新疆大風(fēng)區(qū)輸電線路防風(fēng)措施的分析與研究

邵俊楠,魏 沖,王 燕

(1.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450007； 2.中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450007)

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新疆大風(fēng)區(qū)輸電線路防風(fēng)措施的分析與研究

邵俊楠1,魏 沖1,王 燕2

(1.河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450007； 2.中原工學(xué)院 電子信息學(xué)院，河南 鄭州 450007)

由于特殊的地形地貌和氣象條件，新疆境內(nèi)有許多大風(fēng)區(qū)，大風(fēng)區(qū)內(nèi)的輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)現(xiàn)象相當(dāng)普遍，風(fēng)偏跳閘率高于全國(guó)平均水平.強(qiáng)風(fēng)是造成風(fēng)偏閃絡(luò)的主要原因，所以位于大風(fēng)區(qū)的輸電線路采取相應(yīng)的防風(fēng)措施是非常必要的.結(jié)合新疆大風(fēng)區(qū)風(fēng)速及輸電線路參數(shù)等因素，對(duì)V型絕緣子串、下方防風(fēng)橫擔(dān)、防風(fēng)偏絕緣子等防風(fēng)措施進(jìn)行了分析和比較，得出了各種防風(fēng)措施的特點(diǎn)和適用范圍，對(duì)大風(fēng)區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值.

大風(fēng)區(qū)；防風(fēng)措施；受力分析

輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)一直是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的因素之一[1-2].在新疆，災(zāi)害性大風(fēng)時(shí)常發(fā)生，經(jīng)常因強(qiáng)風(fēng)和沙塵暴造成輸電線路倒桿塔、斷線、風(fēng)偏、污閃、絕緣子脫串和金具斷裂等事故，其中風(fēng)偏閃絡(luò)對(duì)輸電線路的危害尤為嚴(yán)重.

由于新疆特殊的地形地貌，每年氣溫突變特別是秋冬或冬春交替時(shí)容易出現(xiàn)大風(fēng)天氣，甚至出現(xiàn)災(zāi)害性大風(fēng)天氣[3-4].新疆境內(nèi)有多個(gè)著名的風(fēng)區(qū)，如吐魯番小草湖-大河沿風(fēng)區(qū)(又稱三十里風(fēng)區(qū))、吐魯番和哈密交接處的十三間房子風(fēng)區(qū)(又稱百里風(fēng)區(qū))、博爾塔拉阿拉山口風(fēng)區(qū)、烏魯木齊達(dá)坂城風(fēng)區(qū)等，這些風(fēng)區(qū)每年大風(fēng)(8級(jí)以上大風(fēng))日數(shù)大多在100天以上，部分風(fēng)區(qū)不僅大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，而且風(fēng)速極值大.位于這些地區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)送出線路需要采取特殊的防風(fēng)措施，才能減少或杜絕因?yàn)?zāi)害性大風(fēng)引起的輸電線路跳閘事故.本課題根據(jù)作者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析和比較了幾種防風(fēng)措施的絕緣子串受力和實(shí)際應(yīng)用的效果，得出了大風(fēng)區(qū)的最佳防風(fēng)方案，對(duì)大風(fēng)區(qū)輸電線路的防風(fēng)設(shè)計(jì)有一定的參考意義.

圖1 V型絕緣子串的受力分析示意圖Fig.1 Analysis diagram of V-type insulator string stress

1 采用V型絕緣子串防風(fēng)方案分析

V型絕緣子串在輸電線路中應(yīng)用普遍，多用來(lái)限制絕緣子串?dāng)[動(dòng)，防止輸電線路因風(fēng)偏閃絡(luò)而造成跳閘事故[5-7].把V型絕緣子串中每支絕緣子串看作均布荷載的剛體直棒，并且不考慮絕緣子串之間風(fēng)壓的屏蔽作用[8-9]，其受力分析情況如圖1所示.

由圖1可得

(1)

式中:Ta—A側(cè)絕緣子串所受作用力(N)，數(shù)值為正值時(shí)表示絕緣子串受拉，反之指受壓；Tb—B側(cè)絕緣子串所受作用力(N)，數(shù)值為正值時(shí)表示絕緣子串受拉，反之指受壓；GV—作用在V型絕緣子串上的導(dǎo)線垂直荷載(N)；FD—作用在V型絕緣子串上的導(dǎo)線水平荷載(N)；Gj—V型絕緣子串單支絕緣子串荷重(N);FD=PLh,P為導(dǎo)線風(fēng)荷載(N/m)，Lh為水平檔距(m)；GD=WLV，W為導(dǎo)線自重加冰重荷載(N/m),LV為垂直檔距(m)；Fj—V型絕緣子串上的單支絕緣子風(fēng)壓(N),其計(jì)算公式為

(2)

式中：A1為絕緣子串受風(fēng)面積，取0.03 m2，v為設(shè)計(jì)采用風(fēng)速(m/s)，則桿塔Kv值計(jì)算公式為

(3)

則由式(1)～(3)編輯程序并計(jì)算可得各參數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系.

某線路導(dǎo)線采用LGJ-240/30型鋼芯鋁絞線，覆冰10 mm，V型絕緣子串夾角為110°，桿塔Kv值取1，水平檔距分別取300 m，350 m，400 m，450 m，A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系見(jiàn)圖2.由圖2可知，水平檔距為300～450 m時(shí)，V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串受壓時(shí)的風(fēng)速大致一致為31 m/s.

當(dāng)水平檔距取400 m、桿塔Kv值分別取0.85，0.90，0.95，1.00,其他參數(shù)不變時(shí)，A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系見(jiàn)圖3.由圖3可知，V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串受壓時(shí)的風(fēng)速分別為Kv值=0.85時(shí)，風(fēng)速為28.7 m/s；Kv值=0.90時(shí)，風(fēng)速為29.5 m/s；Kv值=0.95時(shí)，風(fēng)速為30.2 m/s；Kv值=1.00時(shí)，風(fēng)速為31 m/s.

圖2 水平檔距變化時(shí)A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系Fig.2 The relationship of A branch insulator string stress varies with wind speed change when horizontal span change

圖3 桿塔Kv值變化時(shí)A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系Fig.3 The relationship of A branch insulator string stressvaries with wind speed change when Kv value change

當(dāng)水平檔距取400 m、桿塔Kv值取1.00時(shí)，V型絕緣子串夾角2α分別取90°，95°，100°，105°，110°，A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系見(jiàn)圖4.由圖4可知，V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串受壓時(shí)的風(fēng)速分別為2α=90°時(shí)，風(fēng)速為26 m/s；2α=95°時(shí)，風(fēng)速為27.1 m/s；2α=100°時(shí)，風(fēng)速為28.4 m/s；2α=105°時(shí)，風(fēng)速為29.6 m/s；2α=110°時(shí)，風(fēng)速為31 m/s.

當(dāng)水平檔距取400 m、桿塔Kv值取1.00時(shí)，V型絕緣子串夾角2α取110°、覆冰取10 mm、導(dǎo)線型號(hào)分別取LGJ-300/25，LGJ-400/35和LGJ-630/45，A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系見(jiàn)圖5.由圖5可知，V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串受壓時(shí)的風(fēng)速如下：當(dāng)導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-300/25時(shí)，風(fēng)速為31.6 m/s；當(dāng)導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-400/35時(shí)，風(fēng)速為31.1 m/s；當(dāng)導(dǎo)線為L(zhǎng)GJ-400/35時(shí)，風(fēng)速為30.1 m/s.

圖4 V型串夾角變化時(shí)A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系Fig.4 The relationship of A branch insulator string stress varies with wind speed change when the angle of V-type insulator string change

圖5 導(dǎo)線型號(hào)變化時(shí)A肢絕緣子串受力隨風(fēng)速變化的關(guān)系Fig.5 The relationship of A branch insulator string stress varies with wind speed change when wire type change

由以上分析可知，在輸電線路或金具串的某一參數(shù)變化時(shí)，V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串受壓時(shí)的風(fēng)速不超過(guò)32 m/s.若風(fēng)速超過(guò)32 m/s,V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間受壓造成絕緣子球頭與碗頭掛板相互擠壓，致使碗頭掛板中的R型銷(xiāo)磨損或變形，最終導(dǎo)致R型銷(xiāo)失去對(duì)球頭的限位作用，造成導(dǎo)線脫位，所以V型絕緣子串不宜用于風(fēng)速超過(guò)32 m/s地區(qū)的輸電線路.

2 采用下方防風(fēng)橫擔(dān)防風(fēng)方案分析

以往新疆大風(fēng)區(qū)輸電線路采取的防風(fēng)措施是用防風(fēng)拉線對(duì)懸垂串進(jìn)行固定，從而達(dá)到抑制懸垂絕緣子串風(fēng)偏，這種防風(fēng)措施是通過(guò)鋼絞線、拉線金具和拉線棒將防風(fēng)拉線的另一端固定在地面上.這種防風(fēng)措施的缺點(diǎn)一是增加了占地面積，特別是農(nóng)田地域，不利于農(nóng)民耕作；二是防風(fēng)拉線距離地面近的部分容易受到外力破壞而失去防風(fēng)功能，還有可能造成安全隱患.

圖6 采用防風(fēng)橫擔(dān)防風(fēng)方案受力分析示意圖Fig.6 Stress analysis diagram of wind cross arm

目前，新建的大風(fēng)區(qū)輸電線路多采用防風(fēng)橫擔(dān)對(duì)懸垂絕緣子串打拉線進(jìn)行防風(fēng)，即設(shè)計(jì)鐵塔時(shí)，在導(dǎo)線橫擔(dān)下方設(shè)計(jì)防風(fēng)橫擔(dān)，將懸垂絕緣子串通過(guò)防風(fēng)絕緣子串或防風(fēng)拉線固定于防風(fēng)橫擔(dān)上，從而抑制懸垂絕緣子串風(fēng)偏.采用防風(fēng)橫擔(dān)的防風(fēng)措施示意圖見(jiàn)圖6.假設(shè)懸垂絕緣子串和防風(fēng)絕緣子串均為剛性直棒，忽略金具之間的軟連接，那么當(dāng)導(dǎo)線受到大風(fēng)作用時(shí)，絕緣子串受力如圖6(a)所示.由于懸垂絕緣子串和防風(fēng)絕緣子串均為剛性直棒，兩者均不隨大風(fēng)發(fā)生偏移，防風(fēng)絕緣子串只受彎扭荷載，不受拉力.在大風(fēng)作用下，懸垂絕緣子串和防風(fēng)絕緣子串會(huì)順風(fēng)方向偏移一個(gè)很小的角度φ.假設(shè)懸垂絕緣子串的長(zhǎng)度和防風(fēng)絕緣子串相等，則絕緣子串的受力如圖6(b)所示.

由圖6(b)可得

(4)

式中：φ為絕緣子串偏角(°)，F(xiàn)x為導(dǎo)線絕緣子串受拉力(kN)，F(xiàn)l為防風(fēng)絕緣子串所受拉力(kN)，其余參數(shù)意義同上.

導(dǎo)線型號(hào)取LGJ-300/25型鋼芯鋁絞線，覆冰取10 mm，桿塔Kv值取1.0，水平檔距取400 m，絕緣子串偏角取2°，3°，4°，5°.根據(jù)公式(4)計(jì)算可得如表1和表2的結(jié)果.

表1 絕緣子串偏角變化時(shí)導(dǎo)線絕緣子串所受拉力與風(fēng)速的變化關(guān)系Tab.1 The relationship with the pull of wire insulator string and wind speed when the angle of insulator string change

表2 絕緣子串偏角變化時(shí)防風(fēng)絕緣子所受拉力與風(fēng)速的變化關(guān)系Tab.2 The relationship with the pull of windproof insulatorstring and wind speed when the angle of insulator string change

由表1和表2可知，無(wú)論是懸垂絕緣子串還是防風(fēng)絕緣子串，所受拉力在風(fēng)速不變時(shí)均隨絕緣子串偏角的增加而減少；在絕緣子允許偏角不變時(shí)，絕緣子串所受拉力隨風(fēng)速的增加而增加.無(wú)論何種情況，懸垂絕緣子串所受拉力與防風(fēng)絕緣子串所受拉力的差值是一定的.

圖7 大風(fēng)區(qū)運(yùn)行的線路Fig.7 Operational transmission line in strong wind area

綜合考慮工程實(shí)際采用的絕緣子的荷載及工程中風(fēng)速的取值，可以確定采用下方防風(fēng)橫擔(dān)方案時(shí)絕緣子串的偏角值φ，該防風(fēng)方案適用于新建的大風(fēng)區(qū)輸電線路.新建的華能托克遜白楊河風(fēng)電場(chǎng)三期送出線路位于吐魯番小草湖三十里風(fēng)區(qū)，風(fēng)速設(shè)計(jì)值為40 m/s,工程直線塔防風(fēng)措施采用下方防風(fēng)橫擔(dān)方案，近兩年來(lái)運(yùn)行良好，見(jiàn)圖7.

3 采用防風(fēng)偏絕緣子防風(fēng)方案分析

新疆大風(fēng)區(qū)的災(zāi)害性大風(fēng)經(jīng)常會(huì)造成該地區(qū)110 kV和220 kV輸電線路引流跳線風(fēng)偏閃絡(luò)[10].目前，跳線串常采取加裝重錘片的方式來(lái)抑制風(fēng)偏，但這種防風(fēng)措施在大風(fēng)區(qū)效果欠佳，采用防風(fēng)偏絕緣子可有效解決大風(fēng)區(qū)跳線的風(fēng)偏閃絡(luò)問(wèn)題.

防風(fēng)偏絕緣子是采用有機(jī)高分子聚合絕緣材料制造的新型絕緣子，由芯棒(內(nèi)絕緣)、傘群護(hù)套(外絕緣)、端部金具及附件組成.芯棒一般采用環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維棒，抗拉強(qiáng)度高于1 100 MPa，具有良好的抗撓動(dòng)和抗疲勞性，可承受復(fù)合絕緣子的機(jī)械負(fù)荷.傘裙護(hù)套由高分子有機(jī)復(fù)合材料(高溫硫化硅橡膠)組成，附著在芯棒外，保護(hù)內(nèi)絕緣并提供足夠的爬電距離.通用設(shè)計(jì)絕緣子串金具中第一金具多采用UB掛板或EBS掛板與鐵塔連接，部分鐵塔采用的連接方式為U型螺栓.根據(jù)掛點(diǎn)形式的不同，防風(fēng)偏復(fù)合絕緣子與鐵塔主要有兩種連接方式：螺栓連接型(兩螺栓或四螺栓)和單孔支座連接型，見(jiàn)圖8.某個(gè)位于新疆三十里風(fēng)區(qū)的輸電線路應(yīng)用防風(fēng)偏絕緣子的情況見(jiàn)圖9.

圖8 防風(fēng)偏絕緣子Fig.8 Windproof insulator

圖9 大風(fēng)區(qū)應(yīng)用防風(fēng)偏絕緣子的輸電線路Fig.9 The application of windproof insulator on transmission line in strong wind area

大風(fēng)區(qū)直線塔懸垂絕緣子串所受水平風(fēng)荷載較大，考慮到目前防風(fēng)偏絕緣子芯棒材料還不能承受較大的彎曲負(fù)荷，故目前防風(fēng)偏絕緣子不宜用于大風(fēng)區(qū)直線塔懸垂串.

4 結(jié)論

(1)在風(fēng)速超過(guò)32 m/s時(shí),V型絕緣子串背風(fēng)側(cè)A肢絕緣子串會(huì)長(zhǎng)時(shí)間受壓，壓力使R型銷(xiāo)失去對(duì)球頭的限位作用，造成導(dǎo)線脫位，所以V型絕緣子串不宜用于風(fēng)速超過(guò)32 m/s地區(qū)的輸電線路.

(2)采用下方防風(fēng)橫擔(dān)方案時(shí)，綜合考慮防風(fēng)橫擔(dān)承受拉線絕緣子串拉力的限值及絕緣子荷載等因素，可以確定絕緣子串的偏角φ的值，該防風(fēng)方案宜使用于新建的大風(fēng)區(qū)輸電線路.

(3)防風(fēng)偏絕緣子可有效解決大風(fēng)區(qū)引流跳線的風(fēng)偏問(wèn)題，但目前在大風(fēng)區(qū)直線塔懸垂串中的應(yīng)用尚不成熟.

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Analysis and study of transmission line windproof measures in Xinjiang strong wind area

SHAO Junnan1,WEI Chong1,WANG Yan2

(1.HenanElectricPowerSurveyandDesignInstitute,Zhengzhou450007,China; 2.SchoolofElectricandInformationEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)

Due to the special topography and meteorological conditions,there are many strong wind regions in Xinjiang,the wind yaw flashover phenomenon of transmission line is quite often in strong winds area,wind yaw tripping rate is higher than the national average，strong winds was the main reason of wind yaw flashover. So it is necessary that the transmission lines in strong wind areas should take corresponding windproof measures. In this paper,combining with Xinjiang wind area factors such as wind speed and the transmission line parameters,the V-type insulator string wind cross arm and windproof insulator and several wind protection schemes are analyzed and compared. It is concluded that the characteristics of various wind protection and the applicable range are obtained,which could provide guidings to the strong wind area transmission line design.

strong wind area; windproof measures; stress analysis

2016-06-13

邵俊楠(1981-)，男，河南淮陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事高壓輸電線路的設(shè)計(jì)與輸電線路防災(zāi)減災(zāi)方面的研究.

TM75

A

1674-330X(2016)04-0045-04