500 kV同塔雙回線路抗冰能力分析及防治措施研究

牛 彪，任建峰，米康民

（國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

500 kV同塔雙回線路抗冰能力分析及防治措施研究

牛 彪，任建峰，米康民

（國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

500 kV輸電線路是國家“西電東送”戰(zhàn)略的重要輸電通道，然而受山西地理條件制約，發(fā)生多起覆冰故障，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重挑戰(zhàn)。根據(jù)國家有關(guān)規(guī)程，對山西500 kV同塔雙回線路進(jìn)行覆冰計算，同時對實(shí)際導(dǎo)線進(jìn)行覆冰分析，并提出相應(yīng)防冰措施，以提升電網(wǎng)整體防冰能力。

輸電線路；抗冰；分析計算；改造措施

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，輸變電設(shè)備電壓等級不斷提升，目前，山西電網(wǎng)已形成500 kV輸電線路為主網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的高壓交、直流混合電網(wǎng)。同時，由于500 kV多條輸電通道是京、津、唐電網(wǎng)的重要電源，具有極其重要的政治和經(jīng)濟(jì)地位。然而在“西電東送”的戰(zhàn)略格局下，500 kV輸電走廊必然得通過呂梁山區(qū)和太行山區(qū)，山區(qū)地理情況復(fù)雜，微氣象環(huán)境惡劣，導(dǎo)致山西省發(fā)生多起500 kV輸電線路覆冰故障，嚴(yán)重危機(jī)到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

其中，同塔雙回線路受覆冰跳閘影響最為嚴(yán)重，電力大規(guī)模損失和負(fù)荷大范圍轉(zhuǎn)移嚴(yán)重考驗電廠機(jī)組和電網(wǎng)調(diào)度能力。因此，對山西電網(wǎng)500 kV同塔雙回線路進(jìn)行專題覆冰分析，根據(jù)國家有關(guān)規(guī)程，對導(dǎo)地線覆冰過載、覆冰距離、不平衡張力差和脫冰跳躍4個方面進(jìn)行模擬計算，同時對實(shí)際線路應(yīng)用計算，根據(jù)計算結(jié)果給出相應(yīng)的防冰措施，能有效提高電網(wǎng)整體防冰能力。

1 抗冰分析原則

1.1 線路覆冰特點(diǎn)

近年來山西境內(nèi)500 kV故障線路覆冰特點(diǎn)如下。

a)山西北部線路易覆冰期溫度-10～-5℃，南部線路易覆冰期溫度-5～2℃。

b)北部線路氣溫低，融冰緩慢，覆冰較重，較少在融冰時發(fā)生脫冰跳躍閃絡(luò)，應(yīng)重點(diǎn)分析導(dǎo)地線覆冰接近問題。

c)中南部線路氣溫高，融冰較快，覆冰較輕，較少發(fā)生覆冰導(dǎo)地線間接近閃絡(luò)，應(yīng)重點(diǎn)分析融冰時脫冰跳躍問題。

1.2 抗冰計算要求

根據(jù)《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DLT5440—2009） 第10.0.1規(guī)定：導(dǎo)線與導(dǎo)線（地線）靜態(tài)接近距離不應(yīng)小于操作過電壓間隙值（擋距中導(dǎo)線對地線2.7 m、擋距中相間4.6 m），動態(tài)接近距離不應(yīng)小于工頻電壓的間隙值（擋距中導(dǎo)線對地線1.3 m、擋距中相間2.2 m）。

2 線路抗冰分析方法

2.1 導(dǎo)地線覆冰過載

在覆冰工況下，導(dǎo)地應(yīng)力不應(yīng)超過最大使用應(yīng)力，過載能力是指導(dǎo)線應(yīng)力超出規(guī)程規(guī)定而達(dá)到70%的破壞應(yīng)力，一般用允許覆冰厚度來表示，允許覆冰厚度越厚，導(dǎo)地線允許的過載能力越強(qiáng)。

從導(dǎo)線狀態(tài)方程式和比載計算公式推導(dǎo)計算導(dǎo)線最大過載冰厚，當(dāng)最大使用應(yīng)力出現(xiàn)在最大比載時tm=t，由（1）、（2）式計算覆冰比載，由（3）式計算過載冰厚。

式中：l、g1——規(guī)律擋距和導(dǎo)線自重比載，m、Nm·mm-2；

b、S——覆冰厚度和導(dǎo)線截面，mm·mm-2；

σm、σ——已知及待求應(yīng)力，N·mm-2；gm、g——已知及待求應(yīng)力，Nm·mm-2；tm、t——已知及待求應(yīng)力，℃；

E、α——導(dǎo)線彈性系數(shù)及溫度系數(shù)，N·mm-2、1/℃。

2.2 導(dǎo)地線覆冰距離

由于導(dǎo)地線彈性伸長系數(shù)、電線比載、覆冰程度、最大使用應(yīng)力等參數(shù)特性不同，導(dǎo)致覆冰時導(dǎo)地線弧垂變化不同，特別是光纖復(fù)合架空地線 OPGW(optical fiber composite overhead ground wire)光纜彈性模量E較小，其覆冰后弧垂較鍍鋅鋼絞線下降更大，導(dǎo)致OPGW光纜與導(dǎo)線間隙更小發(fā)生短路故障。為此由式（4）對不同導(dǎo)電率的OPGW弧垂和導(dǎo)線弧垂進(jìn)行了計算[1-2]。

f、g分別為導(dǎo)地線弧垂和高差角：m，（°）。

2.3 覆冰不平衡張力

因擋距或高差不等或各擋覆冰程度不同，會引起各擋導(dǎo)地線的水平應(yīng)力發(fā)生變化，使直線塔上出現(xiàn)縱向覆冰不平衡張力，嚴(yán)重時會造成桿塔受損和倒塔事故。因此需分析線路桿塔覆冰不平衡張力，避免造成倒塔事故。由式（5）計算耐張段第一擋導(dǎo)線線長，并由式（6）反算擋距，由式（7）計算下一擋張力差和導(dǎo)線應(yīng)力，至最后一擋板。直到累計擋距等于實(shí)際擋距為止，得出每擋不平衡張力，然后校核每基塔在不平衡張力條件下受力情況[3]。

L、Lc、l、Δl分別為導(dǎo)線線長、懸垂絕緣子串長、擋距、擋距變化量，單位均為m。

Th、Tv、Tc分別為導(dǎo)線張力差、導(dǎo)線垂直荷載、絕緣子重量，單位均為N。

2.4 脫冰跳躍

溫度回升覆冰導(dǎo)線會自動脫冰，在脫冰時導(dǎo)線會產(chǎn)生跳躍性的劇烈運(yùn)動，覆冰狀態(tài)下的導(dǎo)地線張力彈性勢能轉(zhuǎn)化為脫冰后導(dǎo)線的動能，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為重力勢能，從而使導(dǎo)線跳起，臨相導(dǎo)線間隙減小，造成導(dǎo)線間或?qū)У鼐€間閃絡(luò)跳閘等故障，由經(jīng)驗公式（8） 計算跳躍幅值[4]。

H為跳躍幅值，l為擋距，Δf為覆冰前后弧垂差，Dv為導(dǎo)線間或?qū)У鼐€間距離。

3 抗冰分析實(shí)例

500 kV軒忻雙回線7—25號處于軒崗云中山連續(xù)上山區(qū)段，地形起伏較大，大部分塔基為孤山梁，順線路方向地形陡峭，線路海拔高度由1 300 m變?yōu)? 923 m。經(jīng)對故障原因、實(shí)際冰厚、線路走向、地形地貌、海拔高差等進(jìn)行綜合分析，確定對該區(qū)段線路進(jìn)行抗冰分析。

3.1 導(dǎo)地線覆冰過載

對該線路使用導(dǎo)地線型號進(jìn)行分析計算，采用的LGJ-400/35鋼芯鋁絞線、GJ-80鍍鋅鋼絞線、OPGW光纜覆冰過載能力滿足要求。計算結(jié)果如表1所示。

3.2 導(dǎo)地線覆冰距離

導(dǎo)線覆冰25 mm，地線覆冰30 mm，風(fēng)速10 m/s。驗算導(dǎo)、地線覆冰后的凈空距離，靜態(tài)接近距離不應(yīng)小于操作過電壓的間隙值2.7 m。計算結(jié)果如表2所示。

表1 500 kV軒忻雙回線導(dǎo)地線覆冰過載能力

表2 500 kV軒忻雙回線覆冰后導(dǎo)地線距離不滿足要求區(qū)段

3.3 桿塔覆冰荷載

對導(dǎo)地線斷線張力和不均勻覆冰縱向張力進(jìn)行分析，導(dǎo)線覆冰25 mm，地線覆冰30 mm。對5EG-SJC2、5EG-SZC2兩種常用塔型在新舊規(guī)程設(shè)計條件下進(jìn)行桿塔荷載校驗，應(yīng)力百分比接近1.5的桿件主要集中在直線塔、耐張塔橫擔(dān)主材等處。計算結(jié)果如表3、表4所示。

3.4 覆冰不平衡張力

經(jīng)對導(dǎo)、地線OPGW不均勻覆冰縱向張力進(jìn)行驗算，按照脫冰率75%進(jìn)行分析，計算結(jié)果如下。

導(dǎo)線不均勻覆冰縱向張力差，耐張塔相導(dǎo)線最小張力差84 760.8 N（13號、5EG-SJC1-30），最大張力差85 493.5 N（17號、5EG-SJC1-30）；直線塔相導(dǎo)線最小張力差 3 503.3 N（18號、5EG-SZC3-51），最大張力差69 236.2 N（23號、5EG-SZC4-51）。

OPGW光纜不均勻覆冰縱向張力差，耐張塔OPGW最小張力差20 720 N（13號、5EG-SJC1-30），最大張力差20 926.9 N（17號、5EG-SJC1-30）；直線塔OPGW最小張力差5 709.9 N（21號、5EG-SZC2-36），最大張力差20 491 N（23號、5EG-SZC4-51）。

表4 500 kV軒忻雙回線5EG-SZC2塔分析計算結(jié)果

3.5 脫冰跳躍

導(dǎo)線LGJ-400/35、覆冰15 mm、導(dǎo)線脫冰率50%，且下相導(dǎo)線脫冰，其他相導(dǎo)線和地線不脫冰。分析塔型為5E-SZC4，塔結(jié)構(gòu)尺寸，中下相導(dǎo)線垂直間距10.85 m、水平偏移1.7 m；導(dǎo)線采用4分裂，分裂間距為0.45 m。

對導(dǎo)線與地線、不同相導(dǎo)線間的最小間隙在工頻過電壓和操作過電壓下分別進(jìn)行修正。導(dǎo)線相間的工頻電壓空氣間隙值不小于2.4 m，考慮子導(dǎo)線分裂間距間隙取值3 m。計算結(jié)果如表5所示。

表5 500 kV雙回路塔脫冰跳躍相間距離

3.6 抗冰分析結(jié)論

a)500 kV軒忻雙回線15—25導(dǎo)線、OPGW光纜過載能力不足，其余線路區(qū)段均滿足要求。

b)在保證桿塔地線支架承受張力不變的條件下，鋁包鋼絞線導(dǎo)電率40%的OPGW光纜在分析覆冰情況下，覆冰區(qū)段光纜與導(dǎo)線距離不滿足要求。選擇鋁包鋼絞線導(dǎo)電率23%的OPGW光纜，經(jīng)分析在覆冰情況下，覆冰區(qū)段光纜與導(dǎo)線距離能滿足操作過電壓2.7 m的要求。

c)應(yīng)力百分比接近1.5的桿件主要集中在直線塔、耐張塔橫擔(dān)主材等處。

d)耐張塔、直線塔的導(dǎo)、地線最大張力差均略小于原桿塔設(shè)計張力差，已達(dá)到桿塔最大的設(shè)計荷載值，覆冰后縱向張力差最大為線路實(shí)際擋距相差最大的桿塔。

e）經(jīng)過計算，擋距超過600 m，脫冰率50%，相間導(dǎo)線脫冰跳躍距離不滿足要求。

3.7 抗冰改造措施

a)對覆冰倒塔斷線或覆冰嚴(yán)重的故障段，以觀冰數(shù)據(jù)為依據(jù)，按照冰區(qū)圖分界點(diǎn)上限值進(jìn)行改造。

b)對因架空地線、OPGW光纜嚴(yán)重覆冰引起弧垂下降，導(dǎo)致導(dǎo)地線凈空距離不足跳閘的區(qū)段，采取優(yōu)化OPGW光纜選型、增加地線支架水平偏移、提高地線金具強(qiáng)度和握著力等綜合措施進(jìn)行改造。

c)對存在發(fā)生相間導(dǎo)線脫冰跳躍的區(qū)段，采取雙回路改單回路、局部縮小擋距、安裝相間隔棒等方式改造。

d)當(dāng)重冰區(qū)直線塔兩側(cè)擋距比大于等于2.5倍，且擋距超過600 m時，經(jīng)校驗不平衡張力不滿足時，采取大擋距側(cè)增加桿塔或更換加強(qiáng)型塔的方式進(jìn)行改造。

4 結(jié)束語

本文從導(dǎo)地線覆冰過載能力、導(dǎo)地線覆冰距離、覆冰不平衡張力、覆冰桿塔荷載、脫冰跳躍等方面對500 kV線路典型桿塔進(jìn)行了全面細(xì)致的分析，并通過對實(shí)際運(yùn)行線路進(jìn)行計算得到500 kV軒忻雙回線抗冰薄弱環(huán)節(jié)，通過制定有針對性措施取得了良好效果。

[1] 張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊：第2版 [M].北京：中國電力出版社，2003.

[2] 邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計算：第2版 [M].北京：中國電力出版社，2003.

[3] 張子引，劉學(xué)軍.架空輸電線路連續(xù)擋不平衡張力計算 [J].電力建設(shè)，2009，30(5)：32-34.

[4] 侯鐳，王黎明.特高壓線路覆冰脫落跳躍的動力計算 [J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28（6）：1-4.

Anti-icing Ability Check and Control Measures of 500 kV Common-tower Double-circuit Transmission Lines

NIU Biao,REN Jianfeng,MI Kangmin
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China）

500 kV transmission lines are important transmission channels for the state's strategy of"West to East power transmission",however,due to the geographical conditions of Shanxi,a number of icing failures occur,which poses a serious challenge to the safe and stable operation of power grid.According to the relevant regulations of the state,the icing calculation of Shanxi 500 kV common-tower double-circuit transmission lines is carried out.Meanwhile,the icinganalysis ofthe actual conductor is carried out,and the correspondinganti-icingmeasures are put forward,which can improve the overall ice resistance ofthe power grid.

transmission lines;anti-icing;analysis calculation;transformation measures

TM752+.5

A

1671-0320（2017）04-0035-04

2017-04-28，

2017-05-12

牛 彪（1981），男，山西太原人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事輸電線路運(yùn)檢管理工作；

任建峰（1981），女，山西朔州人，2004年畢業(yè)于山西大學(xué)工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)設(shè)備改造管理工作；

米康民（1973），男，山西河津人，1994年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)高電壓設(shè)備及其絕緣技術(shù)專業(yè)，碩士，高級工程師，從事電網(wǎng)設(shè)備檢修管理工作。