大截面導(dǎo)線間隔棒最大次檔距分析

張 瑚，李雨蔓，李 健，周 魁，張馮碩

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

大截面導(dǎo)線間隔棒最大次檔距分析

張 瑚1，李雨蔓2，李 健1，周 魁1，張馮碩1

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

論述次檔距振蕩對(duì)輸電線路的危害和國內(nèi)外常規(guī)的處理措施，對(duì)分裂導(dǎo)線最大次檔距取值的主要遵循的有關(guān)理論進(jìn)行闡述，主要為抗扭轉(zhuǎn)和抑制次檔距振蕩。對(duì)±800 kV特高壓線路6×JL/G2A－1250/100大截面導(dǎo)線的次檔距振蕩特性進(jìn)行算例分析，從覆冰和不覆冰兩種情況下的次檔距振幅進(jìn)行計(jì)算，得出不同覆冰下滿足條件的最大次檔距取值，同時(shí)對(duì)導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性進(jìn)行計(jì)算分析，得出扭轉(zhuǎn)恢復(fù)要求的次檔距不起控制作用。推薦±800 kV特高壓線路大截面導(dǎo)線間隔棒最大次檔距推薦取值。

±800 kV；特高壓；大截面導(dǎo)線；次檔距振蕩；間隔棒布置。

1 概述

目前，我國高壓輸電線路多采用分裂導(dǎo)線，主要是擴(kuò)大導(dǎo)線束的等值外徑，減少線路的電暈，提高線路的輸送容量。但是，分裂導(dǎo)線在機(jī)械性能上卻比單根導(dǎo)線更加復(fù)雜，學(xué)者們通過對(duì)一系列輸電線路故障的研究分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力對(duì)分裂導(dǎo)線起控制作用。

風(fēng)在架空輸電線路導(dǎo)線上振動(dòng)主要有三種形式：微風(fēng)振動(dòng)、次檔距振蕩和舞動(dòng)。其中，次檔距振蕩是指分裂導(dǎo)線上兩間隔棒之間的子導(dǎo)線振動(dòng)，是采用相分裂導(dǎo)線的線路所特有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，極易發(fā)生。次檔距振蕩會(huì)造成各子導(dǎo)線的互撞和鞭擊，使導(dǎo)線線股磨損，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致間隔棒夾頭處產(chǎn)生較大的動(dòng)彎應(yīng)力，從而使間隔棒松動(dòng)甚至損壞，嚴(yán)重時(shí)可造成導(dǎo)線斷股、短路等事故。我國次檔距振蕩比較的嚴(yán)重的區(qū)域主要發(fā)生在西北大風(fēng)地區(qū)，在2008年，甘肅和寧夏相繼發(fā)生了導(dǎo)線次檔距振蕩事故，嚴(yán)重威脅輸電線路的運(yùn)行安全。

在分裂導(dǎo)線中，對(duì)間隔棒進(jìn)行合理布置是控制次檔距振蕩的重要措施，而進(jìn)行間隔棒布置的首要問題就是確定間隔棒的最大次檔距對(duì)于最大次檔距，一般設(shè)計(jì)中都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。

根據(jù)抑制次檔距振蕩的經(jīng)驗(yàn)，加拿大建議最大次檔距不超過68 m；根據(jù)子導(dǎo)線搖擺碰撞認(rèn)為， 德國500 kV以下線路的次檔距限制在初40～50 m，而美國最大次檔距可放至76 m；加拿大Ander 公司規(guī)定的兩級(jí)最大次檔距：開闊地帶取68 m， 非開闊地帶取76 m；這些數(shù)據(jù)均有各自的試驗(yàn)依據(jù)，但分散性太大，不易把握，且缺少理論依據(jù)。

隨著大截面導(dǎo)線在±800 kV特高壓直流輸電線路上的應(yīng)用，如何采取有效防振措施防止導(dǎo)線的次檔距振蕩研究顯得很有必要。

2 最大次檔距取值的相關(guān)理論

間隔棒的主要作用是支撐子導(dǎo)線，防止子導(dǎo)線相互碰撞和鞭擊，抑制次檔距振蕩。對(duì)于間隔棒的安裝距離及數(shù)量，除了考慮經(jīng)濟(jì)因素外，還必須從防止導(dǎo)線碰撞和翻轉(zhuǎn)，能達(dá)到最佳防振效果進(jìn)行必要的研究和計(jì)算，主要考慮的因素有：

(1)對(duì)于平均風(fēng)阻力和正常電流產(chǎn)生的電磁吸引力，間隔棒的安裝距離必須使子導(dǎo)線不接觸。

(2)對(duì)于尾流引起的次檔距振蕩，保證子導(dǎo)線不發(fā)生頻繁的鞭擊和金具的疲勞破壞。

(3)對(duì)于風(fēng)和覆冰引起的扭轉(zhuǎn)，允許子導(dǎo)線接觸，但當(dāng)覆冰和風(fēng)等外力消失后，間隔棒的安裝距離必須能使扭轉(zhuǎn)自然恢復(fù)(稱扭轉(zhuǎn)復(fù)原理論)。

2.1 抗吸附條件下的次檔距要求

由于風(fēng)吸引力和電磁吸引力的作用，子導(dǎo)線會(huì)接近，當(dāng)電流增大到某值時(shí)，子導(dǎo)線會(huì)突然吸附而不能脫離，因此，須限制間隔棒的安裝距離，把子導(dǎo)線的接近率控制在一定的值。

對(duì)于輸送大容量電流的輸電線路，由于電磁力的作用，子導(dǎo)線相互吸附，如果風(fēng)速加大，吸附將更容易。

因此有必要設(shè)定一個(gè)合適的間隔棒間隔距離，使得即使子導(dǎo)線吸附碰在一起，只要當(dāng)外力消除，就可以自然地脫離開。

對(duì)于特高壓輸電線路而言，根據(jù)國外的研究，風(fēng)壓和電磁吸引力相對(duì)次檔距振蕩對(duì)間隔棒安裝間距的影響而言要小得多。

2.2 次檔距導(dǎo)線振蕩特性

次檔距檔中子導(dǎo)線的振幅一般要求小于二分之一倍的子導(dǎo)線分裂間距，以避免子導(dǎo)線振蕩時(shí)發(fā)生碰撞。在尾流區(qū)的子導(dǎo)線，次檔距振蕩的輸入能量和衰減能量達(dá)到平衡時(shí)，就成為穩(wěn)定振蕩，由尾流中子導(dǎo)線的作用外力，可以推出間隔棒間距與次檔距振幅之間近似計(jì)算公式：

式中：X0'為次檔距振動(dòng)幅值(m)；lc為最大次檔距(m)；T為導(dǎo)線張力(N)；W為導(dǎo)線重量(kg/m)；a為子導(dǎo)線間距(m)；D為子導(dǎo)線外徑(m)；E為振動(dòng)幅值衰減率(0.05～0.1)，計(jì)算是一般取0.08。

2.3 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)要求的次檔距要求

分裂導(dǎo)線不均勻覆冰時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩，加上風(fēng)壓會(huì)使導(dǎo)線發(fā)生嚴(yán)重的扭轉(zhuǎn)。由于風(fēng)壓和覆冰產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力的機(jī)理非常復(fù)雜，且覆冰厚度、形狀具有不規(guī)則、不確定性，因此確定它的大小和設(shè)計(jì)條件是極其困難的問題。扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)中一般是按導(dǎo)線覆冰時(shí)發(fā)生的扭轉(zhuǎn)，在脫冰后能自然恢復(fù)來考慮的。導(dǎo)線一旦發(fā)生扭轉(zhuǎn)，為了使它自然復(fù)原，在任意扭轉(zhuǎn)角下，經(jīng)常有復(fù)原力在作用是必要的。為此，不論扭轉(zhuǎn)角的大小，導(dǎo)線重力、導(dǎo)線張力、導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度三種力引起的力矩總和，應(yīng)使其為正值。導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線計(jì)算主要步驟為：

(1) f1(λ)函數(shù)計(jì)算

先求等值線路常數(shù)M－，然后按照下式計(jì)算f1(λ)函數(shù)：式中：λ=S1/S；S1為為間隔棒距懸垂點(diǎn)的距離(m)；

S為為檔距(m)；M－為為線路機(jī)械常數(shù)。

(2)扭轉(zhuǎn)系數(shù)

多分裂導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)剛性常數(shù)的計(jì)算公式：

(3)扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線

結(jié)合前面算得的f1(λ)函數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)，可知：

式中：ηd為扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線的修正系數(shù)，一般取0.95；β為扭絞剛性常數(shù)；l為次檔距(m)；

3 大截面導(dǎo)線算例分析

目前，我國特高壓直流輸電線路已采用六分裂1250 mm2截面導(dǎo)線，下面以6×JL/G2A－1250/100鋼芯鋁絞線為例，導(dǎo)線參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)地線參數(shù)

國內(nèi)外相關(guān)研究表明，風(fēng)壓和電磁吸引力相對(duì)次檔距振蕩對(duì)間隔棒安裝間距的影響較小，下面主要對(duì)大截面導(dǎo)線次檔距振蕩和扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性進(jìn)行研究，計(jì)算分析27 m/s風(fēng)，10 mm、15 mm、20 mm冰區(qū)的次檔距振蕩規(guī)律。

3.1 導(dǎo)線次檔距振蕩計(jì)算

(1)完善相關(guān)的法律法規(guī)體系。法律是保障金融市場(chǎng)穩(wěn)定的有力武器。我國資產(chǎn)證券化起步晚，與之相關(guān)的法律法規(guī)并不完善。擁有完備的法律體系會(huì)提高資產(chǎn)證券化發(fā)起人和投資人的安全感。同時(shí)，擁有完備的法律體系也會(huì)涉及其他領(lǐng)域的利益關(guān)系，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分有利。

結(jié)合國內(nèi)外其他學(xué)者的研究成果及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，取次檔距大于40 m，核算次檔距振幅。次檔距振幅一般要求小于二分之一倍的子導(dǎo)線間距，以免子導(dǎo)線振蕩時(shí)發(fā)生碰撞。對(duì)大截面導(dǎo)線特高壓直流輸電線路，進(jìn)行不考慮覆冰和考慮覆冰兩種工況的次檔距振幅核算。

(1)不考慮覆冰

不考慮覆冰時(shí)有：子導(dǎo)線外徑D=47.85 mm，子導(dǎo)線間距a=500 mm，風(fēng)速V=16 m/s，導(dǎo)線張力T=7996 kg，導(dǎo)線重量W=4.25 kg/m。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不考慮覆冰次檔距振幅計(jì)算結(jié)果

(2)考慮覆冰

當(dāng)導(dǎo)線覆冰時(shí)，子導(dǎo)線的振動(dòng)幅值將增大，間隔棒上所承受的荷載也將增大。按照設(shè)計(jì)覆冰分別為10 mm、15 mm、20 mm，計(jì)算大截面導(dǎo)線在不同覆冰下的次振蕩特性，計(jì)算結(jié)果見表3、表4、表5。

表3 考慮覆冰厚10 mm次檔距振幅計(jì)算結(jié)果

表4 考慮覆冰厚15 mm次檔距振幅計(jì)算結(jié)果

表5 考慮覆冰厚20 mm次檔距振幅計(jì)算結(jié)果

從表2計(jì)算結(jié)果可知，導(dǎo)線無冰時(shí)允許的次檔距比較大，滿足子導(dǎo)線振動(dòng)幅值要求的最大次檔距達(dá)100 m。

從表3、表4、表5可知，10 mm、15 mm、20 mm覆冰時(shí)滿足子導(dǎo)線振動(dòng)幅值要求的最大次檔距分別為83 m、77 m、71 m。

3.2 導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性

6×JL/G3A-1250/100鋼芯鋁絞線呈正六邊形排列，分裂間距a=500 mm，導(dǎo)線平均運(yùn)行張力T=78.44 kN，導(dǎo)線重量W=4.25 kg/m，導(dǎo)線外徑D=47.85 mm，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)檔距510 m下的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線計(jì)算。

根據(jù)式(2)～(4)，即可得到六分裂導(dǎo)線耐張檔的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線函數(shù)：

分析本工程六分裂導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線，可以看出檔距中部間隔棒最大次檔距可取到115 m，可滿足自然恢復(fù)要求。

結(jié)合扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線的計(jì)算過程，一般情況下，抗扭恢復(fù)力對(duì)檔距中部間隔棒最大間距不起控制作用。

圖1 導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線

3.3 間隔棒最大次檔距取值

結(jié)合圖1導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線可知，6×JL/G2A－1250/100大截面在檔距510 m時(shí)，導(dǎo)線檔距中部間隔棒最大次檔距可取到115 m，可滿足自然恢復(fù)要求，抗扭恢復(fù)力對(duì)檔距中部間隔棒最大間距不起控制作用。

結(jié)合表2、表3、表4計(jì)算結(jié)果，大截面導(dǎo)線最大次檔距主要受覆冰下的次檔距振蕩影響，10 mm、15 mm、20 mm覆冰時(shí)理論條件下最大次檔距分別為83 m、77 m、71 m。

在實(shí)際工程中，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮各種因素，6×JL/G2A-1250/100大截面導(dǎo)線輸電線路10 mm和15 mm冰區(qū)，一般地區(qū)檔距小于1000 m時(shí)，最大次檔距取66 m；檔距大于1000 m時(shí)，最大次檔距取60 m。20 mm冰區(qū)，最大次檔距取55 m。

4 總結(jié)

綜合以上對(duì)六分裂大截面導(dǎo)線次檔距的研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)特高壓直流輸電線路由于分裂根數(shù)多，導(dǎo)線截面大，間隔棒最大次檔距應(yīng)按照滿足抗吸附、抗扭轉(zhuǎn)和抑制次檔距振蕩三方面要求進(jìn)行具體分析計(jì)算，以區(qū)別于以往的經(jīng)驗(yàn)取值。

(2)對(duì)于直流特高壓6×JL/G3A-1250/100導(dǎo)線而言，扭轉(zhuǎn)恢復(fù)要求的次檔距不作為控制條件，間隔棒最大次檔距主要由覆冰時(shí)次檔距振蕩幅值控制。

(3)在本文特定計(jì)算條件下，六分裂導(dǎo)線6×JL/G2A-1250/100，年平張力取25%的計(jì)算拉斷力時(shí)，不同覆冰區(qū)下導(dǎo)線間隔棒最大次檔距理論算值和工程實(shí)際取值見表6。

Analysis on the Maximum Subspan for Spacing Stick in Large Cross-section Conductors

ZHANG Hu1, LI Yu-man2, LI Jian1, ZHOU Kui1, ZHANG Feng-shuo1
(1.Central Southern China Electric Power Design Institute Co.Ltd. Of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China；2.School of Electrical Engineering,Chongqing University, Chongqing 400044, China )

In this paper,it introduce the characteristic of Subspan Oscillation and the theory of how to choose the maximum Subspan of Spacers.The maximum Subspan is calculate with considerding anti-adsorption conditions,the amplitude limitations of sub-conductors and requirements of the reverse recovery characteristics.Then,a example is given on the analysis characteristic of Subspan Oscillation on ±800 kV UHV Transmission Line with 6×JL/G2A-1250/100 Conductors. It calculate the vibration amplitude of sub-conductors with or without ice and the reverse recovery characteristics to determine the maximum Subspan between Spacers. At last,the paper recommend the maximum Subspan between Spacers for ±800 V UHV Transmission Line with 6×JL/G2A-1250/100 Conductors in diffent design ice.

±800 kV; UHV; large cross-section conductors; subspan oscillation; spacer configuration.

TM75

B

1671-9913(2016)06-0065-04

2015-11-18

張瑚(1984- )，男，湖北黃陂人，碩士，高級(jí)工程師，從事高壓輸電線路的設(shè)計(jì)研究工作。