不均勻覆（脫）冰下的不平衡張力及垂直間距計算

史 巍，黎燕霞，孫自堂

(東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林市132012)

2008年1—2月期間，50年一遇的低溫、持續(xù)的極端天氣造成了湖南、江西、浙江等省大量的直線桿塔連續(xù)性倒塔[1]。2008年3月，新修訂的《中、重冰區(qū)架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》規(guī)定了各類電壓等級的覆冰率及不平衡張力的使用百分?jǐn)?shù)，要求抗冰設(shè)計人員對不均勻覆冰情況下的不平衡張力進(jìn)行計算[2]。不均勻脫冰閃絡(luò)會造成輸電線路導(dǎo)、地線燒焦及斷電現(xiàn)象，抗冰設(shè)計人員及除冰工作人員一定要重視鄰檔和上、下線間的覆冰量，避免導(dǎo)、地線跳躍幅度過大[3]。

1 不平衡張力計算模型

1.1 定性圖解法[4]

簡化條件：認(rèn)為各檔檔距相等、懸點等高、忽略架空線的彈性變形。下面以連續(xù)檔為5檔，第一檔為不均勻覆冰檔，覆冰率為20%，而其它檔覆冰率為100%為例，繪制4條曲線。

曲線Ⅰ為第一檔張力T隨檔距變化△l的關(guān)系：

曲線Ⅱ為其余檔張力T隨檔距變化△l的關(guān)系：

曲線Ⅲ為第一檔懸垂絕緣子串δ隨ΔT之間的關(guān)系：

曲線Ⅳ為其余檔懸垂絕緣子串δ隨ΔT之間的關(guān)系：

式中：γb，σb，Gb——第一檔的比載、應(yīng)力、導(dǎo)線重力；γn，σn，Gn——其它檔的比載、應(yīng)力、導(dǎo)線重力；GJ——懸垂絕緣子串與覆冰重力之和。

圖1 第一檔為不均勻荷載時各檔不平衡張力及各交界直線桿塔的懸垂絕緣子串的偏移圖

畫出曲線Ⅰ-Ⅳ后，先假定檔距5中的導(dǎo)線張力T5=OA，見圖1。由曲線Ⅰ找出T5與相對應(yīng)的檔距增量△l5=δ4，再用曲線Ⅳ求得檔距4和5之間的張力差△T4-5=T4-T5=CD，求出T4=△T4-5+T5=CD+T5，T4=AE+T5=OE，δn=δn+1+△ln+1，δ3=δ4+△l4=AB+EF=FG+EF=EG。又由曲線Ⅳ上找出對應(yīng)于δ3檔距增量為△T3-4=HI，T3=△T3-4+T4，EJ+T4=OJ，δ2=δ3+△l3=EG-JK=KL+JK=JL。又由曲線Ⅳ上找出對應(yīng)于 δ2的△T2-3=MN，T2=△T2-3+T3=MN+T3。由于JP=MN，則 T2=JP+T3=OP，δ1=δ2+△l2=JL+PQ=QR+PQ。對應(yīng)于δ1，由曲線Ⅲ得△T1-2=SY，T1=△T1-2+T2=SY+T2=PV+T2=OV。若滿足PR=VX即δ1=△l1，則假設(shè)的T5以及圖解出來的T1-T4都是正確的。否則應(yīng)重新假設(shè)T5，重復(fù)以上步驟，直至滿足PR=VX為止。

1.2 精確迭代法[5]

依據(jù)公式（5）～（7），編制程序，輸入初值安裝應(yīng)力，求出檔導(dǎo)線的應(yīng)力和懸垂絕緣子串的偏距。由相鄰導(dǎo)線應(yīng)力差知導(dǎo)線縱向不平衡張力，懸垂絕緣子串的偏距與懸垂絕緣子串長度可知懸垂絕緣子串的傾斜角。

式中：li——檔距，m；βi——高差角，°；α——膨脹系數(shù)，1/℃；E——彈性系數(shù)；tm，σm，△tm，γm——架線時的氣溫（℃）、應(yīng)力（N/mm2）、等效溫度（℃）、比載（N/（cm·mm2））；t，σi，γi，ti——不均勻覆冰時的氣溫（℃）、應(yīng)力（N/mm2）、比載，（N/(cm·mm2)）、檔距增量（m）；A——導(dǎo)線截面，mm2；hi——高差，m；σi——懸垂絕緣子串偏距，m；λi——懸垂絕緣子串長，m；Gi——荷載，N。

2 不平衡張力的影響因素

2.1 理想模型

1）中冰區(qū)（15～20 mm）基本條件：二類電壓等級，連續(xù)5檔，代表檔距450 m。導(dǎo)線型號4×LGJ-300/50，導(dǎo)線設(shè)計安全系數(shù)2.5，懸垂絕緣子串長5.4 m，懸垂絕緣子串重2 790 N。第一檔為不均勻覆冰檔，覆冰率為20%，而其它檔覆冰率為100%。

2）重冰區(qū)（30～50 mm）基本條件：一類電壓等級，導(dǎo)線型號 4×JLHA1/G3A-630-54/19，導(dǎo)線設(shè)計安全系數(shù)2.9，懸垂絕緣子串長6.4 m，懸垂絕緣子串重3 182 N。第一檔為不均勻覆冰檔，覆冰率為30%，而其它檔覆冰率為100%。見圖2-7。

圖2 不均勻覆（脫）冰檔位置對不平衡張力的影響

圖3 不均勻覆冰率對不平衡張力的影響

圖4 檔距對不平衡張力的影響

圖5 高差對不平衡張力的影響

圖6 相同鋁截面不同規(guī)格的導(dǎo)線對不平衡張力的影響

圖7 同類導(dǎo)線不同截面對不平衡張力的影響

從圖2-7可知：不均勻覆冰檔位置靠近耐張段兩端時，不平衡張力百分?jǐn)?shù)越大；不均勻覆冰率變化量越大，不平衡張力百分?jǐn)?shù)增長顯著；檔距和高差越大，不平衡張力百分?jǐn)?shù)越大；不同規(guī)格的導(dǎo)線，強度高的鋼芯鋁合金絞線的不平衡張力百分?jǐn)?shù)小；相同類型，截面小的不平衡張力百分?jǐn)?shù)較大。

2.2 實例分析

下面以220 kV潯妙Ⅱ線/潯西線41-46號耐張段倒塔事故段為例進(jìn)行不平衡張力分析。線路設(shè)計覆冰厚度為10 mm，導(dǎo)線的型號為2×LGJ-300/25，最大使用應(yīng)力為95.67 MPa，安裝工況為氣溫-5℃，無冰無風(fēng)，安裝應(yīng)力30 MPa，懸垂絕緣子串長5.2 m，懸垂絕緣子串2 300 N。2008年雪災(zāi)事故現(xiàn)場，45號塔倒塔[6]。220 kV潯妙Ⅱ線/潯西線41-46號桿塔的不平衡張力分析見表1。

由表1可知：最大不平衡張力發(fā)生在45號桿塔,張力差為59 070 N,為最大使用張力的84.28%，懸垂絕緣子串向大號側(cè)傾斜。45號桿塔是ZGUT1型直線塔,導(dǎo)線在30 mm覆冰下它所能承受的最大不平衡張力為42 052 N(60%),而實際最大不平衡張力達(dá)到了84.28%,造成45號鐵塔縱向不平衡張力過大，向大號側(cè)倒塌。

表1 220 kV潯妙Ⅱ線/潯西線41-46號桿塔的不平衡張力分析表

3 同檔內(nèi)不均勻脫冰下的垂直間距計算

Hydro-Quebec抑制器仿真估算了一個檔距內(nèi)導(dǎo)線上某一處冰脫落引起導(dǎo)線回彈的跳躍圖[7]。見圖8。

圖8 導(dǎo)線脫冰前后初始形變和跳躍高度

由圖8可知：最上面二相加有覆冰而最下面一相導(dǎo)線覆冰脫落時，跳躍幅度最高。當(dāng)檢查上下線的垂直間距時，假定上線全部覆冰，而下線較大的一檔全部或部分脫落比較合理。經(jīng)驗公式如下：

式中：H——跳躍幅度，l——檔距；△f——脫冰前后弧垂差；Dv——導(dǎo)線之間或?qū)?、地線之間的垂直間距。

抗冰設(shè)計人員和除冰工作人員，要重視由于覆冰突然脫落，釋放的彈性跳躍高度，避免導(dǎo)線之間或?qū)?、地線之間出現(xiàn)閃絡(luò)以及對地面上的人、物造成安全危險。

4 結(jié) 語

不均勻覆冰所導(dǎo)致的直線桿塔兩側(cè)產(chǎn)生不平衡張力主要來自于相鄰檔覆冰率差異以及同檔內(nèi)各相導(dǎo)線覆冰量的差異。所以，線路抗冰設(shè)計人員需要綜合考慮不均勻覆冰檔位置、檔距、高差、導(dǎo)線屬性等因素，更需考慮的是不均勻覆冰率。線路除冰工作人員需重視鄰檔及上、下線的覆冰量，避免線路出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。

[1]吳向東，張國威.冰雪災(zāi)害對電網(wǎng)的影響及防范措施[J].中國電力，2008，41(12)：14-18.

[2]Q/GDW182-2008，中重冰區(qū)架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[3]陸佳政，彭繼文，張紅先，等.2008年湖南電網(wǎng)冰災(zāi)氣象成因分析[J].電力建設(shè)，2009，30(6)：29-32.

[4]高松，丁毓山.架空線路機械計算與施工[M].北京∶中國電力出版社，2004.

[5]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(第2版)[M].北京∶中國電力出版社，2004.

[6]張愛虎.220 kV潯妙Ⅱ線/潯西線45號覆冰塔倒塔分析[J].江西電力，2008，36(4)：36-38.

[7]Masoud Farzaneh,Atmospheric Icing of Power Networks[M].UniversityduquebecaChico-untimi∶Canada,2008.