架空輸電線路覆冰不平衡張力影響因素研究

李攀峰　謝芳　俞永軍

(1.國(guó)網(wǎng)紹興供電公司，浙江　紹興312000；2.紹興文理學(xué)院，浙江　紹興312000)

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架空輸電線路覆冰不平衡張力影響因素研究

李攀峰1謝芳2俞永軍1

(1.國(guó)網(wǎng)紹興供電公司，浙江紹興312000；2.紹興文理學(xué)院，浙江紹興312000)

覆冰不平衡張力是導(dǎo)致直線塔倒塔和損壞的主要原因之一，如何提高桿塔抵抗覆冰不平衡張力的能力是設(shè)計(jì)人員必須關(guān)注的問題.結(jié)合架空輸電線路的地形、覆冰特點(diǎn)，從耐張段的連續(xù)檔數(shù)量、檔距大小及不均勻性、掛點(diǎn)高差、斷面模型、懸垂串等多方面，對(duì)影響覆冰不平衡張力的相關(guān)因素進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算分析論證，結(jié)論用于指導(dǎo)桿塔排位優(yōu)化，同時(shí)作為桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)之一，全面提高重覆冰區(qū)線路的抗冰能力.

覆冰；架空輸電線路；不平衡張力；影響因素

在輸電線路架線安裝時(shí)，一般要求每個(gè)耐張檔內(nèi)各直線塔兩側(cè)的應(yīng)力相等，直線塔懸垂串處于懸垂?fàn)顟B(tài).但當(dāng)運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)，因檔距不均勻性、高差、不均勻覆冰等會(huì)造成直線塔兩側(cè)荷載不均勻，使直線塔兩側(cè)出現(xiàn)不平衡張力，從而造成懸垂串傾斜或?qū)Ь€滑動(dòng)[1]，尤其在不均勻覆冰的工況下，實(shí)際出現(xiàn)的直線塔覆冰不平衡張力可能大于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，極易引起桿塔出現(xiàn)倒塔和損害事故.根據(jù)2008年冰災(zāi)引起的倒塔原因分析[2]，覆冰不平衡張力是引起線路倒塔和斷線的主要原因，本文推導(dǎo)出桿塔覆冰不平衡張力的計(jì)算方法，然后分析各種因素對(duì)桿塔覆冰不平衡張力的影響，

1　覆冰不平衡張力的計(jì)算方法

由于實(shí)際線路的桿塔位置千變?nèi)f化，不均勻覆冰程度各不相同，實(shí)際出現(xiàn)的覆冰不平衡張力可能大于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值，造成對(duì)塔身穩(wěn)定的破壞[3].因此，在線路桿塔定位設(shè)計(jì)中，可以通過逐基計(jì)算桿塔不平衡張力的方法，針對(duì)大檔距、大高差、大小檔等微地形采取桿塔加強(qiáng)及改進(jìn)措施[4-6].覆冰不平衡張力計(jì)算方法如下.

1.1施工放線時(shí)連續(xù)檔各檔電線長(zhǎng)度

連續(xù)檔布置如圖1所示，在施工安裝電線時(shí)，要求各懸垂絕緣子串均調(diào)整為中垂位置，保持連續(xù)檔內(nèi)各檔電線的水平應(yīng)力相同[7]，各檔線長(zhǎng)為：

(1)

圖1　連續(xù)檔立面布置示意圖

(2)

1.3正常運(yùn)行時(shí)連續(xù)檔各檔變化檔距

(3)

式(3)中ri為運(yùn)行時(shí)電線比載N/m.mm2.

1.4正常運(yùn)行時(shí)連續(xù)檔各檔檔距增量

Δli=lni-li(m).

1.5正常運(yùn)行時(shí)各懸垂絕緣子串偏移

連續(xù)檔有N個(gè)檔距和N+1基桿塔，設(shè)第1基的絕緣子串偏移為零，則第2基懸垂串水平偏移為δ2=Δl1，第3基為δ3=δ2+Δl2，第i基為：δi+1=δi+Δli(m).

1.6正常運(yùn)行時(shí)連續(xù)檔各檔電線應(yīng)力

(4)

圖2　懸垂串偏移示意圖

對(duì)于整個(gè)耐張段，各檔檔距增量之和應(yīng)為零，即第n基桿塔(耐張桿塔)上導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的偏距應(yīng)為零，采用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，收斂條件為：

2　覆冰不平衡張力的取值

根據(jù)2008年我國(guó)南方大部分省份輸電線路出現(xiàn)覆冰倒塔的情況分析，倒塔事故點(diǎn)多發(fā)生在大高差、大檔距、大小檔的地段.這些地段容易引起各檔導(dǎo)線的水平應(yīng)力不等，使直線桿塔上出現(xiàn)不平衡張力.在桿塔兩側(cè)覆冰不均勻時(shí)，這些地段的不平衡張力甚至可能超過桿塔的承受能力而發(fā)生倒塔事故.按《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5440—2009[9]，各種冰區(qū)的覆冰不平衡張力規(guī)定如下(見表1)：

表1各種冰區(qū)覆冰不平衡張力取值表

冰 區(qū)覆冰不平衡張力(最大使用張力的百分?jǐn)?shù))懸垂型桿塔耐張型桿塔導(dǎo) 線地 線導(dǎo) 線地 線15mm中冰區(qū)1525354520mm中冰區(qū)2030405020mm重冰區(qū)2546425430mm重冰區(qū)29504658

3　各類影響不平衡張力的因素分析

結(jié)合架空線路耐張段的長(zhǎng)度、連續(xù)檔數(shù)量、掛點(diǎn)高差、地形因素等，著重對(duì)影響覆冰不平衡張力的相關(guān)因素進(jìn)行計(jì)算分析.本文計(jì)算分析的基本條件為：導(dǎo)線型號(hào)JLHA1/G1A-300/50，導(dǎo)線設(shè)計(jì)覆冰取V=15m/s，C=20mm.

3.1檔內(nèi)不均勻覆冰組合工況的影響

對(duì)于覆冰不平衡張力計(jì)算，規(guī)程只規(guī)定了待校驗(yàn)懸垂塔的兩側(cè)檔內(nèi)的覆冰率，對(duì)于耐張段內(nèi)其他檔的覆冰情況沒有明確，故在一個(gè)連續(xù)檔內(nèi)因覆冰率不同而存在多種覆冰工況組合，以無(wú)高差等檔距350m的7檔模型進(jìn)行各工況的遍歷計(jì)算，其結(jié)果見表2.

反復(fù)計(jì)算其他檔距下的等檔距模型，可發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：對(duì)于等檔距無(wú)高差模型，每種工況下的最大導(dǎo)線不平衡張力都是發(fā)生一側(cè)所有檔覆冰100%，另一側(cè)所有檔為不均勻覆冰的懸垂塔，且不平衡張力向該直線塔兩側(cè)衰減.而所有工況中最大導(dǎo)線不平衡張力發(fā)生在連續(xù)檔中間檔兩側(cè)直線塔，或連續(xù)檔中間塔.

表27檔模型、不同檔內(nèi)覆冰組合工況的直線塔不平衡張力計(jì)算表

工況最大導(dǎo)線不平衡張力(%)234567檔內(nèi)覆冰組合工況(%)10.210.470.871.512.613.64100、100、100、100、100、100、4020.501.152.143.815.511.92100、100、100、100、100、40、4030.972.244.256.372.801.33100、100、100、100、40、40、4041.764.146.613.131.860.90100、100、100、40、40、40、4053.186.273.071.971.180.58100、100、40、40、40、40、4064.822.411.591.020.620.32100、40、40、40、40、40、40

注：1.1#,8#為耐張塔，2#-7#為直線塔，“40”指40%覆冰,“100”指100%覆冰.

2.計(jì)算結(jié)果為各工況下每種覆冰組合中出現(xiàn)最大不平衡張力時(shí)，各檔的不平衡張力.

圖3　7檔模型、不同檔內(nèi)覆冰組合工況時(shí)的

3.2檔距大小、連續(xù)檔數(shù)量的影響

按連續(xù)檔數(shù)量為2檔至10檔、每檔檔距為300m至500m，組合后分別進(jìn)行導(dǎo)線不平衡張力的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3和圖4.

表3不同連續(xù)檔數(shù)量、檔距下的不平衡張力計(jì)算表

連續(xù)檔數(shù) 量最大導(dǎo)線不平衡張力(%)每檔檔距300m每檔檔距400m每檔檔距500m21.454.8610.6132.346.5213.0042.987.8914.7553.438.715.4063.759.1815.6174.009.4015.6684.289.6415.7794.369.6815.78104.579.7915.81

從上列圖表中可以看出，在連續(xù)檔數(shù)不變的情況下，隨著檔距的增大，導(dǎo)線不平衡張力增長(zhǎng)較快，500 m檔距的不平衡張力比300 m時(shí)大2.5～6.3倍.由此可見檔距大小對(duì)導(dǎo)線不平衡張力的影響極大.因此避免大檔距，是限制不均勻冰所產(chǎn)生的不平衡張力的有效手段.

圖4　不同連續(xù)檔數(shù)量、檔距下的不平衡張力

計(jì)算結(jié)果還表明，隨著耐張段內(nèi)連續(xù)檔數(shù)量的增加，導(dǎo)線不平衡張力也隨之增大，但很快便趨向飽和.如10檔模型的導(dǎo)線不平衡張力比2檔模型大3.0%～5.2%，但只比5檔模型只大0.8%～1.4%.因此，在重冰區(qū)線路設(shè)計(jì)中，還可通過減少耐張段的連續(xù)檔數(shù)量，來(lái)限制不均勻冰工況下的導(dǎo)線不平衡張力.另外也說(shuō)明，對(duì)于分析導(dǎo)線最大不平衡張力，采用5檔以上的連續(xù)檔模型是可靠的.

3.3高差系數(shù)、斷面模型的影響

根據(jù)前述分析，采用7檔模型已能體現(xiàn)不均勻冰的最大不平衡張力.故采用7檔-等檔距400m模型，來(lái)計(jì)算分析高差系數(shù)對(duì)覆冰不平衡張力的影響，高差系數(shù)取5%～25%.

此外，考慮地形起伏因素，選用了山區(qū)線路三種典型斷面模型(見圖5)：過谷模型、翻山模型、連續(xù)上下山模型，來(lái)綜合分析斷面模型的影響.計(jì)算結(jié)果見表4和圖6.

A．過谷模型B.翻山模型

C.連續(xù)上(下)山模型

圖5斷面模型示意圖

表4不同高差系數(shù)、斷面模型的不平衡張力計(jì)算表

高差系數(shù)最大導(dǎo)線不平衡張力(%)過谷模型翻山模型連續(xù)上(下)山模型5%9.3110.559.6410%9.5111.459.7815%9.7712.229.9420%10.1112.8810.1025%10.5713.4210.27

圖6　不同斷面模型、不同高差系數(shù)的不平衡張力

在重冰區(qū)，不論哪種斷面模型，其覆冰不平衡張力都隨高差系數(shù)基本呈線性增大的，其中翻山模型對(duì)高差系數(shù)更為敏感、增幅最大，其次是過谷模型、連續(xù)上(下)山模型，但連續(xù)上(下)山模型的不平衡張力數(shù)值在5%～20%的高差范圍內(nèi)要大于過谷模型.

根據(jù)計(jì)算，翻山模型中發(fā)生最大不平衡張力的，是位于耐張段中間、山頂處的塔；連續(xù)上(下)山模型中發(fā)生最大不平衡張力的，是位于耐張段中間、半山腰處的塔.過谷模型中發(fā)生最大不平衡張力的，是位于山坡上、與耐張塔相隔一基的塔.

以上可以看出，覆冰不平衡張力是隨著高差的增大而增大，并呈線性相關(guān).斷面為翻山模型時(shí)，覆冰不平衡張力是最嚴(yán)重的.

3.4檔距不均勻的影響

考慮山區(qū)地形起伏，線路的實(shí)際排桿檔距不可能非常均勻.故采用如圖7所示的7檔-20%高差-翻山模型，來(lái)分析在不均勻的檔距分布下，對(duì)覆冰不平衡張力的影響.

圖7　不均勻檔的計(jì)算模型

首先按L4為大檔距，L1-L7為固定檔進(jìn)行分析，計(jì)算成果見表5：

表5不同變化檔檔距的不平衡張力計(jì)算表

L4檔距(m)固定檔檔距200m固定檔檔距300m固定檔檔距400m最大導(dǎo)線不平衡張力(%)2003.24\3006.247.4440011.1011.5212.9750016.7116.5717.2760021.4621.5821.9870024.8425.7526.1880027.2228.8929.5490028.9831.1832.05100030.3732.8633.87

可見，在三個(gè)固定檔檔距中，隨著大檔距的增大，不平衡張力都是顯著增加的，并基本呈線性相關(guān)趨勢(shì)，故控制大檔距是限制不平衡張力的有效措施.

3.5懸垂串的影響

當(dāng)直線塔兩側(cè)出現(xiàn)不平衡張力時(shí)，懸垂絕緣子串會(huì)向張力大的一側(cè)傾斜，張力大的一側(cè)檔距變小，張力隨之減小，而另一側(cè)張力增大，使直線塔所受的不平衡張力減小(見表6和圖8).故本專題在翻山模型中采用不同的懸垂串串長(zhǎng)，來(lái)分析其對(duì)不平衡張力的影響.

表6不同懸垂串串長(zhǎng)時(shí)不平衡張力計(jì)算表

懸垂串串長(zhǎng)(m)最大導(dǎo)線不平衡張力(%)第1基第2基第3基第4基第5基第6基1.88.399.5014.0214.059.468.322.07.558.8013.1213.108.767.612.27.058.2812.5012.428.217.102.46.707.8312.0512.087.806.652.66.417.5411.6911.827.516.36

圖8　不同懸垂串串長(zhǎng)的不平衡張力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，連續(xù)檔內(nèi)六基直線塔不平衡張力都是隨著懸垂串串長(zhǎng)的增加而減小的，對(duì)于同一基塔，2.2m的懸垂串的不平衡張力比1.8m的懸垂串的下降了2%～2.5%，但當(dāng)串長(zhǎng)增加到2.4m以上時(shí)，不平衡張力減少幅度已經(jīng)非常小，同時(shí)必須增加塔頭尺寸來(lái)滿足電氣距離要求.

4　結(jié)論

綜合以上不均勻覆冰時(shí)導(dǎo)線不平衡張力的影響因數(shù)的研究，可以得出如下結(jié)論：

(1)連續(xù)檔中每基直線塔的發(fā)生最大導(dǎo)線不平衡張力的工況均為：一側(cè)所有檔覆冰100%，另一側(cè)所有檔為不均勻覆冰時(shí).

(2)連續(xù)檔檔數(shù)越多，直線塔不平衡張力越大，但當(dāng)檔數(shù)增加到5檔以上時(shí)，不平衡張力增加趨近飽和，控制連續(xù)檔數(shù)量可以減少不平衡張力.

(3)隨著檔距的增大，覆冰不平衡張力顯著增大，故排桿時(shí)控制過大檔距是減小不平衡張力的有效措施.

(4)當(dāng)塔位之間高增大時(shí)，覆冰不平衡張力也隨之增大，但增速十分緩慢.在同一高差系數(shù)的三種模型中，翻山模型斷面的覆冰不平衡張力最大，尤其是大檔距出現(xiàn)在山頂?shù)那闆r下，位于山頂處的鐵塔不平衡張力最大，排桿時(shí)應(yīng)考慮采用加強(qiáng)型桿塔.

根據(jù)上述分析結(jié)論，可以有針對(duì)性地對(duì)連續(xù)檔中不平衡張力較大的桿塔進(jìn)行加強(qiáng)，或采用耐張塔開斷連續(xù)檔，從而充分限制整個(gè)輸電線路的不平衡張力，提高線路的抗冰能力.

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(責(zé)任編輯王海雷)

Affecting Factors of Icing Unbalance Tension of Overhead Transmission Lines

Li Panfeng1Xie Fang2Yu Yongjun1

(1. Shaoxing Power Supply Company, State Grid, Shaoxing, Zhejiang 312000；2. Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Icing unbalance tension, one of the main causes of collapse and damage of towers, is of main concern to designers to find ways to improve the ability of combating the icing unbalance tension. Combined with the topography, ice coating characteristics of overhead transmission lines, and from the perspectives of the number of spans in the tension segments, the length and non-uniformity of spans, the hanging point elevation, the section model, the suspension insulator, the paper conducts a detailed analysis and verification of the relative factors in this regard. The conclusion can be used to guide the tower arranging optimization, and used as one of the tower structure design basis, thereby improving the ability of transmission lines to resist ice coating in heavy icing areas.

ice coating; overhead transmission line; unbalance tension; affecting factor

2016-04-12

李攀峰(1983-)，男，湖北天門人，注冊(cè)電氣工程師，主要研究方向?yàn)榫€路及桿塔、輸配電技術(shù)理論與分析.

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.08.19

TM753

A

1008-293X(2016)08-0107-06