相間間隔棒對覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍的抑制研究

孔 偉，趙飛桃，林澤楠

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林 132012;2.山東電力集團(tuán)聊城供電公司，山東聊城 252000)

相間間隔棒對覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍的抑制研究

孔 偉1，趙飛桃1，林澤楠2

(1.東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，吉林吉林 132012;2.山東電力集團(tuán)聊城供電公司，山東聊城 252000)

針對覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍引起的導(dǎo)線斷股、疲勞斷線、導(dǎo)線間閃絡(luò)、短路等電氣事故問題，闡述了塔線－相間間隔棒體系的有限元理論，建立了三相導(dǎo)線呈豎直排列的輸電線路輸電鐵塔、線－相間間隔棒體系的有限元模型，分析了相間間隔棒對導(dǎo)線跳躍高度和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力的抑制效果。研究結(jié)果表明，加裝間隔棒可以有效抑制單相脫冰和兩相同時(shí)脫冰，對導(dǎo)線的跳躍位移和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力有很好的抑制作用。

覆冰導(dǎo)線;脫冰跳躍;不均勻脫冰;相間間隔棒;數(shù)值模擬

0 引言

在冬季，中國部分地區(qū)輸電線路會(huì)出現(xiàn)覆冰情況，而且，隨著天氣變暖覆冰導(dǎo)線會(huì)自動(dòng)脫冰。然而，在覆冰導(dǎo)線脫冰時(shí)，導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生跳躍性的劇烈運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致臨相導(dǎo)線間隙減小，造成導(dǎo)線間閃絡(luò)、短路和線路跳閘等故障;導(dǎo)線脫冰時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊力，使絕緣子串掛點(diǎn)處受到較大不平衡張力，造成塔身塔材破壞、倒塔斷線等機(jī)械事故。導(dǎo)線脫冰跳躍帶來的危害嚴(yán)重影響輸電線路的正常運(yùn)行，國內(nèi)外學(xué)者對導(dǎo)線脫冰跳躍及抑制問題進(jìn)行了研究。加拿大的Janez學(xué)者通過建立有限元模型對110 kV線路的脫冰問題進(jìn)行研究，研究表明脫冰跳躍使導(dǎo)線產(chǎn)生很大振幅［1-2］;中國電力科學(xué)研究院的楊風(fēng)利等人通過建立塔線體系模型，進(jìn)行導(dǎo)線脫冰跳躍的動(dòng)力響應(yīng)分析，得出了不同工況下導(dǎo)線跳躍高度、掛點(diǎn)荷載及塔材桿件內(nèi)力的變化規(guī)律［3］;華中科技大學(xué)的李黎、張行等學(xué)者針對大跨越輸電線路脫冰跳躍進(jìn)行控制研究，重點(diǎn)在鐵塔的塔頭處加裝粘彈鉛芯阻尼器，研究表明阻尼器的加裝對導(dǎo)線的脫冰跳躍有較好的減震效果［4］。因此，為了抑制覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍對輸電線路的影響，本文選取5D－SZ1型雙回路直線塔的輸電線路為工程研究對象，建立塔線體系和塔線體系－相間間隔棒的有限元模型，在無相間間隔棒和加裝相間間隔棒情況下分別考慮不同的脫冰相數(shù)、脫冰量等因素的影響，研究導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)相間間隔棒對導(dǎo)線跳躍高度和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力的抑制效果。

1 塔線－相間間隔棒體系的有限元理論

1.1 導(dǎo)線的懸鏈線理論及導(dǎo)線找形

參考DL/T 5092－1999P《110－500kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》［5］，導(dǎo)線的懸鏈線方程為

式中:σ0為架空線最低點(diǎn)處的應(yīng)力;γ為沿架空線的均布比載。

導(dǎo)線找形方法一般分為小彈性模量找形法和重力自平衡找形法［6］。本文采用重力自平衡找形法對導(dǎo)線進(jìn)行找形，通過對導(dǎo)線施加初應(yīng)變的方式對其施加預(yù)應(yīng)力，施加重力加速度［7］，以懸鏈線方程為理論基礎(chǔ)進(jìn)行迭代。在迭代的過程中對施加的初始應(yīng)變進(jìn)行修正，直到在重力作用下導(dǎo)線幾何形狀與理論值誤差滿足要求為止。

1.2 相間間隔棒大撓度后屈曲特性

相間間隔棒由玻璃纖維芯棒和硅橡膠護(hù)套組成復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，自重較輕，電氣絕緣和機(jī)械性能較好，懸掛在臨相導(dǎo)線間。當(dāng)導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)，相間間隔棒使導(dǎo)線間運(yùn)動(dòng)相互制約［8］，從而達(dá)到對導(dǎo)線脫冰跳躍抑制的目的。

相間間隔棒的長細(xì)比大于200，研究表明:當(dāng)間隔棒受壓超過臨界荷載時(shí)仍具有穩(wěn)定的后屈曲特性;隨著相間間隔棒側(cè)向撓度的增加，間隔棒的承載能力也隨之增強(qiáng);相間間隔棒的大撓度試驗(yàn)驗(yàn)證了間隔棒的后屈曲特性，卸載后恢復(fù)性良好，相間間隔棒本身沒有受到機(jī)械破壞［9］。

1.3 導(dǎo)線覆冰脫冰模擬方法

目前，模擬輸電線路導(dǎo)線覆冰脫冰的方法有質(zhì)量塊法、單元生死法、Tamas模型法和等效荷載法。本文采用等效荷載法進(jìn)行導(dǎo)線覆冰脫冰模擬，等效荷載法即先計(jì)算出導(dǎo)線覆冰的自重，然后把冰的自重均勻分散到導(dǎo)線單元的節(jié)點(diǎn)上。在實(shí)際線路中，導(dǎo)線脫冰是1個(gè)復(fù)雜和隨機(jī)的過程，導(dǎo)線脫冰可分為均勻脫冰和非均勻脫冰，均勻脫冰和不均勻脫冰的形式如圖1所示。本文脫冰方式選用非均勻脫冰。

2 塔線－相間間隔棒體系有限元模型

圖1 脫冰模擬方法示意圖

建立輸電塔線－相間間隔棒體系的有限元模型，輸電塔為5D－SZ1型雙回路直線塔，導(dǎo)線4×LGJ－400/35為型四分裂鋼芯鋁絞線，地線為JLB1A－120－19型鋁包鋼絞線，絕緣子為FXB4－500/160棒形懸式復(fù)合絕緣子。檔距布置為連續(xù)3檔，檔距均為500 m，不考慮高差的影響，在有限元模型中將四分裂導(dǎo)線簡化成單根導(dǎo)線進(jìn)行數(shù)值模擬。兩塔三線輸電塔線－相間間隔棒體系的有限元模型如圖2所示。

圖2 塔線－相間間隔棒體系有限元模型圖

在有限元模型中，鐵塔主材用BEAM189單元模擬，鐵塔輔材用LINK8單元模擬;導(dǎo)線、地線用LINK10單元模擬;懸垂絕緣子、相間間隔棒用LINK8單元模擬。本文選取物理特性為半剛性相間間隔棒進(jìn)行研究，即相間間隔棒兩端為球鉸結(jié)構(gòu)，可沿任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，保證間隔棒在外界工況下只承受軸向力。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將相間間隔棒安裝在0.47檔距處、0.53檔距處(1×2)，相間間隔棒布置圖如圖3所示。

3 相間間隔棒對脫冰跳躍抑制研究

3.1 不同脫冰相數(shù)下脫冰跳躍的抑制研究

本文選用非均勻脫冰的形式模擬脫冰，脫冰量為50%脫冰。脫冰相分別選取3種方案，即中間檔右側(cè)中相脫冰、中間檔右側(cè)中相和上相同時(shí)脫冰、中間檔左側(cè)下相和右側(cè)中相同時(shí)脫冰，通過對導(dǎo)線的跳躍高度和導(dǎo)線掛點(diǎn)縱向不平衡張力進(jìn)行分析，研究相間間隔棒對脫冰跳躍的抑制效果。其中3檔檔距均為500 m，間隔棒的棒芯直徑取30 mm，覆冰厚度為30 mm，脫冰量為50%脫冰。

圖3 1檔內(nèi)相間間隔棒布置圖

3.1.1 中間檔右側(cè)中相脫冰

當(dāng)線路中間檔右側(cè)中相脫冰時(shí)，在無相間間隔棒和加裝相間間隔棒條件下，對中間檔右側(cè)中相導(dǎo)線的弧垂最低點(diǎn)跳躍高度和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力進(jìn)行提取，以曲線形式表示。中間檔弧垂最低點(diǎn)的位移時(shí)程曲線如圖4所示，導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力時(shí)程曲線如圖5所示。

圖4 弧垂最低點(diǎn)的位移時(shí)程曲線

從圖4可以看出，當(dāng)中間檔右側(cè)單相脫冰時(shí)，加裝相間間隔棒能很好地抑制導(dǎo)線的最大跳躍位移，從11 m可以降低到3 m左右，并且使跳躍的幅度減弱。

圖5 掛點(diǎn)不平衡張力時(shí)程曲線

從圖5可以看出，在未加裝間隔棒時(shí)，導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力最大可達(dá)到26 kN左右，在時(shí)間段23 s前不平衡張力變化比較明顯。加裝間隔棒后，最大不平衡張力減小到24 kN左右，而且持續(xù)時(shí)間在12 s之后趨于平穩(wěn)。

3.1.2 中間檔右側(cè)的中相和上相脫冰

當(dāng)線路中間檔右側(cè)中相、上相脫冰時(shí)，對中間檔右側(cè)中相導(dǎo)線的弧垂最低點(diǎn)跳躍高度和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力進(jìn)行提取，導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的位移時(shí)程曲線如圖6所示，導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力時(shí)程曲線如圖7所示。

圖6 導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的位移時(shí)程曲線

從圖6可以看出，當(dāng)中間檔同側(cè)中、上兩相同時(shí)脫冰時(shí)，加裝間隔棒可使跳躍位移最大值從11 m降低到7 m左右，并且使跳躍的幅度減弱。

圖7 掛點(diǎn)不平衡張力時(shí)程曲線

從圖7可以看出，加裝間隔棒后，導(dǎo)線掛點(diǎn)最大不平衡張力減小了10%，而且持續(xù)時(shí)間在12 s之后趨于平穩(wěn)，較未安裝間隔棒的時(shí)間縮短。

3.1.3 中間檔左側(cè)下相和右側(cè)中相同時(shí)脫冰

當(dāng)線路中間檔左側(cè)下相和右側(cè)中相同時(shí)脫冰時(shí)，對右側(cè)中相導(dǎo)線的弧垂最低點(diǎn)跳躍高度和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力進(jìn)行提取，導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的位移時(shí)程曲線如圖8所示，導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力時(shí)程曲線如圖9所示。

從圖8可以看出，當(dāng)中間檔兩側(cè)單相脫冰時(shí)，加裝相間間隔棒能很好地抑制導(dǎo)線的最大跳躍位移，從12 m可以降低到4 m左右，并且使跳躍的幅度減弱。

從圖9可以看出，加裝間隔棒后，導(dǎo)線掛點(diǎn)最大不平衡張力減小了12%，而且持續(xù)時(shí)間在12 s之后趨于平穩(wěn)，較未安裝間隔棒持續(xù)的時(shí)間縮短。綜上所述，加裝間隔棒可以有效抑制單相脫冰和兩相同時(shí)脫冰。

3.2 不同脫冰量對導(dǎo)線跳躍位移和不平衡張力的影

導(dǎo)線覆冰厚度為30 mm時(shí)，脫冰狀態(tài)為中間檔一側(cè)中相導(dǎo)線不均勻脫冰，其它導(dǎo)線不脫冰，脫冰量分別選取50%、75%、100%，研究不同脫冰量因素下相間間隔棒對脫冰跳躍的抑制效果，主要針對導(dǎo)線的跳躍高度和導(dǎo)線最大縱向不平衡張力進(jìn)行分析，動(dòng)力響應(yīng)及抑制效果如表1所示。

表1 不同脫冰量動(dòng)力響應(yīng)及抑制效果

從表1可以看出:在未加裝相間間隔棒時(shí)，隨著不同脫冰量的增加，導(dǎo)線跳躍位移不斷增大，但掛點(diǎn)不平衡張力變化不大。在加裝相間間隔棒后，導(dǎo)線跳躍位移和不平衡張力得到很好地抑制。50%脫冰量時(shí)，跳躍位移降低了75%，不平衡張力降低了8.8%;75%脫冰量時(shí)，跳躍位移降低了74.8%，不平衡張力降低了9.6%;100%脫冰量時(shí)，跳躍位移降低了74.5%，不平衡張力降低了9.7%，表明相間間隔棒對導(dǎo)線的跳躍位移和導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力有很好的抑制作用。

4 結(jié)論

1)相間間隔棒對三相導(dǎo)線呈豎直排列輸電線路的導(dǎo)線脫冰跳躍時(shí)的跳躍位移和掛點(diǎn)不平衡張力能起到良好的抑制作用。

2)相間間隔棒為1×2布置時(shí)，在不同脫冰相數(shù)組合下，導(dǎo)線跳躍位移降低了30% ～70%，導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力降低了12%。隨著脫冰量增大，導(dǎo)線跳躍位移降低了75%，導(dǎo)線掛點(diǎn)不平衡張力降低了10%。

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Study on inhibition of phase－to－phase space stick against jump of icing conductor caused by de－ice

KONG Wei1，ZHAO Feitao1，LIN Zenan2
(1.School of Architecture and Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China;2.Liaocheng Power Supply Company of Shandong Electric Power Corporation，Liaocheng 252000，China)

Aiming at the electric accidents caused by the jump of icing conductor caused by de－ice such as conductor breakdown，fatigue disconnection，flashover between conductors and short circuit，this paper expounds the infinite element theory of tower－line－phase to phase space stick system，establishes the infinite element model of transmission tower，line and phase－to－phase space stick system of which the three－phase conductor is uprightly arrayed，and analyzes the stick inhibition effect on the jump height and the unbalanced tension at the conductor hanging point.The study result shows that the space stick effectively inhibits single－phase and double－phase de－ ice，the jump location of conductor and the unbalanced tension at the conductor hanging point.

icing conductor;jump caused by de－ice;uneven de－ice;phase－to－phase space stick;numerical simulation

TM753

A

1002－1663(2012)06－0405－04

2012－06－25

孔 偉(1965－)，女，1987年畢業(yè)于東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院，教授，研究方向?yàn)檩旊娋€路工程。

(責(zé)任編輯 侯世春)