架空輸電線路覆冰不平衡張力的計(jì)算與分析

張 健 秦志清

（安徽省宣城市供電公司，安徽 宣城 242000）

0 引言

因氣象條件變化在桿塔上產(chǎn)生的水平張力差，稱為架空線的不平衡張力。2008年，南方地區(qū)的冰雪災(zāi)害天氣使電網(wǎng)大量輸電線路斷線倒塔，倒塔現(xiàn)象最終是因?yàn)闂U塔承受了過大的不平衡張力。當(dāng)導(dǎo)地線覆冰嚴(yán)重時(shí)，因線路檔距或高差不等或各檔荷載不均勻會引起各檔電線的水平張力不等，從而使直線桿塔上出現(xiàn)不平衡張力，懸垂絕緣子串偏移或?qū)У鼐€在線夾內(nèi)滑動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會造成倒塔事故。不均勻覆冰是引起縱向不平衡張力的主要原因，易造成大面積的倒塔斷線事故。因此，在進(jìn)行輸電線路桿塔設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使桿塔能夠承受一定的不平衡張力，避免因設(shè)計(jì)不當(dāng)而造成倒塔事故。相關(guān)規(guī)程規(guī)范對覆冰縱向不平衡張力的取值做出了規(guī)定，為輸電線路設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，但當(dāng)氣象條件比較惡劣、計(jì)算條件不同于規(guī)程規(guī)范時(shí)，設(shè)計(jì)人員仍需對條件惡劣的耐張段進(jìn)行不平衡張力的校核和分析，對可能存在較大不平衡張力的地段采取桿塔加強(qiáng)或避讓等處理措施。本課題通過討論不同條件下輸電桿塔不平衡張力的大小變化，從中找出規(guī)律，進(jìn)而給設(shè)計(jì)人員提供一些實(shí)際參考指導(dǎo)意見。

1 導(dǎo)線應(yīng)力精確計(jì)算原理

不平衡張力的計(jì)算原理目前比較常用的是根據(jù)耐張段內(nèi)串偏移量及檔距變化量建立非線性方程組，采用牛頓法求解輸電線路不均勻覆冰所產(chǎn)生的不平衡張力，并分析線路各種參數(shù)對其產(chǎn)生的影響。計(jì)算過程中假設(shè)架空線固定在線夾內(nèi)，不發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，主要為求解以下3組關(guān)系式：（1）各檔檔距增量與檔內(nèi)張力之間的關(guān)系式；（2）各直線塔懸垂絕緣子串偏移量與其前后檔檔內(nèi)張力之間的關(guān)系式；（3）各檔檔距增量與其兩側(cè)直線塔懸垂絕緣子串偏移量之間的關(guān)系式。通過試湊法即可求得滿足精度要求的解。

由上述導(dǎo)線不平衡張力計(jì)算原理可以看出，導(dǎo)線的不平衡張力與下列因素有關(guān)：（1）導(dǎo)線的氣象變化；（2）導(dǎo)線參數(shù)；（3）絕緣子串參數(shù)；（4）連續(xù)檔檔數(shù)；（5）連續(xù)檔檔距分布；（6）連續(xù)檔高差變化；（7）連續(xù)檔各檔覆冰量變化。

計(jì)算連續(xù)檔線路不平衡張力的過程是比較復(fù)雜的，然而在討論各項(xiàng)因素對不平衡張力的影響情況時(shí)，需要不斷改變線路的各項(xiàng)參數(shù)，這就需要不斷重復(fù)不平衡張力的計(jì)算過程。為了避免重復(fù)、繁瑣的計(jì)算，本文采用Visual Basic語言編程，編寫覆冰不平衡張力計(jì)算程序。這樣在計(jì)算線路不平衡張力時(shí)，只需輸入不同的線路參數(shù)即可獲得不同參數(shù)下的不平衡張力值，比較方便，大大提高了計(jì)算效率。本文主要討論覆冰情況下的線路最大不平衡張力隨覆冰率及高差等線路參數(shù)的變化而變化的情況。

2 導(dǎo)線不同參數(shù)下的不平衡張力分析

圖1 連續(xù)檔檔距分布簡圖

為了對導(dǎo)線不平衡張力進(jìn)行精確分析，得出準(zhǔn)確的規(guī)律，理論上需要將上述與導(dǎo)線不平衡張力有關(guān)的7種因素均考慮并且合理地交叉混合討論，但是鑒于需要考慮的因素較多，且較難合理選擇這些因素以及評估這些因素作用的共同效果，因此本文著重考慮以下2個(gè)方面：（1）由連續(xù)檔各檔覆冰量因素單獨(dú)作用時(shí)，導(dǎo)線不平衡張力變化的規(guī)律；（2）連續(xù)檔高差因素單獨(dú)作用時(shí)，導(dǎo)線不平衡張力變化的規(guī)律。由于皖南地區(qū)系屬丘陵地帶，輸電各桿塔之間高差變化較大，故以上因素基本上可以說明當(dāng)?shù)剌旊娋€路連續(xù)檔導(dǎo)線不平衡張力的變化在皖南地區(qū)有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

鑒于上述情況，現(xiàn)選擇一實(shí)例進(jìn)行說明。其過程是：

（1）首先給出某電壓等級、導(dǎo)線型號、氣象參數(shù)、理想檔距數(shù)、理想檔距大小、理想檔距高差、絕緣子串長。

假定一連續(xù)檔檔數(shù)為6，其中檔距分布簡圖如圖1所示，該連續(xù)檔所經(jīng)過的氣象區(qū)為典型氣象區(qū)Ⅷ區(qū)，電壓等級為220kV，導(dǎo)線選用LGJ-400/45型號。

（2）分別改變?nèi)缦聟?shù)計(jì)算導(dǎo)線不平衡張力：1）改變覆冰率。假定連續(xù)檔各檔高差不變，改變連續(xù)檔各檔覆冰率，計(jì)算覆冰有風(fēng)氣象條件下的連續(xù)檔最大不平衡張力，觀察最大不平衡張力的改變情況并得出變化規(guī)律。2）改變連續(xù)檔高差。假定各檔覆冰率不變，改變高差，計(jì)算覆冰有風(fēng)氣象條件下的連續(xù)檔最大不平衡張力，觀察最大不平衡張力的改變情況并得出變化規(guī)律。

2.1 覆冰率因素單獨(dú)作用時(shí)導(dǎo)線不平衡張力分析

在覆冰率因素單獨(dú)作用時(shí)，以下幾種情況下覆冰率改變對導(dǎo)線不平衡張力變化的影響。連續(xù)檔中，選擇一檔覆冰率變化，如分別改變第1檔、第2檔、第3檔；不分析改變第4檔、第5檔、第6檔的覆冰率，原因是改變第4檔與改變第3檔變化相同，改變第5檔與改變第2檔變化相同，改變第6檔與改變第1檔變化相同，不用重復(fù)分析。

（1）導(dǎo)線最大不平衡張力變化規(guī)律。當(dāng)各檔的覆冰厚度都為15 mm時(shí)，連續(xù)檔最大不平衡張力最?。桓脖穸葹?0mm時(shí)，最大不平衡張力最大。

（2）導(dǎo)線最大張力變化規(guī)律。當(dāng)各檔的覆冰厚度都為15 mm時(shí)，連續(xù)檔最大張力最?。划?dāng)各檔的覆冰厚度都為70mm時(shí)，連續(xù)檔最大張力最大。

（3）6檔中，保持其中5檔覆冰厚度為15 mm不變，改變另外一檔覆冰厚度，其導(dǎo)線不平衡張力和導(dǎo)線最大張力變化趨勢相同：1）覆冰厚度在0～15 mm之間時(shí)，隨著覆冰量的增加，導(dǎo)線不平衡張力和導(dǎo)線最大張力減小。2）覆冰厚度大于15 mm以后，隨著覆冰量的增加，導(dǎo)線不平衡張力和導(dǎo)線最大張力增加。3）在改變一檔覆冰厚度情況下，改變檔越靠近連續(xù)檔的兩端，連續(xù)檔的最大不平衡張力與最大張力越大；改變檔越靠近連續(xù)檔的中央，連續(xù)檔的最大不平衡張力與最大張力越小。

2.2 高差因素單獨(dú)作用時(shí)導(dǎo)線不平衡張力分析

在高差因素單獨(dú)作用時(shí)，以下幾種情況下高差改變對導(dǎo)線不平衡張力的影響。改變連續(xù)檔中的一檔高差，如分別改變第1、2、3檔高差在0～200m之間變化，并討論其他檔高差分別為0、50m、100m時(shí)導(dǎo)線不平衡張力的變化情況。

2.2.1 改變第1檔高差，其他檔高差為100m

改變第1檔高差，改變檔高差在0～200m之間變化，其他檔高差都為100m，連續(xù)檔各檔檔距都為300m，覆冰厚度為15 mm，絕緣子串長為2.162 m，即h1=0～200m，h2=h3=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分別計(jì)算導(dǎo)線張力和不平衡張力的大小情況。

2.2.2 改變第2檔高差，其他檔高差為100m

改變第2檔高差，改變檔高差在0～200m之間變化，其他檔高差都為100m，連續(xù)檔各檔檔距都為300m，覆冰厚度為15 mm，絕緣子串長為2.162 m，即h2=0～200m，h1=h3=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分別計(jì)算導(dǎo)線張力和不平衡張力的大小情況。

2.2.3 改變第3檔高差，其他檔高差為100m

改變第3檔高差，改變檔高差在0～200m之間變化，其他檔高差都為100m，連續(xù)檔各檔檔距都為300m，覆冰厚度為15 mm，絕緣子串長為2.162 m，即h3=0～200m，h1=h2=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分別計(jì)算導(dǎo)線張力和不平衡張力的大小情況。

由計(jì)算結(jié)果可得：

（1）導(dǎo)線不平衡張力變化規(guī)律。改變檔的高差為100m時(shí)，連續(xù)檔最大不平衡張力值最?。桓淖儥n的高差為200m時(shí)，連續(xù)檔最大不平衡張力值最大。

（2）導(dǎo)線張力變化規(guī)律。改變檔的高差為0時(shí)，連續(xù)檔最大張力值最大；改變檔的高差為200m時(shí)，連續(xù)檔最大張力值最小。

（3）其他檔高差為100m，第1、2、3檔高差分別在0～200m之間變化時(shí)，連續(xù)檔最大張力均未達(dá)到導(dǎo)線斷線張力。當(dāng)改變檔越接近連續(xù)檔的中央位置時(shí)，最大不平衡張力越小，當(dāng)改變檔越接近連續(xù)檔的兩端位置時(shí)，最大不平衡張力越大。

3 導(dǎo)線不平衡張力及最大張力的變化規(guī)律

3.1 各參數(shù)下不平衡張力的改變情況

通過改變線路覆冰率、高差等參數(shù)，分別計(jì)算連續(xù)檔最大不平衡張力的大小，通過比較分析可以得出以下變化規(guī)律：

（1）各檔覆冰厚度一致時(shí)，連續(xù)檔最大不平衡張力值最??；覆冰越厚，連續(xù)檔最大不平衡張力一般越大；改變一檔時(shí)，改變檔越靠近連續(xù)檔中央，連續(xù)檔最大不平衡張力越小。

（2）各檔高差一致時(shí)，連續(xù)檔最大不平衡力值最??；高差越大，最大不平衡張力一般越大；改變檔高差與其他檔高差相差越大，連續(xù)檔最大不平衡張力越大。

3.2 各參數(shù)下導(dǎo)線最大張力的改變情況

通過改變線路覆冰率、高差等參數(shù)，分別計(jì)算連續(xù)檔最大張力的大小，通過比較分析可以得出以下變化規(guī)律：

（1）覆冰厚度越大，連續(xù)檔最大張力一般越大；當(dāng)各檔覆冰厚度一致時(shí)，連續(xù)檔最大張力值最小?？傮w而言，改變覆冰率，連續(xù)檔最大張力變化幅度較大。

（2）改變檔高差越小，連續(xù)檔最大張力越大；高差在0～200m之間變化時(shí)，連續(xù)檔最大張力都沒有超過導(dǎo)線斷線張力。改變高差情況下，連續(xù)檔最大張力的變化幅度并不大。

4 結(jié)語

通過對連續(xù)檔不平衡張力和導(dǎo)線張力的計(jì)算與分析，筆者給輸電線路運(yùn)行維護(hù)單位提出以下建議：

（1）由于變化覆冰率，連續(xù)檔最大張力變化幅度較大，而改變檔越靠近連續(xù)檔兩端，導(dǎo)線最大不平衡張力越大，因此為防止線路斷線倒塔，應(yīng)加大對冰災(zāi)區(qū)輸電線路的巡視，著重巡視耐張段內(nèi)兩端檔線路的覆冰情況。

（2）由于改變檔高差與其他檔高差相差越大，連續(xù)檔最大不平衡張力越大，因此為防止輸電桿塔因受導(dǎo)線不平衡張力過大而發(fā)生倒塔事故，應(yīng)對線路連續(xù)檔內(nèi)各檔高差相差較大的地段加大巡視力度。

［1］程思勇，薛志方.覆冰不平衡張力計(jì)算分析［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011（2）

［2］周坤，彭建春.輸電線路不平衡和斷線張力計(jì)算與分析［J］.湖南電力，2009（3）

［3］孟遂民.架空輸電線路設(shè)計(jì)［M］.中國電力出版社，2007

［4］盧本初，程思勇，何民.縱向不平衡張力計(jì)算與分析［J］.廣西電力，2009（6）