特高壓交流輸電線路重覆冰區(qū)地線支架設計研究分析

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(西南電力設計院，四川 成都 610021)

0 引 言

中國資源分布集中在西南、西北區(qū)域，遠離東部經(jīng)濟能源中心。采用特高壓交流輸電技術(shù)，能實現(xiàn)遠距離、大容量的電能傳輸。為緩解中國負荷中心和發(fā)電能源分布不均衡、輸電容量日益提高和線路走廊日趨緊張的問題，中國需大力發(fā)展特高壓交直流輸電[1，2]。中國1 000 kV交流輸電試驗示范工程已建成投運，同時擬建多個特高壓交流輸變電工程?！笆濉逼陂g，國家電網(wǎng)公司規(guī)劃投資5 000億元，將建設特高壓輸電線路40 000 km、變電(換流)容量430 GVA，到2015年建成“三縱三橫”特高壓交流骨干網(wǎng)架和11回特高壓直流輸電工程，形成大規(guī)?！拔麟姈|送”、“北電南送”的能源配置格局[3]。這里將研究特高壓交流輸電線路重覆冰區(qū)導地線的脫冰跳躍特性及對地線布置的影響，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為重冰區(qū)桿塔的地線支架設計提供參考，從而提高重冰區(qū)桿塔的安全運行可靠性。

1 重覆冰區(qū)導地線型號

目前中國擬建和在建特高壓交流輸電線路工程重覆冰區(qū)主要為20 mm冰區(qū)，導線選用8分裂JL/G1A-630/55鋼芯鋁絞線，分裂距離為400 mm。地線選用JLB20A-240鋁包鋼絞線。

表1 導地線主要技術(shù)參數(shù)

2 重覆冰區(qū)導地線的接近閃絡及解決方法

從已有重覆冰線路地區(qū)的長期運行經(jīng)驗可知，導地線的接近閃絡主要有以下原因：地線因覆冰或脫冰不均勻而產(chǎn)生較大的不平衡張力，因地線線夾握力不足造成地線滑移，弧垂增大，從而造成導地線在檔距中央靜態(tài)接近閃絡；導線較地線先期脫冰，相導線升高，造成導地線在檔距中央靜態(tài)接近閃絡；在融冰階段，導線上冰凌突然脫落引起其跳躍，造成導地線在檔距中央動態(tài)接近閃絡。

對于第1種情況，可采用強握力的地線線夾或雙線夾予以解決。對于后兩種情況，則需研究導地線水平位移及地線支架高度的合理取值，以保證重覆冰地區(qū)線路脫冰狀況下導地線之間的必要間隙。

3 不均勻覆冰時導地線檔中的靜態(tài)接近

線路不均勻覆冰時，不同檔距的組合是影響檔距中導地線不均勻覆冰靜態(tài)接近的一個重要因素，參照超高壓重冰線路設計經(jīng)驗及單回路特高壓交流線路工程的桿塔排位情況，采用連續(xù)7檔中間檔脫冰的組合計算方法，對直線塔進行計算分析。耐張塔按孤立檔脫冰、連續(xù)檔第1檔脫冰兩種情況進行計算分析。

3.1 導地線不均勻覆冰檔中靜態(tài)接近的計算

特高壓交流線路工程的重覆冰區(qū)段線路海拔均在1 800 m以下，導線不均勻覆冰時，檔距中導地線靜態(tài)接近需要滿足的中心間距7.25 m，即操作過電壓間隙值6.7 m+分裂導線組合半徑0.55 m。按連續(xù)7檔桿塔中間檔脫冰模型，模擬計算出在不均勻覆冰情況下為保證導地線間靜態(tài)接近的間隙要求，及在不同脫冰率下的塔上最小垂直間距SV。

表2 不均勻覆冰時直線塔上要求的最小垂直間距

表3 不均勻覆冰時要求耐張塔的最小垂直間距

表4 不均勻覆冰時要求耐張塔-直線塔上的最小平均垂直間距

在不考慮導線和地線的水平偏移影響的情況下，分析計算出導地線不均勻覆冰檔中靜態(tài)接近要求的塔上最小垂直間距SV的變化規(guī)律：對于孤立檔的SV；隨著檔距的增加，SV要求值逐步減??；相同檔距下，SV要求值隨著脫冰率的增加而增加。對于連續(xù)檔的SV；隨著檔距的增加，SV要求值先增大后減小；相同檔距下，SV要求值隨著脫冰率的增加而增加。

結(jié)合擬建的特高壓交流線路的重冰區(qū)桿塔規(guī)劃及排位情況，考慮最大檔距600 m，最小孤立檔300 m， 70%、80%、100%脫冰率的條件下，導地線不均勻覆冰靜態(tài)接近時，對塔上地線支架高的要求值見表5，確定重冰區(qū)桿塔地線支架高度時需同時滿足表5要求值。

表5 不均勻覆冰靜態(tài)接近對地線支架高的要求值

3.2 水平位移ΔS對導地線間最小垂直間距SV的影響

桿塔規(guī)劃時由于防雷保護角的要求及導線動態(tài)脫冰的間距要求，導地線間往往需考慮一定的水平位移，在導地線不均勻覆冰靜態(tài)接近時計入ΔS水平位移因素，有利于更合理的選擇地線支架高度。

20 mm重冰區(qū)孤立檔檔距300 m，連續(xù)檔檔距600 m，脫冰80%時最小垂直間距SV與水平位移ΔS的關系如圖1。

圖1 20 mm冰區(qū)水平位移ΔS與導地線間最小垂直間距SV的關系

由圖1可以看出隨水平位移ΔS的增大，導地線間最小垂直間距呈加速遞減的趨勢，在水平位移ΔS小于4 m時，最小垂直間距SV變化并不明顯。

4 不均勻覆冰時導地線脫冰跳躍檔距中的動態(tài)接近

4.1 脫冰動力響應數(shù)值模擬方法

為準確掌握1 000 kV交流特高壓送電線路重覆冰區(qū)導地線脫冰后的動力響應問題。通過采用有限元軟件建立典型耐張段輸電線路覆冰及脫冰的有限元計算模型，計算模擬幾種典型耐張段線路在不同脫冰工況下導地線的動力響應。

表6 孤立檔、連續(xù)檔脫冰跳躍高度比較表

表7 孤立檔、連續(xù)檔橫向擺動幅值比較表

注：風速V=10 m/s。

通過模擬計算分析，孤立檔的脫冰跳躍高度遠遠小于連續(xù)檔，橫向擺動幅值在脫冰率較大的情況下小于或接近于連續(xù)檔。因此，不均勻覆冰時導線脫冰跳躍檔距中的動態(tài)接近計算可不考慮孤立檔的計算。

4.2 不均勻覆冰時導地線脫冰跳躍檔距中的動態(tài)接近計算

目前特高壓交流輸電線路的重覆冰區(qū)段海拔高度均在1 800 m以下，導線不均勻覆冰時，檔距中導地線動態(tài)接近需要滿足的中心間距為3.85 m(工頻電壓間隙值3.3 m+分裂導線組合半徑0.55 m)。

表8 不均勻覆冰時直線塔上要求的最小垂直間距

表9 不均勻覆冰時要求耐張塔-直線塔上的最小平均垂直間距

按7檔連續(xù)檔模型中間檔脫冰，計算出不同脫冰率、檔距組合下的導線跳躍高度、橫向擺幅、塔上最小垂直間距SV。

在不考慮導線和地線的水平偏移影響的情況下，導地線不均勻覆冰檔中動態(tài)接近要求的塔上最小垂直間距SV的變化規(guī)律：導線脫冰跳躍高度、橫向擺動幅值隨著檔距的增加而增加，SV要求值先增大后減?。幌嗤瑱n距下，SV要求值隨著脫冰率的增加而增加。

結(jié)合擬建的特高壓交流線路的重冰區(qū)桿塔規(guī)劃及排位情況，考慮最大檔距600 m，最小孤立檔300 m， 70%、80%、100%脫冰率的條件下，導地線不均勻覆冰動態(tài)接近時，對塔上地線支架高的要求值見表10。

表10 不均勻覆冰動態(tài)接近對地線支架高的要求值

4.3 動態(tài)脫冰情況水平位移ΔS對導地線間最小垂直間距SV的影響

桿塔規(guī)劃時由于防雷保護角的要求及導線動態(tài)脫冰的間距要求，導地線間往往需考慮一定的水平位移，在導地線不均勻覆冰動態(tài)接近時計入ΔS水平位移因素，有利于更合理的選擇地線支架高度。

20 mm重冰區(qū)，連續(xù)檔檔距600 m，脫冰80%時最小垂直間距SV與水平位移ΔS的關系如圖2所示。

圖2 20 mm冰區(qū)水平位移ΔS與導地線間最小垂直間距SV的關系

由圖2可以看出隨水平位移ΔS的增大，導地線間最小垂直間距呈加速遞減的趨勢；在水平位移ΔS小于2 m時，由于導線脫冰橫向擺動的影響，最小垂直間距SV并未減??；ΔS在2～4 m區(qū)間，SV數(shù)值變化不明顯；當ΔS取6 m時，此時距離已大于工頻電壓間隙、橫向擺幅、導線組合半徑之和，因此理論上地線支架高度可以取0。

表11 鐵塔不均勻覆冰要求的最小地線支架高

注：上表中導地線間水平位移ΔS=0。

5 小 結(jié)

綜上所述，15 mm冰區(qū)導線不均勻覆冰導地線動、靜態(tài)接近間距的要求對桿塔布置不起控制作用。20 mm冰區(qū)導地線動、靜態(tài)接近要求的最小地線支架高度匯總于表11。從表11中可以看出無論是孤立檔、連續(xù)檔第1檔、連續(xù)檔中間檔脫冰后要求的地線支架高均隨著脫冰率的增加而增加，脫冰率的選擇對地線支架高的選擇影響較大，《1 000 kV架空輸電線路設計規(guī)范》(GB 50665-2011)并未對重覆冰區(qū)校核導地線動靜態(tài)接近時的脫冰率做出明確規(guī)定，參考《重覆冰架空輸電線路設計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5440-2009)對重覆冰線路脫冰率的規(guī)定“330 kV及以上重冰區(qū)線路可選不小于設計冰重的80%，中冰區(qū)線路可選不小于設計冰重的70%”，并結(jié)合已建500 kV、750 kV、±800 kV交直流線路設計運行經(jīng)驗，南方地區(qū)覆冰類型主要為雨凇覆冰，雨凇附著力強，發(fā)生整檔完全脫冰的概率極低，因此校核導地線動靜態(tài)接近時20 mm中冰區(qū)按70%脫冰率考慮取值，重冰區(qū)按80%脫冰率考慮取值[4-5]。

表11中數(shù)據(jù)亦反應出導線脫冰動態(tài)接近對地線支架高度影響更大。脫冰率80%條件下，20 mm重冰區(qū)直線塔地線支架高度≥5.7 m，耐張塔地線支架高≥11.3 m(配合的直線塔支架高5.7 m)時，可滿足導地線動態(tài)接近的間距要求。

綜上所述，結(jié)合國內(nèi)外以及西南電力設計院多年重冰區(qū)設計、運行經(jīng)驗，特高壓交流線路工程的導線不均勻覆冰動靜態(tài)接近的工況下，15 mm、20 mm冰區(qū)地線支架設計可以不考慮導地線間的水平位移。

[1] 趙彪,孫河,劉姜玲.特高壓交流試驗示范工程的經(jīng)濟性[J].電力建設,2009,30(11):24-26.

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[3] 張文亮,吳維寧,胡毅. 特高壓輸電技術(shù)的研究與我國電網(wǎng)的發(fā)展[J].高電壓技術(shù),2003,29(9):16-18.

[4] Q/DG 1-A010-2008.1 000 kV交流架空輸電線路設計技術(shù)導則[S].北京：中國標準出版社,2009.

[5] DL/T 5440-2009.重冰區(qū)架空輸電線路設計技術(shù)規(guī)程[S].北京：中華人民共和國國家能源局,2009.