500 kV重冰區(qū)同塔雙回路垂直線間距離設(shè)計探討

，海平

(四川電力設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610016)

0 引 言

西部川、滇、藏地區(qū)蘊藏著豐富的水電資源，但這些地區(qū)自然環(huán)境惡劣、人文社會環(huán)境復(fù)雜。隨著水電送出線路的增多，線路走廊資源日漸稀缺，以致于傳統(tǒng)上采用單回路架設(shè)的高海拔、重覆冰線路也有了采用同塔雙回架設(shè)的要求。

目前，500 kV重冰區(qū)同塔雙回線路在國內(nèi)尚無應(yīng)用實例，其瓶頸問題主要是無法準(zhǔn)確把握不同工況下導(dǎo)地線脫冰跳躍高度和橫擺距離規(guī)律，因而缺乏重冰區(qū)同塔雙回線路鐵塔外形尺寸設(shè)計的指導(dǎo)原則。近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過模擬試驗和數(shù)值分析等方法對導(dǎo)地線脫冰響應(yīng)進(jìn)行了大量研究[1-13]，得出了很多具有工程實用價值的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]采用有限元方法對各種脫冰工況下導(dǎo)線脫冰動力響應(yīng)進(jìn)行研究，得出了導(dǎo)線冰跳高度工程實用簡化計算公式(H=1.85Δf，Δf是導(dǎo)線脫冰前后靜止?fàn)顟B(tài)下的弧垂之差)。據(jù)上述公式計算等檔距500 m的典型7檔耐張段在脫冰率為80%的情況下，任意單檔導(dǎo)線冰跳高度都將達(dá)到25 m以上[12]。鑒于冰跳高度很大，垂直排列的導(dǎo)地線為避免在檔距中央瞬間動態(tài)接近閃絡(luò)，在塔頭布置時主要靠足夠的水平位移來保證脫冰動態(tài)接近安全[14]。

按照《重覆冰架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱重冰規(guī)程)10.0.4條規(guī)定，“重覆冰線路導(dǎo)線和地線在檔距中央的距離除滿足過電壓保護要求外，還要校驗導(dǎo)線和地線不同期脫冰時的靜態(tài)接近距離，此距離不應(yīng)小于線路操作電壓的間隙值”。因此，垂直排列的重冰區(qū)雙回路塔上下層導(dǎo)地線之間還需留有足夠的垂直線間距離以保證靜態(tài)接近安全。針對上述校驗，規(guī)程中僅對下層導(dǎo)線給出了校核條件，而未對上層導(dǎo)地線的覆冰狀態(tài)進(jìn)行規(guī)定，計算發(fā)現(xiàn)上層導(dǎo)地線覆冰狀態(tài)對導(dǎo)地線垂直線間距離的影響與下層導(dǎo)線相當(dāng)，因此，有必要對上層導(dǎo)地線不同覆冰工況下所要求的垂直線間安全距離進(jìn)行討論，從而確定不同期脫冰時上層導(dǎo)地線覆冰狀態(tài)，為500 kV重冰區(qū)同塔雙回線路塔頭設(shè)計提供參考。

1 不均勻冰導(dǎo)線應(yīng)力和懸垂絕緣子串偏移計算

計算不均勻冰時上下層導(dǎo)地線之間靜態(tài)接近安全距離需先計算可不均勻冰情況下耐張段內(nèi)各檔靜態(tài)弧垂，而靜態(tài)弧垂計算實質(zhì)即為不均勻冰導(dǎo)地線應(yīng)力和懸垂絕緣子串偏移值計算。

耐張段架線時，各檔導(dǎo)地線水平應(yīng)力相等，直線塔的懸垂絕緣子串垂直。當(dāng)外界氣象條件變化時(非架線工況)，由于檔距及高差不等或者外力(冰、風(fēng)等)荷載在各檔的不均勻分布，造成耐張段內(nèi)各檔應(yīng)力有差別，進(jìn)而使導(dǎo)線上出現(xiàn)縱向不平衡張力，致使懸垂絕緣子串出現(xiàn)偏移或?qū)Ь€在線夾內(nèi)滑動現(xiàn)象[15]。重冰區(qū)線路不均勻覆脫冰是引起不平衡張力的主要原因。不均勻冰導(dǎo)地線應(yīng)力和懸垂絕緣子串偏移值可通過以下公式進(jìn)行精確迭代計算[16]

(1)

(2)

(3)

式中，li為檔距(m)；βi為高差角(°)；α為膨脹系數(shù)(1/℃)；E為彈性系數(shù)；tm為架線時氣溫(℃)；σm為應(yīng)力(N/mm2)；Δtm為考慮初伸長降溫等效溫度(℃)；γm為比載(N/cm·mm2)；t為不均勻冰時氣溫(℃)；σi為應(yīng)力(N/mm2)；γi為比載(N/cm·mm2)；Δli為檔距增量(m)；A為導(dǎo)地線截面，mm2；hi為高差，m；λi為懸垂絕緣子串長，m；Gi為荷載，N。

2 重冰區(qū)同塔雙回典型5檔線路不均勻冰計算模型

按重冰規(guī)程5.0.2條，重冰區(qū)耐張段不宜超過3 km。因此本次研究以5個等檔距連續(xù)檔(檔距分別為300 m、400 m、500 m、600 m)覆冰為模型，中間檔脫冰弧垂變化最大，因此以中間檔(第3檔)為校核檔對直線塔垂直線間距離進(jìn)行研究。

外部邊界條件：導(dǎo)線為4×LGJ-500/45，地線為2根OPGW-150。導(dǎo)線采用“VVV”垂直排列方式，V串垂直方向串長5.7 m，串重為1 100 kg?？紤]海拔高度為2 500 m，相間工頻電壓間隙值2.6 m，相間操作過電壓間隙值5.5 m。

對上下層導(dǎo)地線的覆冰狀態(tài)主要考慮如下3種工況。

工況1：考慮上層導(dǎo)(地)線弧垂為所有檔100%均勻覆冰弧垂，下層導(dǎo)線脫冰弧垂取值為：校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。其示意圖如圖1。

圖1 工況1上下層導(dǎo)地線的覆冰狀態(tài)

工況2：考慮上層導(dǎo)(地)線弧垂為校核檔80%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導(dǎo)線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。其示意圖如圖2。

圖2 工況2上下層導(dǎo)地線的覆冰狀態(tài)

工況3：考慮上層導(dǎo)(地)線弧垂為校核檔100%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導(dǎo)線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。其示意圖如圖3。

圖3 工況3上下層導(dǎo)地線的覆冰狀態(tài)

3 重冰區(qū)同塔雙回典型5檔線路直線塔垂直線間距離計算

工況1：考慮上層導(dǎo)(地)線弧垂為所有檔100%均勻覆冰弧垂，下層導(dǎo)線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。經(jīng)上述工況計算，其垂直線間距離要求如表1。

工況2：考慮上層導(dǎo)(地)線弧垂為校核檔80%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導(dǎo)線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。經(jīng)上述工況計算，其垂直線間距離要求如表2。

表1 工況1垂直線間距離要求值

注：以上弧垂包括串長。

表2 工況2垂直線間距離要求值

注：以上弧垂包括串長。

工況3：考慮上層導(dǎo)(地)線弧垂為校核檔100%均勻覆冰，其余檔均100%脫冰時弧垂；下層導(dǎo)線脫冰弧垂取值為校核檔分別脫冰100%或脫冰80%，其余檔均100%覆冰。經(jīng)上述工況計算，其垂直線間距離要求如表3。

表3 工況3垂直線間距離要求值

注：以上弧垂包括串長。

按重冰規(guī)程，下層導(dǎo)線校核條件為校核檔脫冰率不低于設(shè)計冰重的80%，為避免極端條件控制塔頭，同時滿足規(guī)程要求，則層間距取下層導(dǎo)線脫冰100%和80%時計算值的平均。此外，由于重冰區(qū)線路鐵塔呼稱高都較高，地線所處環(huán)境最為惡劣，為保證地線冰凌過載情況下與上相導(dǎo)線之間的電氣安全距離，地線支架高度取下層導(dǎo)線脫冰100%計算值。根據(jù)上述3種工況計算結(jié)果如下。

檔距為300 m時，直線塔導(dǎo)線垂直線間距離在3種工況下分別應(yīng)取10.9 m、16 m、16.9 m；地線支架高度分別應(yīng)取2.05 m、4.25 m、4.95 m。工況1不同期脫冰靜態(tài)接近要求導(dǎo)線間垂直距離僅10.9 m，地線支架高度僅2.05 m。按此條件布置塔頭，則層高完全由間隙圓控制，則中相導(dǎo)線和地線、上下相導(dǎo)線之間由于冰跳高度的不確定性仍然存在電氣安全風(fēng)險。同時考慮到重冰區(qū)線路一般在高海拔山區(qū)走線，連續(xù)檔檔距僅300 m的概率很小，因此300 m左右檔距的連續(xù)檔直線塔層高和地線支架高度不應(yīng)按工況1計算取值，建議直線塔層高按工況2計算取值，地線支架高度按工況 3計算取值。

檔距為400 m時，直線塔導(dǎo)線垂直線間距離在3種工況下分別應(yīng)取15.15 m、21.2 m、25.45 m；地線支架高度分別應(yīng)取4.75 m、7.95 m、8.35 m。若按單獨考慮工況2或者工況3計算取值，則塔頭尺寸完全由不同期脫冰靜態(tài)接近要求值控制，此時塔頭尺寸過大，鐵塔結(jié)構(gòu)安全性得不到保證。若按工況1計算取值，該值比300 m檔距要求值還略小。因此400 m左右檔距的連續(xù)檔直線塔層高和地線支架高度建議按工況1和工況2統(tǒng)一考慮計算取值。

檔距500 m為時，直線塔導(dǎo)線垂直線間距離在3種工況下分別應(yīng)取19.3 m、30.1 m、31.5 m；地線支架高度分別應(yīng)取5.85 m、9.75 m、10.05 m。若按單獨考慮工況2或者工況3計算取值，則塔頭尺寸過大，鐵塔結(jié)構(gòu)安全性得不到保證。因此500 m左右檔距的連續(xù)檔直線塔層高建議按工況1計算取值。建議地線支架高度按工況1和工況2統(tǒng)一考慮計算取值。同理，檔距為600 m時若按單獨考慮工況2或者工況3計算取值，則塔頭尺寸過大，鐵塔結(jié)構(gòu)安全性得不到保證。因此600 m左右檔距的連續(xù)檔直線塔層高建議按工況1計算取值；地線支架高度按工況1和工況2統(tǒng)一考慮計算取值。

綜上所述，在文中典型5檔線路不均勻冰計算模型和研究邊界條件下，各檔距的不同期脫冰上層導(dǎo)地線覆冰狀態(tài)校核條件和塔頭控制尺寸推薦如表4。

表4 各檔距條件下塔頭控制尺寸推薦值

4 結(jié) 論

(1)通過建立典型5檔線路不均勻冰計算模型，計算得出等檔距300 m、400 m、500 m和600 m在導(dǎo)地線3種不同覆冰工況下所要求的垂直線間距離(見表1～表3)。

(2)綜合考慮重冰區(qū)工程應(yīng)用情況和鐵塔結(jié)構(gòu)安全性，同時結(jié)合不同工況下垂直線間距離計算值，推薦了實際工程中不同檔距下上層導(dǎo)線或地線覆冰狀態(tài)校驗條件(見表4)。

(3)給出了300 m、400 m、500 m和600 m檔距下導(dǎo)線間垂直線間距離和地線支架高度推薦值(見表4)，為500 kV重冰區(qū)同塔雙回線路塔頭設(shè)計提供參考。

[1] V.T.Morgan, D.A.Swift. Jump Height of Overhead-Line Conductors after the Sudden Release of Lce loads[J].Elcetricat Engineers，Proceedings of the Institution of, 111(10):1736-1746.

[2] J.R.Stewart. Ice as an Influence on Compact Line Phase spacing[C]. Proceedings of IWAIS, Hanover, Mew Hampshire，1983：77-82.

[3] G. McClure. J. Rousselet. R. Beauchenmin. Simulation of Ice-shedding on Electrical Transmission Lines Using ADINA[J].Computer and Structrures, 1993(47):523-536.

[4] M. Roshan Fekr. G. Mcclure. Numerical Modeling of the Dynamic Response of Ice-shedding on Electric Transmission Lines[J].Atmosphericc Research, 1998(46):1-11.

[5] T. Kalman.M. Farzaneh. G. McGlure.Numerical Analysis of the Dynamic Defects of Shock-load-induced Ice Shedding on Overhead Ground Wires[J] .Computers & Structures 2007(85)：375-384.

[6] 劉和云. 架空導(dǎo)線覆冰與脫冰機理研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué)，2001.

[7] 晏致濤，李正良，汪之松. 重冰區(qū)輸電塔-線體系脫冰振動的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué)，2010,27(1)：209-214.

[8] 陳勇，胡偉，王黎明，等. 覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍特性研究[J].中國電機工程學(xué)報，2009,29(28)：115-121.

[9] 胡偉，陳勇，蔡煒，等.1 000 kV交流同塔雙回輸電線路導(dǎo)線脫冰跳躍特性[J].高電壓技術(shù)，2010,36(1)：275-280.

[10] 易文淵. 特高壓輸電塔線體系脫冰動力響應(yīng)數(shù)值模擬研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2010.

[11] 夏正春. 特高壓輸電線的覆冰舞動及脫冰跳躍研究[D]. 武漢： 華中科技大學(xué)，2008.

[12] 陳科全，嚴(yán)波，郭躍明，等.超高壓輸電線脫冰動力響應(yīng)數(shù)值模擬[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2009,32(5)：544-549.

[13] 嚴(yán)波，郭躍明，陳科全，等.架空輸電線脫冰跳躍高度的計算公式[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2009,32(11)：1306-1310.

[14] DL/T 5440-2009，重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].中國電力出版社，2009.

[15] 劉慶豐.輸電線路不平衡張力分析與計算[J].電力自動化設(shè)備，2006,26(1)：93-95.

[16] 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.