四川500 kV輸電線路覆冰冰型觀測(cè)及密度測(cè)量

陳 靜，林雪松，周林抒(.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，四川 成都 6007； .重慶大學(xué)工程力學(xué)系 ，重慶 400030)

四川500kV輸電線路覆冰冰型觀測(cè)及密度測(cè)量

陳 靜1，林雪松1，周林抒2
(1.四川省電力工業(yè)調(diào)整試驗(yàn)所，四川 成都 610072； 2.重慶大學(xué)工程力學(xué)系 ，重慶 400030)

針對(duì)四川500kV輸電線路覆冰進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)冰型觀測(cè)和覆冰密度測(cè)量，得到冰型和密度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的深入探討和防治方法研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

500kV輸電線；覆冰；冰型觀測(cè)；覆冰密度測(cè)量；覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)

0 引 言

輸電線路導(dǎo)線的舞動(dòng)是一個(gè)長期困擾電網(wǎng)安全運(yùn)行的難題，導(dǎo)線舞動(dòng)導(dǎo)致的線路跳閘、傷線、斷線甚至桿塔倒塌等事故造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。隨著國家西部能源利用戰(zhàn)略的實(shí)施，超、特高壓輸電工程將大規(guī)模上馬，對(duì)500 kV超特高壓輸電線路的安全運(yùn)行提出了更高的要求。

2008年年初中國發(fā)生了重大冰雪災(zāi)害，致使承擔(dān)電力輸送任務(wù)的輸電線大量結(jié)冰，在覆冰導(dǎo)線空氣動(dòng)力特性和舞動(dòng)特性的雙重作用下，電力系統(tǒng)遭受了前所未有的嚴(yán)重破壞，嚴(yán)重影響了人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此對(duì)覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)觀測(cè)，為其防治方法研究的深入開展就更加迫切和重要。

導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)問題的研究是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要從理論和實(shí)踐徹底解決舞動(dòng)問題，還需要進(jìn)行大量的工作，包括機(jī)理研究、基本參數(shù)試驗(yàn)與測(cè)定以及工程實(shí)踐等。因地理環(huán)境和氣候條件的差異，各地覆冰導(dǎo)線的冰型和密度也不同。覆冰導(dǎo)線的冰型和密度的觀測(cè) ,為覆冰導(dǎo)線基本參數(shù)的實(shí)驗(yàn)提供必要的參數(shù)。

1 導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理

輸電導(dǎo)線舞動(dòng)是指風(fēng)激勵(lì)下導(dǎo)線所產(chǎn)生的一種低頻、大振幅的自激振動(dòng)，多發(fā)生在寒冬偏心覆冰的輸電導(dǎo)線上。其形成主要取決于導(dǎo)線覆冰、風(fēng)激勵(lì)及線路結(jié)構(gòu)參數(shù)等[1]。

圖1 三自由度集中參數(shù)系統(tǒng)模型

影響覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的主要因素有3個(gè)：覆冰、風(fēng)和線路結(jié)構(gòu),目前被廣泛接受的舞動(dòng)機(jī)理理論主要有Den Hartog垂直舞動(dòng)機(jī)理[2]、Nigol扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理[3]和Yu的偏心慣性耦合機(jī)理[4]。覆冰導(dǎo)線在風(fēng)激勵(lì)下，豎向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)并不是孤立的，而是相互耦合的。上述3種舞動(dòng)機(jī)理都可以理論上通過式(1)三自由度導(dǎo)線振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程得出[5]。式(1)～式(3)中導(dǎo)線升力、阻力、扭矩系數(shù)和覆冰質(zhì)量等基本參數(shù)需通過實(shí)驗(yàn)得到。而這些空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)與覆冰導(dǎo)線的冰型和密度密切相關(guān)，因此對(duì)覆冰導(dǎo)線的冰型和密度的觀測(cè)，對(duì)于研究具體工程線路導(dǎo)線覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)問題，從工程實(shí)踐上預(yù)防和防止導(dǎo)線舞動(dòng)而言是一項(xiàng)必要的基礎(chǔ)性工作。

my··+[2mζyωy+12ρU2D?CL?θ+CD]y·+kyy

=-mircosθ0θ··-12ρu2DCy1Udzdt+12ρu2DCy?Cy?θ

(1)

mz··+2mζzωz+12ρU2DCD1Uz·+kzZ

=-mirsinθ0θ··+12ρU2D?CD?θθ

(2)

Jθ··+2Jζθωθ+12ρU2D2?CMR?θUθ·+

kθ-12ρU2D2?CM?θ-mirgsinθ0θ

=-mircosθ0y··-mirsinθ0z··-12ρU2D2CM1Uz·

(3)

式中，θ和θ0分別為扭轉(zhuǎn)角和初始凝冰角；m和mi分別為單位長度導(dǎo)線質(zhì)量和覆冰質(zhì)量；J為單位長度導(dǎo)線的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ζy、ζz、ζθ分別為導(dǎo)線豎向、橫向、扭轉(zhuǎn)方向的阻尼比；ky、kz、kθ分別為導(dǎo)線豎向、橫向、扭轉(zhuǎn)方向的等效彈簧剛度；ωy、ωz、ωθ分別為導(dǎo)線豎向、橫向、扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)頻率；CL、CD、CM分別為導(dǎo)線升力、阻力、扭矩系數(shù)；U和D分別為風(fēng)速度和迎風(fēng)尺寸；r為導(dǎo)線半徑；Cy為豎向風(fēng)載荷系數(shù)；R是特征半徑。

2 導(dǎo)線覆冰條件及類型

導(dǎo)線上要形成覆冰，必須具備3個(gè)條件：(1)空氣濕度比較大，一般為85%以上，干雪不易凝結(jié)在導(dǎo)線上，雨凇、凍雨或雨加雪是導(dǎo)線覆冰常見的氣候條件；(2)合適的溫度，一般為0～-5 ℃，溫度過高或過低均不利于導(dǎo)線覆冰；(3)可使空氣中水滴運(yùn)動(dòng)的風(fēng)速，一般大于1 m/s。當(dāng)空氣相對(duì)濕度小或無風(fēng)、風(fēng)速很小時(shí)，即使空氣溫度在0 ℃以下，也不能形成覆冰。

研究表明[2]：在氣溫為-8 ℃～-11 ℃，雨量較少的情況下，由于細(xì)小水滴與試件表面一觸即凝，易形成典型的新月形覆冰，如圖2(a)所示；而當(dāng)氣溫較高，雨量較大時(shí)，水滴到達(dá)試件表面時(shí)達(dá)不到一觸即凝，此時(shí)，如風(fēng)速較低，則形成典型的扇形覆冰，如圖2(b)所示；若風(fēng)速較低，則在水滴未凝結(jié)之前，被風(fēng)推擠而形成近似D形的覆冰，如圖2(c)所示。新月形截面最容易引起導(dǎo)線的氣動(dòng)力失穩(wěn)，導(dǎo)致導(dǎo)線的低頻大幅舞動(dòng)。

圖2 典型覆冰截面形狀

3 現(xiàn)場(chǎng)覆冰觀測(cè)

2008年對(duì)四川西昌市美姑縣大風(fēng)頂西昌七里壩二普1線、昭覺大壩鄉(xiāng)瓦布村二普3線、美姑瓦侯大風(fēng)頂普洪I、II回線、黃毛梗普天線、普洪I、II回線、馬邊縣和峨邊縣對(duì)普洪I、II回線路建立觀測(cè)站并安裝攝像頭，現(xiàn)場(chǎng)記錄了500 kV四分裂導(dǎo)線的覆冰情況并對(duì)導(dǎo)線覆冰密度進(jìn)行了測(cè)量。

4 覆冰冰型觀測(cè)

這次冰型觀測(cè)線路為西昌七里壩二普1線、昭覺大壩鄉(xiāng)瓦布村二普3線、美姑瓦侯大風(fēng)頂普洪I、II回線、黃毛梗普天線、普洪I、II回線、馬邊縣和峨邊縣對(duì)普洪I、II回線路7條線路，每條線路根據(jù)地貌不同分別采集樣本現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)。發(fā)現(xiàn)四川西昌所觀測(cè)到的500 kV覆冰冰型主要有新月形和扇形(D型)兩種。圖3樣本1所示可以視為新月形覆冰，可簡(jiǎn)化為規(guī)則的新月形覆冰模型。圖3樣本2所示可以視為扇形覆冰，可簡(jiǎn)化為規(guī)則的扇形覆冰模型。

樣本1 樣本2圖3 西昌地區(qū)導(dǎo)線覆冰冰型樣本

5 覆冰密度測(cè)量

5.1 測(cè)量步驟

2008年1月23日，項(xiàng)目組成員曾前往西昌美姑縣大風(fēng)頂和黃毛梗對(duì)500 kV線路覆冰進(jìn)行了觀測(cè)。該地區(qū)為山區(qū)，平均海拔為2 200 m，最高海拔為3 400 m。該地區(qū)濕度高，風(fēng)速適宜，嚴(yán)冬期間輸電導(dǎo)線非常容易覆冰，屬于輸電線路中冰區(qū)，500 kV普洪I、II回輸電線路，以及普天500 kV輸電線路均經(jīng)過該地區(qū)。這次重點(diǎn)觀測(cè)了普天500 kV四分裂線路導(dǎo)線覆冰情況。觀測(cè)區(qū)域線路設(shè)計(jì)覆冰厚度為20 mm，最大檔距為1 100 m，線路平均高度為20～25 m。輸電子導(dǎo)線采用LGJ-400/50鋼筋鋁絞線，地線采用19-13.0-1270-A-GB1200-88型號(hào)導(dǎo)線。間隔棒采用加拿大進(jìn)口的ZL4型間隔棒。觀測(cè)該種間隔棒專用于重冰區(qū)的分裂導(dǎo)線，觀測(cè)時(shí)環(huán)境溫度為-10 ℃。

覆冰采樣地點(diǎn)：西昌市美姑縣大風(fēng)頂。

采樣地海拔高度：3 000 m。

采樣和測(cè)量時(shí)間：2008年1月23日10點(diǎn)。

采樣時(shí)環(huán)境溫度：-10 ℃。

采樣線路：普天500 kV四分裂線路。

5.2 測(cè)量原理

為測(cè)量覆冰的密度，應(yīng)先測(cè)量覆冰的體積。測(cè)量覆冰體積的實(shí)用方法是 “排液法”。即將覆冰放進(jìn)與冰不相融的液體中，如四氯化碳、石油醚等。測(cè)量覆冰排出的液體體積即得覆冰的體積。覆冰的質(zhì)量用高精度電子天平很容易測(cè)量，最后按下述公式即可計(jì)算出導(dǎo)線覆冰的密度。

ρ冰=m冰v2-v1

(4)

式中，m冰為覆冰的質(zhì)量；v1為液體的原始體積；v2為放入覆冰后液體的體積。

5.3 測(cè)量結(jié)果

對(duì)該區(qū)域大風(fēng)頂普洪I、II回線500 kv輸電導(dǎo)線覆冰截面形狀進(jìn)行定量分析。測(cè)量時(shí)選取了10塊覆冰樣塊，每個(gè)樣塊分別進(jìn)行了3次測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見表1，經(jīng)測(cè)量該段線路導(dǎo)線覆冰密度平均值為0.856 g/cm3，導(dǎo)線覆冰的形狀多為新月形型，屬于B型混合淞。

6 結(jié) 論

對(duì)四川西昌地區(qū)多條500 kV輸電線路的覆冰情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和測(cè)量，對(duì)線路覆冰冰型和覆冰厚度進(jìn)行了觀測(cè)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣觀測(cè)的情況，發(fā)現(xiàn)四川西昌所觀測(cè)到的500 kV覆冰冰型主要有新月形和扇形(D型)兩種，在導(dǎo)線上覆冰的分布較均勻，在地勢(shì)較寬敞平坦的地方，由于濕度和風(fēng)速等比較均勻，導(dǎo)線上覆冰形狀相對(duì)比較規(guī)則。對(duì)覆冰的密度測(cè)量表明該區(qū)域覆冰為B型混合淞。由于新月形截面最容易引起導(dǎo)線的氣動(dòng)力失穩(wěn)，導(dǎo)致導(dǎo)線的低頻大幅舞動(dòng)，該地區(qū)在線路設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的預(yù)防和防治上應(yīng)重點(diǎn)加以考慮。同時(shí)觀測(cè)結(jié)果能夠?yàn)樗姆至迅脖鶎?dǎo)線氣動(dòng)特性研究提供必要的試驗(yàn)參數(shù)。

表1 導(dǎo)線覆冰密度的平均值

[1] 郭應(yīng)龍，李國興，尤傳永.輸電線路舞動(dòng)[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2] O.Nigol， P.G.Buchan. Conductor Galloping .1.Den Hartog Mechanism[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and systems，1981， 100(2):699-707.

[3] O.Nigol， P.G.Buchan. Conductor Galloping .2.Torsional Mechanism[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and systems，1981， 100(2):708-720.

[4] P.Yu，A.H.Shah，N.Popplewell. Inertially Coupled Galloping of Iced Conductors[J]. Journal of Applied Mechanics-transactions of the ASME， 1992，59(1):140-145.

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

Aiming at the ice accretion of 500 kV transmission lines in Sichuan, the on-site ice-type observation and icing density measurement are carried out, and the basic data of ice type and density are obtained, which lays a solid foundation for the further discussion on iced conductor galloping and the research on its precautionary measures.

500 kV transmission line; ice accretion; ice-type observation; icing density measurement; iced conductor galloping

TM732

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1003-6954(2015)02-0019-03

2014-12-08)