

式中：g，β分別為導(dǎo)線可求比載和懸掛點(diǎn)高差角；l，σ0分別為規(guī)律檔距和導(dǎo)線水平應(yīng)力。

該線路的OPGW光纜采用預(yù)絞絲式線夾固定，在計(jì)算中不考慮地線滑移造成的影響。按照現(xiàn)場(chǎng)LGJ-400/35導(dǎo)線覆冰20 mm，OPGW-120光纜覆冰30 mm，風(fēng)速10 m/s，進(jìn)行導(dǎo)地線覆冰距離校核，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 導(dǎo)地線覆冰后靜態(tài)間隙距離對(duì)比Fig.2 Comparison on static vertical distance between icing conducting and earth wires

分別對(duì)導(dǎo)電率為23%和40%的OPGW光纜進(jìn)行校核，導(dǎo)電率為23%的光纜與導(dǎo)線的靜態(tài)覆冰間隙距離合格，而導(dǎo)電率為40%的光纜不合格。說(shuō)明提高OPGW光纜導(dǎo)電性能的同時(shí)會(huì)嚴(yán)重降低光纜的抗拉強(qiáng)度、1%伸長(zhǎng)應(yīng)力以及彈性模量，進(jìn)而降低光纜應(yīng)力水平；同時(shí)由計(jì)算得出，檔距對(duì)導(dǎo)地線靜態(tài)覆冰間隙距離也有一定影響，當(dāng)檔距大于700 m后，導(dǎo)地線間的靜態(tài)覆冰間隙距離明顯減小。

2.3 覆冰不平衡張力

受不同高程、地形、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響，不均勻覆冰后直線塔兩側(cè)導(dǎo)線和地線易出現(xiàn)不平衡張力，使桿塔產(chǎn)生較大的彎矩和扭矩，造成桿件損壞，甚至倒塔[13-16]。

利用等線長(zhǎng)法，計(jì)算無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下各檔的線長(zhǎng)根據(jù)直線塔的受力情況，計(jì)算水平張力差，然后換算下一檔應(yīng)力和檔距，直到最后一檔。

(5)

假設(shè)耐張段第1檔的初始應(yīng)力已知，通過(guò)該應(yīng)力下的L算出檔距

(6)

(7)

式中：σ0，g1分別為導(dǎo)線水平應(yīng)力和自重比載；E，l，h分別為導(dǎo)線彈性模量、檔距和高差；Tk，Tv分別為水平張力差和導(dǎo)線垂直荷載；TC，LC分別為懸垂絕緣子串重量和長(zhǎng)度；Δl為檔距變化量。

假設(shè)連續(xù)檔中間任一檔導(dǎo)線或地線發(fā)生脫冰跳躍，其余檔導(dǎo)地線不發(fā)生脫冰跳躍。按照導(dǎo)線覆冰25 mm，地線覆冰30 mm，脫冰率75%，進(jìn)行該段線路地線和導(dǎo)線覆冰后不平衡張力校核，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 覆冰后地線不平衡張力對(duì)比Fig.3 Comparison on longitudinal tension of unevenly icing earth wires

圖4 覆冰后導(dǎo)線不平衡張力對(duì)比Fig.4 Comparison on longitudinal tension of unevenly icing conducting wires

不均勻覆冰后，該段線路地線不平衡張力超出規(guī)程規(guī)范要求，易發(fā)生地線斷股斷線或損壞桿件等故障，但檔距小、高差小的個(gè)別檔的地線不平衡張力可以滿(mǎn)足要求。計(jì)算結(jié)果表明，與地線相比，導(dǎo)線的不平衡張力更復(fù)雜些。不均勻覆冰后，直線塔兩側(cè)導(dǎo)線的不平衡張力合格，而耐張塔兩側(cè)導(dǎo)線的不平衡張力不合格，需要進(jìn)一步對(duì)桿塔主要桿件承受的應(yīng)力進(jìn)行校核，本段線路涉及5EG-SZC2和5EG-SJC2兩種塔型，主要桿件應(yīng)力的校核計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 桿塔主要桿件應(yīng)力比計(jì)算Fig.5 Comparison on stress ratio of the main members for towers

不均勻覆冰后，隨著兩側(cè)導(dǎo)地線荷載的增加，桿塔塔頭主要桿件承受應(yīng)力整體升高，橫擔(dān)主材成為整個(gè)塔身受力最大的部分；數(shù)據(jù)還顯示，耐張塔承受應(yīng)力較直線塔偏高，且耐張塔的下橫擔(dān)受力尤為突出。

通過(guò)校核連續(xù)檔導(dǎo)線不平衡張力，還發(fā)現(xiàn)：

1) 直線塔的不平衡張力隨著桿塔高差和檔距的增大而增大，且檔距變化對(duì)張力幅值影響較大。

2) 大檔距兩側(cè)的導(dǎo)線更容易出現(xiàn)較大的不平衡張力差，且連續(xù)檔內(nèi)大檔距的數(shù)量越多，直線塔所受的不平衡張力差越大。

2.4 脫冰跳躍

在冰凌融化脫落階段，不均勻覆冰導(dǎo)地線因冰荷載的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為脫冰的導(dǎo)線動(dòng)能而造成導(dǎo)地線在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)高頻次彈跳的過(guò)程即為脫冰跳躍[17-20]。脫冰跳躍會(huì)減小線間的有效間隙距離，造成導(dǎo)線間或?qū)У鼐€間發(fā)生冰閃跳閘。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出跳躍幅值的經(jīng)驗(yàn)公式

H=Δf(2 000-l)×10-3.

(8)

式中：l，Δf分別為規(guī)律檔距和覆冰前后弧垂差。

假設(shè)僅有下相導(dǎo)線脫冰，按照脫冰率50%、覆冰厚度15 mm，中下相導(dǎo)線垂直間距10.85 m，水平偏移1.70 m，進(jìn)行不均勻覆冰后導(dǎo)地線脫冰跳躍幅值校核，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 脫冰跳躍幅值計(jì)算Fig.6 Comparison on ice-shedding jump amplitude of unevenly icing wires

結(jié)合實(shí)際海拔高度和分裂導(dǎo)線間距，修正后導(dǎo)線間的工頻電壓最小間隙距離為3 m.隨著檔距的增大，脫冰跳躍幅值平緩增長(zhǎng)，而相間凈空距離則逐漸縮小。當(dāng)脫冰檔距超過(guò)550 m時(shí)，導(dǎo)線脫冰跳躍的相間凈空距離無(wú)法滿(mǎn)足工頻電壓下最小放電間隙要求，需要適當(dāng)調(diào)整檔距或進(jìn)行改造。

3 結(jié)論

1) 通常導(dǎo)地線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)相同，結(jié)合上述覆冰過(guò)載能力和覆冰線間距離的計(jì)算結(jié)果，在對(duì)山地微氣象區(qū)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高OPGW光纜的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，增加不均勻覆冰后導(dǎo)地線間的空氣間隙。

2) 選擇OPGW光纜時(shí)，需要綜合考慮最大應(yīng)力、導(dǎo)電率、地質(zhì)以及氣象條件等因素。計(jì)算結(jié)果表明，與導(dǎo)電率23%的OPGW光纜相比，導(dǎo)電率40%的OPGW光纜的抗拉強(qiáng)度和1%伸長(zhǎng)應(yīng)力降低了近1倍，彈性模量降低約27%.

3) 不均勻覆冰時(shí)，導(dǎo)線和地線的不平衡張力主要體現(xiàn)在檔距差較大的地線上和對(duì)應(yīng)的耐張塔橫擔(dān)上，結(jié)合山地微氣象區(qū)線路覆冰情況，適當(dāng)縮小檔距或更換加強(qiáng)型桿塔，并對(duì)耐張塔橫擔(dān)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4) 脫冰率50%時(shí)，檔距大于550 m則導(dǎo)線脫冰跳躍的相間動(dòng)態(tài)間隙距離不滿(mǎn)足規(guī)程要求。對(duì)于微氣象區(qū)可能出現(xiàn)高脫冰率的其它線路區(qū)段，需要結(jié)合覆冰過(guò)載、不平衡張力計(jì)算情況，減小導(dǎo)線或?qū)У鼐€間的弧垂差。

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