城沐一線500kV線路取消架空地線力學(xué)性能分析

范松海，雷云澤，龔奕宇，王 言（．國(guó)網(wǎng)四川電力科學(xué)研究院，成都 60000； ．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 58055）

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城沐一線500kV線路取消架空地線力學(xué)性能分析

范松海1，雷云澤2，龔奕宇1，王 言2
（1．國(guó)網(wǎng)四川電力科學(xué)研究院，成都 610000； 2．清華大學(xué)深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：架空地線的主要作用是防止雷電直擊導(dǎo)線，但在冬季，由于架空地線線徑較細(xì)，強(qiáng)度較低，多次因地線覆冰引發(fā)斷線、跳閘事故，因此提出了取消重冰區(qū)500 kV線路架空地線的做法。使用有限元仿真工具ANSYS Workbench，以城沐一線500 kV線路三基桿塔為對(duì)象進(jìn)行建模，對(duì)取消地線前后城沐一線的力學(xué)性能做了仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在不同的覆冰強(qiáng)度下，取消地線后桿塔塔頭及塔身主材所受拉力及應(yīng)力都有所下降，提高了整個(gè)塔線體系在冬季運(yùn)行的可靠性。結(jié)果可為冰區(qū)超高壓電網(wǎng)的運(yùn)行維護(hù)工作提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：城沐一線；取消地線；有限元；覆冰；應(yīng)力

引言

四川省西昌大箐梁子海拔約2 500 m，處于冷暖交匯分水嶺，有一條由南至北的峽谷，西北方向10 km的邛海為該地段輸電線路覆冰提供充足水汽源，是典型的微地形微氣象帶，同通道的線路有500 kV城沐一二線、500 kV月普一二線、±800 kV錦蘇線及其接地極線路。近三年，大箐梁子輸電通道共發(fā)生4起斷線（3次為斷地線）、2起倒塔故障，發(fā)生覆冰跳閘17次（其中已查明有11次由于覆冰引起導(dǎo)線和底線間距不夠?qū)е绿l）。架空地線覆冰已嚴(yán)重影響大箐梁子輸電通道線路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

地線覆冰對(duì)輸電線路的危害主要有：導(dǎo)線對(duì)地線放電，當(dāng)相鄰檔距間的覆冰分布不均衡，或者地線不同期脫冰引發(fā)跳躍時(shí)，地線和導(dǎo)線間的距離減小，引起導(dǎo)線對(duì)地線放電；地線斷裂，由于地線線徑明顯小于導(dǎo)線線徑，其覆冰厚度比導(dǎo)線大，同時(shí)強(qiáng)度低于導(dǎo)線，當(dāng)覆冰達(dá)到一定厚度，超過(guò)地線承受能力時(shí)，將導(dǎo)致地線斷裂。

針對(duì)目前的現(xiàn)場(chǎng)狀況，考慮取消地線是一個(gè)可行的減少故障次數(shù)的手段。為了比較地線取消前后對(duì)線路受力的影響，需要借助有限元仿真軟件，通過(guò)對(duì)取消地線前后的塔線體系進(jìn)行建模和力學(xué)仿真，得出桿塔主材和導(dǎo)線、地線的受力、應(yīng)力等。從而對(duì)取消地線這一手段進(jìn)行評(píng)估。

1 模型建立

1.1 線路選取

選取地線覆冰斷裂跳閘事故較為嚴(yán)重的城沐一線作為仿真對(duì)象，為了簡(jiǎn)化仿真模型，選取三基桿塔及其間的導(dǎo)地線，建立三基塔線體系模型。這三基桿塔的關(guān)鍵參數(shù)見(jiàn)表1。

基于經(jīng)緯度以及海拔高度，可以將三基桿塔的位置轉(zhuǎn)換為XYZ空間中的坐標(biāo)，以便于建模。以050#桿塔的位置作為原點(diǎn)，得出三基桿塔的坐標(biāo)見(jiàn)表2。

1.2 塔線體系建模

確定三基桿塔的位置后，為了在計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制下盡可能提高精確度，需要對(duì)桿塔、絕緣子、導(dǎo)線等部件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化原則如下：

1）桿塔只保留主材，主材桿件均用直徑10 cm的圓柱狀結(jié)構(gòu)鋼材料進(jìn)行建模，桿件之間連接處為緊密接觸，并進(jìn)行圓角處理。

2）絕緣子用圓柱狀鋼材料進(jìn)行建模，長(zhǎng)度維持絕緣子原長(zhǎng)度不變，直徑則以質(zhì)量不變?yōu)樵瓌t進(jìn)行調(diào)整。

3）導(dǎo)線、地線的建模，以有效橫截面積不變?yōu)樵瓌t，均簡(jiǎn)化為單根橫截面為圓形的鋼質(zhì)桿結(jié)構(gòu)，其中，導(dǎo)線每相為四分裂，合并為單根導(dǎo)線，并保持與四根分裂導(dǎo)線總橫截面積相同，地線原本即為單根，保持橫截面積不變。

經(jīng)過(guò)上述建模方法，建成了城沐一線050#～052#三基桿塔組成的塔線體系，如圖1所示。

其中細(xì)節(jié)如051#號(hào)全塔如圖2所示。

表1　三基桿塔關(guān)鍵參數(shù)

表2　三基桿塔XYZ坐標(biāo)

圖1　城沐一線三基桿塔體系

圖2　城沐一線#051號(hào)桿塔模型

2 塔線體系力學(xué)仿真

2.1 覆冰程度模擬

根據(jù)城沐一線現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，按最大覆冰厚度20 mm計(jì)?？紤]導(dǎo)地線的空間尺度遠(yuǎn)大于桿塔，計(jì)算時(shí)僅考慮導(dǎo)地線上的覆冰。又由于覆冰在導(dǎo)地線表面附著，對(duì)導(dǎo)地線的強(qiáng)度沒(méi)有貢獻(xiàn)，可以認(rèn)為是處處均勻分布的質(zhì)量。將覆冰與導(dǎo)地線模型合并，提出等效密度的概念，即覆冰的附著導(dǎo)致導(dǎo)地線的質(zhì)量增加，等效于導(dǎo)地線的密度隨之改變。不同覆冰程度下的導(dǎo)地線等效密度如表3所示。

其中，導(dǎo)線型號(hào)為JL/G1A-500/45鋼芯鋁絞線，地線型號(hào)為GJ-120鋼芯鋁絞線，可以看出，由于地線的線徑較細(xì)，隨著覆冰厚度的增加，其等效密度比導(dǎo)線要大很多，這從側(cè)面驗(yàn)證了地線容易斷裂的實(shí)際現(xiàn)象，支持了取消地線的措施的必要性。

2.2 仿真結(jié)果

整個(gè)塔線體系在自重作用下的形變?nèi)鐖D3所示。

其中最大弧垂發(fā)生在050#號(hào)桿塔和051#號(hào)桿塔之間的中間相導(dǎo)線中部。桿塔塔頭部分均有輕微變形，絕緣子均朝著受力方向發(fā)生傾斜和彎曲，塔身相對(duì)形變較小，如圖4所示。

3 結(jié)果分析

3.1 導(dǎo)地線弧垂與覆冰厚度的關(guān)系

以城沐一線塔線體系的最大弧垂為觀測(cè)目標(biāo)，分地線取消前后的情況，觀察導(dǎo)線和地線的最大弧垂隨覆冰厚度增加的變化情況。

導(dǎo)線、地線均覆冰的情況下，兩者的最大弧垂隨覆冰厚度的變化如表4所示。

可見(jiàn)隨著覆冰厚度的增加，導(dǎo)線和地線弧垂都在增大，如圖5所示。

表3　導(dǎo)地線在不同覆冰厚度下的等效密度

圖3　城沐一線塔線體系整體形變

圖4　城沐一線050#桿塔形變（放大到3.3倍）

從圖中可見(jiàn)，當(dāng)未覆冰時(shí)，地線弧垂小于導(dǎo)線會(huì)吹，而當(dāng)覆冰開(kāi)始后，地線弧垂很快就大于導(dǎo)線，并且地線弧垂的增長(zhǎng)速度大于導(dǎo)線，因此在覆冰嚴(yán)重時(shí)，地線可能與導(dǎo)線之間的間距過(guò)小，導(dǎo)致導(dǎo)線對(duì)地線放電引發(fā)事故。

取消地線后，導(dǎo)線的最大弧垂隨覆冰厚度增加的變化情況如表5所示，為便于比較，將取消地線前后導(dǎo)線的最大弧垂作于同一張圖中，如圖6所示。

從圖中可見(jiàn)，地線被取消后，導(dǎo)線的弧垂有所減小，但并不明顯，這是由于地線被取消后，減小了對(duì)桿塔的拉力，從而塔頭的形變減小，進(jìn)而使導(dǎo)線弧垂減小，而桿塔相對(duì)于導(dǎo)地線來(lái)說(shuō)是一個(gè)高剛性物體，形變范圍有限。但是，取消地線可以徹底消除導(dǎo)線對(duì)地線放電的可能性。

3.2 導(dǎo)地線應(yīng)力與覆冰厚度的關(guān)系

導(dǎo)地線覆冰將使其所受載荷增大，反映在導(dǎo)地線本身上，使其承受更大的拉力，考慮到導(dǎo)線和地線的線徑不同，本文采用導(dǎo)地線最低點(diǎn)的拉應(yīng)力來(lái)對(duì)其各自的負(fù)載情況進(jìn)行表征。

取消地線前，導(dǎo)線和地線各自所承受的拉應(yīng)力如表6和圖7所示。

從圖中可見(jiàn)，覆冰之前，導(dǎo)線和地線所承受拉應(yīng)力比較接近，覆冰開(kāi)始后，地線拉應(yīng)力的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)快于導(dǎo)線，這使得地線在覆冰較厚的情況下有斷裂的危險(xiǎn)。

地線取消后，導(dǎo)線所受應(yīng)力隨覆冰厚度的變化情況如表7所示。

將取消地線前后導(dǎo)線所受拉應(yīng)力畫在一張圖中，如圖8所示。

從圖中可見(jiàn)，地線取消后，導(dǎo)線所受拉應(yīng)力有略微增加，其原因與地線取消后導(dǎo)線弧垂減小的原因類似，塔頭由于沒(méi)有了地線的拉力，從而使塔頭形變減小，進(jìn)而增大了導(dǎo)線所承受的拉力。

表5　取消地線后導(dǎo)線在不同覆冰厚度下的最大弧垂

圖6　取消地線前后導(dǎo)線最大弧垂

表6　取消地線前導(dǎo)地線在不同覆冰厚度下的拉應(yīng)力

圖7　取消地線前導(dǎo)地線拉應(yīng)力

表7　取消地線后導(dǎo)線在不同覆冰厚度下的拉應(yīng)力

圖8　地線取消前后導(dǎo)線所受拉應(yīng)力

3.3 塔頭形變與覆冰厚度的關(guān)系

以中部桿塔即#051號(hào)桿塔塔頭橫擔(dān)處的最大形變?yōu)橛^察指標(biāo)，地線取消前后，此桿塔的最大形變?nèi)绫?和圖9所示。

從表和圖中可見(jiàn)，地線取消后，由于減少了塔頭所受負(fù)載，因此桿塔的形變有所減小，從而減小了桿塔倒塌或者掉線的危險(xiǎn)。不過(guò)桿塔受力主要還是由導(dǎo)線自重及其上的覆冰所致，因此取消地線對(duì)塔頭形變的影響幅度有限。

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4 結(jié)論

由上文中的討論可知，隨著覆冰厚度的增加，地線所承受的拉應(yīng)力增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)大于導(dǎo)線，易于發(fā)生斷裂，因此取消地線可以消除地線斷裂的隱患。另外，覆冰時(shí)由于地線弧垂的增長(zhǎng)速度大于導(dǎo)線弧垂，因此取消地線后也可以減少導(dǎo)線對(duì)地線放電的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，取消地線可以減小塔頭受力，從而減小塔頭形變，但影響幅度不大，還能略微增大導(dǎo)線弧垂和導(dǎo)線所受拉應(yīng)力?？偟膩?lái)說(shuō)，取消地線主要是可以防止地線斷裂和導(dǎo)線對(duì)地線放電，對(duì)導(dǎo)線和桿塔本身的受力情況影響不大。

中圖分類號(hào)：TM863

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7204（2016）02-0041-05

作者簡(jiǎn)介:

范松海(1977)，男，博士，高工，從事電網(wǎng)防災(zāi)減災(zāi)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

雷云澤(1991)，男，碩士研究生，主要從事外絕緣檢測(cè)方面的研究。

表8　取消地線前后#051號(hào)桿塔塔頭最大形變

圖9　桿塔的最大形變

Analysis on the Mechanical Performance of the 500 kV Chengmu No.1 Transmission Line After Removing the Overhead Ground Wires

FAN Song-hai1, Lei Yun-ze2, Gong Yi-yu1, Wang Yan2
(1. Sichuan Electric Power Research Institute, Qingyang District, Chengdu 610000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：The overhead ground line can prevent the conduct line from direct lightning hit. But in winter, iced ground lines fracture and power supply interruptions happen for many times due to the thin diameter and the lower strength of the ground lines. Removing the overhead ground lines is a method to make a difference. In this paper, we use the finite element method (FEM) software, ANSYS Workbench, to simulate the mechanical performance of the 500 kV Chengmu No.1 transmission line with & without the ground wires based on the three towers model. The simulation result shows that the dragging force and the stress of the tower main material decrease after removing the ground Wires under different ice thickness. In this way, the reliability of the whole system of towers and lines is strengthened when running in winter. This paper can be an instruction on the daily job of the EHV transmission line in icing districts.

Key words：chengmu No.1 transmission line; removing ground line; FEM; icing; stress