一種用于輸電線路的防風(fēng)偏柔性控制裝置

吳 睿，黃 健，葉 超

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230601)

一種用于輸電線路的防風(fēng)偏柔性控制裝置

吳 睿，黃 健，葉 超

(中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽省電力設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230601)

本文介紹的防風(fēng)偏柔性控制裝置是一種抑制架空輸電線路直線塔導(dǎo)線懸垂絕緣子串風(fēng)偏，避免導(dǎo)致電氣間隙不夠而引起跳閘事故的控制裝置。通過對其構(gòu)件組成及工作原理的描述，可知該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、效果顯著、成本低廉的特點，是一種切實可行的線路防風(fēng)偏措施。

輸電線路；風(fēng)偏；柔性控制；颮線風(fēng)。

近年來，隨著環(huán)境氣候的持續(xù)變化，極端局部強(qiáng)對流天氣在我省境內(nèi)時有出現(xiàn)，多次造成輸電線路風(fēng)偏跳閘事故，對電網(wǎng)安全運行造成一定的影響。歷次風(fēng)偏跳閘分析結(jié)果表明，線路大多是在局部颮線風(fēng)作用下發(fā)生工頻閃絡(luò)。颮線風(fēng)是一種在雷雨季節(jié)出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象，其特點是范圍小，持續(xù)時間短，破壞力強(qiáng)，氣象臺站往往沒有直接觀測記錄，加之上述風(fēng)偏跳閘的同時并未發(fā)生桿塔結(jié)構(gòu)破壞事故，故直接提高線路設(shè)計基本風(fēng)速的支撐性依據(jù)不足。因此，如何解決已投運線路風(fēng)偏跳閘問題是運行及設(shè)計單位面臨的課題。

1 常規(guī)防風(fēng)偏措施

目前，國內(nèi)常用的輸電線路防風(fēng)偏措施有以下幾種：加裝重錘、更換橫擔(dān)、更換桿塔，各種措施的優(yōu)缺點大致如下。

1.1 加裝重錘

在直線塔懸垂絕緣子串上加裝重錘是一種較為常用的防風(fēng)偏治理措施，通過增加絕緣子串的重量，減小導(dǎo)線在大風(fēng)情況下的偏移，該措施的優(yōu)點是簡單易行，施工方便，缺點是配重有限，抑制導(dǎo)線風(fēng)偏的效果不是很好。例如，對于使用4分裂LJG－400/35導(dǎo)線的500kV線路，即使在改用雙聯(lián)懸垂串的情況下，最大配重也只能達(dá)到480kg(24片重錘)，大約僅相當(dāng)于導(dǎo)線垂直荷載的16%，故效果有限。導(dǎo)線規(guī)格越大，分裂數(shù)越多，加裝重錘抑制風(fēng)偏的效果越差。

對于220kV及以下電壓等級的線路而言，由于懸垂絕緣子串上沒有500kV線路上的懸垂聯(lián)板，加裝重錘只能通過加掛重錘座的方式，相當(dāng)于增加了串長，從而減小了空氣間隙，對線路運行可能產(chǎn)生不利影響，因此，在220kV及以下線路上加裝重錘受到更多限制。

1.2 更換橫擔(dān)

對原有鐵塔進(jìn)行導(dǎo)線橫擔(dān)加長改造也是一種治理風(fēng)偏的措施，該措施的優(yōu)點是直接費用不高，效果也不錯，缺點是改造施工停電時間長，防雷保護(hù)角變大，抗斷線荷載能力降低等。

1.3 更換桿塔

將原線路“I”串鐵塔更換為三相“V”串鐵塔的方式應(yīng)該說是最徹底有效的治理措施，但如大范圍進(jìn)行更換，則費用太大，施工工期長，因此，只能局部使用。

我公司經(jīng)反復(fù)分析比較，創(chuàng)新提出在原線路上加裝“防風(fēng)偏柔性控制裝置”的治理方案，該裝置無需改變桿塔結(jié)構(gòu)，可直接在導(dǎo)線水平排列的單回路導(dǎo)線絕緣子串下端加裝，是一種切實可行、防風(fēng)偏效果好的治理方案。

2 組件構(gòu)成

防風(fēng)偏柔性控制裝置由下拉絕緣子串、拉線和控制裝置等三部分組件構(gòu)成。

下拉絕緣子串采用復(fù)合絕緣子，上端通過U型掛環(huán)與懸垂串聯(lián)板連接，下端通過NUT型線夾與拉線連接。

拉線采用鍍鋅鋼絞線，上端由NUT型線夾與下拉絕緣子串連接，下端由NUT型線夾與拉棒連接。

控制裝置由底座、荷重塊、支撐架、護(hù)筒、橫撐等構(gòu)件組成，起到控制導(dǎo)線懸垂絕緣子串最大風(fēng)偏角的作用，見圖1。底座和荷重塊均可采用混凝土預(yù)制，其中荷重塊底部距地保持一定距離，底座直接安放在平整的地面上。其余構(gòu)件均采用 及以上鋼材，并熱浸鍍鋅。

圖1 控制裝置組裝圖

3 工作原理

防風(fēng)偏柔性控制裝置是通過合理設(shè)置拉線允許活動范圍、控制裝置總重，使得該裝置既能起到控制導(dǎo)線絕緣子串最大風(fēng)偏角的作用，又能避免拉線系統(tǒng)產(chǎn)生的附加荷載過大，造成導(dǎo)線橫擔(dān)破壞。

無風(fēng)時，由于拉棒下端荷重塊的作用，拉棒和上部的拉線等均垂直于地面。

有風(fēng)時，風(fēng)荷載作用于導(dǎo)線系統(tǒng)，拉線產(chǎn)生向上拉力，荷重塊向上運動，導(dǎo)線懸垂絕緣子串產(chǎn)生偏移。風(fēng)荷載加大，偏移量隨之加大，當(dāng)偏移量達(dá)到控制值時，制動板與護(hù)筒底部相碰，此時，底座的重量開始作用在拉線上，阻止絕緣子串繼續(xù)偏移。當(dāng)風(fēng)力減小或停止時，拉棒和拉線在荷重塊的重力作用下恢復(fù)原位。當(dāng)風(fēng)速超過某一數(shù)值時，導(dǎo)致拉力大于整個控制裝置的重力，控制裝置將發(fā)生位移，使得拉線系統(tǒng)附加荷載不再增大，以避免對鐵塔橫擔(dān)造成破壞。

3.1 制動板與護(hù)筒底端距離(“拉線允許活動范圍”)

如拉線與地面直接固定，則在風(fēng)荷載作用下，由于導(dǎo)線絕緣子串無法產(chǎn)生偏移，導(dǎo)線系統(tǒng)和拉線系統(tǒng)均不能產(chǎn)生水平力來平衡水平風(fēng)荷載，理論上講，絕緣子串和拉線受力將趨向無窮大。因此，在大風(fēng)情況下，必須允許導(dǎo)線懸垂絕緣子串產(chǎn)生一定的風(fēng)偏角α，見圖2，使得導(dǎo)線系統(tǒng)能夠產(chǎn)生水平力來平衡水平風(fēng)荷載，不足部分再由拉線系統(tǒng)承擔(dān)?？刂骑L(fēng)偏角α取值過小，水平風(fēng)荷載將主要由拉線系統(tǒng)來平衡，拉線系統(tǒng)產(chǎn)生的附加荷載很大，可能危及導(dǎo)線橫擔(dān)安全。

在裝置設(shè)計中，通過計算，合理確定拉線允許活動范圍，從而確定控制風(fēng)偏角α。具體實現(xiàn)方法為在拉棒上設(shè)置制動板，制動板與護(hù)筒底端的距離即為拉線允許活動范圍，見圖1。

根據(jù)余弦定理，可計算出拉線允許活動范圍，即調(diào)節(jié)長度，計算公式如下：

式中：H為導(dǎo)線橫擔(dān)高度(m)；λ為懸垂絕緣子串長度 (m)；α為控制風(fēng)偏角 (° )； ΔL為拉線允許活動范圍(m)。

例如，我省境內(nèi)500kV平肥5302線上所用拉線“V”型塔，其導(dǎo)線橫擔(dān)高度H為33.0 m，懸垂絕緣子串長度λ為5.0 m。通過作圖法可得出，其最大允許風(fēng)偏角為41.0°，控制風(fēng)偏角α應(yīng)小于導(dǎo)線懸垂串最大允許風(fēng)偏角，并留有一定裕度，如取為30°，通過計算，拉線允許活動范圍，即調(diào)節(jié)長度 為0.78 m。

圖2 靜止、大風(fēng)狀態(tài)絕緣子串及拉線位置

3.2 控制裝置配重

控制裝置配重的原則：在大風(fēng)作用下，既能最大限度地起到抑制導(dǎo)線懸垂絕緣子串風(fēng)偏的作用，又能控制拉線系統(tǒng)附加荷載，保證不因附加荷載過大，危及導(dǎo)線橫擔(dān)結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)圖3作用力分解，可得出以下算式：

圖3 作用力分解圖

式中：F串為懸垂絕緣子串受力(N)；F拉線為拉線受力(N)；G導(dǎo)線為導(dǎo)線垂直荷重(N)；F大風(fēng)為大風(fēng)水平作用力(N)；α為控制風(fēng)偏角 (° )；β為拉線偏角 (° )。

實際設(shè)計時，控制風(fēng)偏角α為已知假定值，根據(jù)圖5可知，在橫擔(dān)高度H和懸垂絕緣子串長度λ確定的情況下，可求出拉線偏角β。F串不應(yīng)超過橫擔(dān)結(jié)構(gòu)破壞強(qiáng)度，為另一假定控制值。G導(dǎo)線可根據(jù)具體線路導(dǎo)線參數(shù)和桿塔實際使用條件計算。因此，根據(jù)公式(2)可求出，F(xiàn)拉線和F大風(fēng)，F(xiàn)拉線即為控制裝置的配重，根據(jù)F大風(fēng)可反推出風(fēng)速值，即控制裝置在達(dá)到該風(fēng)速值時，將發(fā)生整體位移。

例如，500kV平肥5302線采用4分裂LGJQ－400輕型鋼芯鋁絞線，計算鐵塔橫擔(dān)高度H為33.0 m，懸垂絕緣子串長度λ為5.0 m，水平檔距為450 m，垂直檔距為500 m，當(dāng)控制風(fēng)偏角取30°時，拉線偏角β為4.98°，按導(dǎo)線橫擔(dān)荷載能力確定，F(xiàn)串取50000 N。經(jīng)計算，F(xiàn)拉線為15654 N，F(xiàn)大風(fēng)為26364 N，即控制裝置總配重可取為1600 kg左右，當(dāng)風(fēng)速超過32.5 m/s(校核風(fēng)壓不均勻系數(shù)取0.75)時，整個控制裝置將會被拉動；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到55.4 m/s時，導(dǎo)線絕緣子串風(fēng)偏角達(dá)到最大允許值41°，也就是說，該裝置理論抗風(fēng)偏能力可達(dá)到55.4 m/s的水平。

4 適用范圍

該裝置是在我省單回500kV輸電線路中開發(fā)出來的一種新型防風(fēng)偏控制裝置，通過一定的改進(jìn)，同樣可以用于單回220kV線路中。但由于該裝置上端與導(dǎo)線懸垂絕緣子串相連接，下端置于地面，因此，不適用于導(dǎo)線垂直排列的雙回線路的中相和上相。

另外，由于該裝置放置于地面，線路運行人員需加強(qiáng)巡視，防止其遭外力破壞。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的線路防風(fēng)偏柔性控制裝置，該裝置將配重設(shè)置在地面，因而能大幅度提高配重設(shè)計重量，使得其防風(fēng)偏能力顯著提高；該裝置通過組合配重，巧妙地實現(xiàn)了抑制導(dǎo)線絕緣子串風(fēng)偏和控制桿塔垂直荷載的完美結(jié)合；該裝置的主要配重(底座)只有在導(dǎo)線絕緣子串風(fēng)偏角超過設(shè)定值時才對桿塔產(chǎn)生作用，在覆冰等垂直荷載較大的工況，并不額外增加桿塔垂直荷載，即利用合理的配重組合，可將荷載控制在原設(shè)計允許范圍內(nèi)，因此，增加該裝置并不影響桿塔結(jié)構(gòu)安全。

通過設(shè)置拉線組件的活動范圍、控制配重的總重等措施，使得該裝置既能起到控制導(dǎo)線絕緣子串最大風(fēng)偏角的作用，又能避免拉線組件產(chǎn)生的附加荷載過大，造成導(dǎo)線橫擔(dān)損壞，是一種切實可行的線路防風(fēng)偏措施。較常規(guī)的加裝重錘措施效果更為顯著，較直接更換橫擔(dān)或鐵塔的措施更為經(jīng)濟(jì)，且施工方便，停電時間短。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(第二版)[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2]GB 50545—2010，110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[S].

A Flexible Control Device Preventing Wind for Transmission Line

WU Rui,HUANG Jian,YE Chao
(China Energy Engineering Group Anhui Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Hefei 230601,China)

This article described a flexible control equipment to restrain offset caused by gale. It is a device used for an overhead transmission line to suppress slant of hanging insulator strings on linear tower,and avoiding discharge accidents caused by insufficient clearance. By describing its member composition and working principle,we can see that the device has a simple structure and low cost,the effect is significant. It's a practical measure to restrain wind offset for transmission line.

transmission line; offset caused by gale; flexible control; squall wind.

TM75

A

1671-9913(2017)05-0049-04

2016-03-10

吳睿(1980- )，男，安徽人，高級工程師，從事電力線路設(shè)計工作。