重覆冰區(qū)特高壓輸電線路路徑選擇

李 京，劉文勛，李鐵鼎

(中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

重覆冰區(qū)特高壓輸電線路路徑選擇

李 京，劉文勛，李鐵鼎

(中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

特高壓輸電線路所經(jīng)過的路徑海拔高度、走向以及區(qū)域內(nèi)的微地形微氣象等條件，會(huì)對導(dǎo)地線覆冰情況產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過計(jì)算分析在重覆冰工況下，特高壓輸電線路的大高差、大檔距、大小檔以及耐張段長度對不平衡張力的影響，并分析了污穢對覆冰絕緣子串電氣性能和桿塔塔頭尺寸的影響。計(jì)算表明，重覆冰對特高壓輸電線路安全性和經(jīng)濟(jì)性的影響較高壓、超高壓線路更大。最后對特高壓輸電線路路徑的選擇提出了相應(yīng)的具體措施。

特高壓輸電線路路徑選擇；重覆冰；微地形微氣象；不平衡張力；絕緣子串污閃。

2008年我國南方大規(guī)模的冰災(zāi)給電網(wǎng)造成了巨大的損失，重覆冰對架空輸電線路，尤其是特高壓輸電線路的安全性帶來的挑戰(zhàn)不容忽視。特別是隨著我國“西電東送”等重大戰(zhàn)略的實(shí)施，特高壓線路越來越多，重覆冰所引起的問題越來越受人關(guān)注。

目前，《±800kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50790—2013)、《1000kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50665－2011)等特高壓輸電線路設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)已頒布，但上述標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于重覆冰區(qū)段特高壓線路設(shè)計(jì)的內(nèi)容還不夠完整和細(xì)致。目前已建、在建特高壓輸電線路重覆冰區(qū)設(shè)計(jì)均參照適用于超高壓線路的《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5440—2009)執(zhí)行，而由于特高壓線路具有電壓等級高、輸送容量大、導(dǎo)線分裂數(shù)多、桿塔荷載大等特點(diǎn)，與超高壓輸電線路設(shè)計(jì)又不盡相同。其在內(nèi)容深度和技術(shù)層面上均難以指導(dǎo)特高壓重覆冰線路的設(shè)計(jì)。

本論文從路徑選擇方面對重覆冰區(qū)特高壓交、直流輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)研究，為重覆冰特高壓輸電線路的設(shè)計(jì)提供合理意見。

1 地形對覆冰的影響

輸電線路的覆冰情況與微地形微氣象的分布有很大的關(guān)系。在一些區(qū)域內(nèi)的局部地段，由于地形、位置、坡向及溫度、濕度等出現(xiàn)特殊變化，有利于局部區(qū)域形成更為嚴(yán)重的覆冰。微地形微氣象大致可以劃分為以下類型：埡口型、高山分水嶺型、水汽增大型、地形抬升型、峽谷風(fēng)道型、高出于地區(qū)凝凍高度的地段以及在封閉低洼的盆形地區(qū)，可能形成局部沉積型覆冰的小氣候區(qū)。

通過比較部分觀冰站積冰厚度與海拔高度的關(guān)系，可以看出條件相同的地區(qū)，一般海拔高程越愈高，愈易覆冰，覆冰也愈厚。

導(dǎo)線覆冰與線路走向也有關(guān)。冬季覆冰天氣大多為北風(fēng)或西北風(fēng)，所以東西走向的導(dǎo)線覆冰普遍較南北走向的導(dǎo)線覆冰嚴(yán)重，而且容易產(chǎn)生不均勻覆冰，易誘發(fā)振動(dòng)或舞動(dòng)，從而增加桿塔負(fù)荷。因此，在嚴(yán)重覆冰地段選擇線路走廊時(shí)，應(yīng)盡量避免導(dǎo)線呈東西走向。

2 大高差、大檔距、大小檔的影響

特高壓線路電壓等級高、輸送容量大、導(dǎo)線分裂數(shù)多，桿塔荷載大，其重覆冰區(qū)域不均勻覆冰、斷線導(dǎo)致的桿塔兩側(cè)不平衡張力較高壓、超高壓線路更為嚴(yán)重。

2.1 大高差、大檔距的影響

30 mm、40 mm冰區(qū)不同檔距、高差情況下的不平衡張力計(jì)算結(jié)果見表1、表2。

從表1可以看出，當(dāng)高差為90 m時(shí)，檔距從500～1000 m變化，隨著檔距的增大，導(dǎo)線覆冰不平衡張力逐漸增大，1000 m大檔距的不平衡張力是500 m檔距時(shí)的2倍；當(dāng)檔距為900 m時(shí)，高差從50～100 m變化，隨著高差的遞增，不平衡張力從26.69%增加至29.31%，較檔距變化增幅較小。另外，30 mm重冰區(qū)檔距超過900 m，高差超過90 m時(shí)，桿塔覆冰不平衡張力超過29%，需要適當(dāng)加強(qiáng)桿塔提高抗冰能力。

表1 30 mm重冰區(qū)覆冰不平衡張力計(jì)算結(jié)果

表2 40 mm重冰區(qū)覆冰不平衡張力計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出，當(dāng)高差為50 m時(shí)，檔距從500～800 m變化，不平衡張力從25.9%增加到38.22%，增幅較大；當(dāng)檔距為600 m時(shí)，隨著高差的變化，不平衡張力增幅相對較小。另外，檔距超過600 m，高差超過60 m時(shí)，桿塔覆冰不平衡張力超過33%，需要適當(dāng)加強(qiáng)桿塔提高抗冰能力。

以上不平衡張力計(jì)算結(jié)果表明：檔距高差對桿塔的不平衡張力影響很大。重覆冰特高壓輸電線路應(yīng)該盡可能避免大檔距，大高差的出現(xiàn)。

2.2 耐張段長度及大小檔的影響

取特高壓輸電線路所經(jīng)重冰區(qū)的高差為90 m，覆冰厚度為30 mm,1500 m、2000 m、3000 m和4000 m不同耐張段長度、不同檔距分布(800 m/200 m大小檔和500 m平均檔距)情況下的不平衡張力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 30 mm重冰區(qū)覆冰不平衡張力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：耐張段長度及大小檔分布對桿塔不平衡張力影響很大。耐張段長度大于1500 m時(shí)，相同耐張段長度，500 m平均檔距分布時(shí)的不平衡張力較800 m/200 m大小檔分布時(shí)的不平衡張力小很多。

大小檔分布情況下，隨著耐張段長度的增加，不平衡張力增加，耐張段長度為1500 m時(shí)，為22.76%，耐張段長度為4000 m時(shí)，不平衡張力達(dá)到28.9%；然而，500 m平均檔距分布情況下，耐張段長度對不平衡張力的影響相對較小。

因此，在重覆冰特高壓線路設(shè)計(jì)時(shí)，因盡可能避免大小檔的發(fā)生。

2.3 典型斷面分析

選取浙北—福州1000kV特高壓交流線路工程(浙南—福州段)典型微地形斷面(圖1)進(jìn)行桿塔覆冰不平衡張力計(jì)算分析如下。

(1)當(dāng)設(shè)計(jì)覆冰為20 mm，導(dǎo)線采用8×JL/G1B—500/65，最大使用應(yīng)力103.7 MPa。以B46塔為界，前側(cè)覆冰取設(shè)計(jì)覆冰的100%，后側(cè)覆冰取設(shè)計(jì)覆冰的20%。計(jì)算結(jié)果見表4，最大不平衡張力為最大使用張力的17.1%，小于重覆冰規(guī)程的20%。

圖1 典型斷面圖

表4 典型斷面20 mm冰區(qū)不平衡張力計(jì)算結(jié)果

(2)當(dāng)設(shè)計(jì)覆冰為30 mm，導(dǎo)線采用8×JLHB2/G3B—500/45， 最 大 使 用 應(yīng) 力146.5 MPa。以B46塔為界，前側(cè)覆冰取設(shè)計(jì)覆冰的100%，后側(cè)覆冰取設(shè)計(jì)覆冰的20%，計(jì)算結(jié)果見表5，最大不平衡張力為最大使用張力的31.3%，大于重覆冰規(guī)程的29%。

以上計(jì)算結(jié)果表明：大檔距，大高差對桿塔兩側(cè)的不平衡張力影響很大，為了使桿塔設(shè)計(jì)更趨向于經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。重覆冰特高壓輸電線路路徑選擇時(shí)，應(yīng)該盡量避開大檔距大高差的地形區(qū)域。若因廊道受限必須經(jīng)過該地形區(qū)域，則必須加強(qiáng)桿塔提高抗冰能力。

表5 典型斷面30 mm冰區(qū)不平衡張力計(jì)算結(jié)果

3 污穢對重冰區(qū)特高壓輸電線路的影響

3.1 污穢對覆冰絕緣子閃絡(luò)電壓的影響

在重慶大學(xué)大型多功能人工氣候室，試驗(yàn)研究了25片XWP－210 型絕緣子I 型串在1000 m、2500 m、4000 m三種海拔高度下，鹽密 SDD 為 0.06 mg/cm2、0.1 mg/cm2兩種污穢條件下，覆冰水電導(dǎo)率 100 s/cm，覆冰厚度 20 mm 時(shí)的人工覆冰耐受特性，其試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 25 片 XWP－210 型絕緣子 I 型串人工覆冰耐受特性

絕緣子染污程度對交流覆冰 50%耐受電壓U50的影響絕緣子覆冰可看成是一種特殊型式的污穢。與交流污穢絕緣子50%耐受電壓受污穢程度的影響規(guī)律類似，交流染污覆冰絕緣子50%耐受電壓隨污穢程度的增加而下降，呈負(fù)指數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系，50%耐受電壓U50與覆冰前染污鹽密表面鹽密 SDD的關(guān)系可表示為：

式中：AS為系數(shù)，與絕緣子型式、材料、氣壓、電壓極性、覆冰狀態(tài)等有關(guān)；SDD 為鹽密 (mg/cm2)；b為鹽密 SDD 影響U50的特征指數(shù)，與絕緣子型式、氣壓、電壓極性等多種因素有關(guān)。將表6中的試驗(yàn)結(jié)果按式(1)進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖2，可得其AS、b及擬合相關(guān)系數(shù)的平方R2見表7。

圖2 XWP－210 絕緣子串交流覆冰50%耐受電壓U50與預(yù)染污鹽密SDD的關(guān)系

表7 試驗(yàn)結(jié)果按式(1)擬合得到的 As、b 值

根據(jù)圖2和表7可知：

(1)在覆冰厚度 20 mm、覆冰水電導(dǎo)率為100 s/cm條件下，25片的 I 型 XWP－210絕緣子串人工染污覆冰交流 50%耐受電壓U50隨污穢度的增大而降低。當(dāng)?shù)戎蝶}密從0.06 mg/cm2增大到0.10 mg/cm2，海拔 1000 m、2500 m、4000 m 下的U50分別降低了13.36%、13.46%、13.21%。

(2)U50與等值鹽密值成負(fù)指數(shù)冪函數(shù)關(guān)系，當(dāng)海拔為 1000 m、2500 m、 4000 m時(shí)， 受污穢影響的特征指數(shù)b分別為0.28、 0.28和0.27，特征指數(shù)b與海拔高度有關(guān)，隨海拔高度的增加，特征指數(shù)b逐漸減小，但變化較小，影響不顯著。

因此，覆冰絕緣子的閃絡(luò)電壓和覆冰水電導(dǎo)率及覆冰前絕緣子的污染程度有明顯關(guān)系。清潔的覆冰并不會(huì)導(dǎo)致絕緣子的閃絡(luò)電壓的下降。 只有在絕緣子覆冰前已被染污或在覆冰形成過程中覆冰水被污染的情況下，覆冰層的電導(dǎo)率增加導(dǎo)致絕緣子的泄漏電流增加，進(jìn)而才會(huì)出現(xiàn)覆冰絕緣子的耐受電壓或者閃絡(luò)電壓的明顯下降。特高壓輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的避開污穢嚴(yán)重的區(qū)域，對于污區(qū)較重的區(qū)域必須加強(qiáng)防污閃措施。

3.2 污穢對塔頭尺寸的影響

污穢較重地區(qū)線路，除常溫條件下會(huì)出現(xiàn)污閃事故外，在覆冰季節(jié)更會(huì)因覆冰絕緣子串絕緣強(qiáng)度下降而出現(xiàn)冰閃事故。而在目前的條件下，防止冰閃的有效措施還限于增加絕緣串長度，即降低工作電壓下沿冰面閃絡(luò)時(shí)的電位梯度。這將直接影響塔頭尺寸，而且隨著電壓等級升高而愈益顯著。

以溪洛渡左岸—浙江金華±800kV特高壓直流輸電線路工程為例，由于線路走廊受限，線路在重冰區(qū)未能避開中、重污區(qū)。絕緣配置計(jì)算結(jié)果表明，隨著污穢的加重，絕緣子片數(shù)增加，重覆冰特高壓線路通過污穢較嚴(yán)重區(qū)域時(shí)，懸垂串、耐張串絕緣子配置片數(shù)均較輕、中冰區(qū)需要增加十至幾十片，塔頭尺寸因此而明顯增大。

因此，重覆冰特高壓線路通過污穢較嚴(yán)重區(qū)域時(shí)，一方面增加了污閃的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面，絕緣子串串長較輕污區(qū)增長，塔頭尺寸也明顯增大。無論從線路經(jīng)濟(jì)性還是安全性角度考慮，均建議線路避開污穢較重的區(qū)域。

4 結(jié)論

根據(jù)前面分析的微地形微氣象、地形、檔距高差大小檔以及污穢對重覆冰特高壓輸電線路的影響，結(jié)合已建重冰區(qū)線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，執(zhí)行重冰區(qū)線路“避、抗、融、防、改”五字建設(shè)方針，參考超高壓線路《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5440—2009)，提出下列措施：

(1)避開路徑方案選擇在保證安全的前提下，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，并力求避開嚴(yán)重覆冰地段；

(2)嚴(yán)重覆冰區(qū)內(nèi)應(yīng)做到“避重就輕”，當(dāng)無法避開重冰區(qū)時(shí)，路徑選擇時(shí)應(yīng)結(jié)合微地形、微氣象、線路走向等特征合理選擇路徑。線路應(yīng)避免橫跨埡口、風(fēng)道和通過湖泊、水庫等容易覆冰的地帶；沿起伏不大的地形走線，避免大檔距、大高差；通過山嶺地帶，宜沿覆冰時(shí)背風(fēng)坡或山體陽坡走線；

(3)對于相對高聳、山區(qū)風(fēng)道、埡口、抬升氣流的迎風(fēng)坡、較易覆冰等微地形區(qū)段，以及相對高差較大、連續(xù)上下山等局部地段的線路適當(dāng)加強(qiáng)桿塔強(qiáng)度。在發(fā)生事故修復(fù)比較困難的區(qū)域桿塔定位應(yīng)留有裕度，應(yīng)著重進(jìn)行全壽命周期成本分析，使得線路成本最優(yōu)，可靠性滿足要求；

(4)對于檔距較大的重覆冰地段，兩側(cè)檔距相差較大處，采取增加桿塔、縮小檔距等措施；

(5)縮短耐張段長度，耐張段不宜太長，重冰區(qū)不宜超過3 km；

(6)當(dāng)耐張段較長時(shí)，應(yīng)考慮防串倒措施；

(7)重冰線路轉(zhuǎn)角度數(shù)不宜過大，以增加耐張轉(zhuǎn)角桿塔抗過載的能力。

[1]李慶峰，等.全國輸電線路覆冰情況調(diào)研及事故分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(9).

[2]李正，等.2008年輸電線路冰災(zāi)倒塔原因分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(2).

[3]胡毅.輸電線路大范圍冰害事故分析及對策[J].高電壓技術(shù)， 2005， 31(4).

[4]蔣興良，等.輸電線路冰害事故及原因分析[J].中國電力，005，38(11).

[5]楊風(fēng)利，楊靖波，張子富.重覆冰區(qū)特高壓懸垂型桿塔不平衡張力分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(3).

[6]詹宗東，熊俊，吳昊.覆冰縱向張力計(jì)算[J].四川電力技術(shù)，2008，31(3)

[7]廖宗高，等.特高壓輸電線路直線塔縱向不平衡張力取值的探討[J].電力建設(shè)，2006，27(2).

[8]程思勇，薛志方.覆冰不平衡張力計(jì)算分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(2).

[9]舒立春，等.海拔4000 m以上地區(qū)4中合成絕緣子覆冰交流閃絡(luò)特性及電壓校正[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(1).

[10]王巖.污穢覆冰絕緣子(長)串交流閃絡(luò)特性和過程研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

The Path Selection of Ultra High Voltage Transmission Line in Heavy Icing Area

LI Jing,LIU Wen-xun,LI Tie-ding
(Central Southern China Electric Power Design Institute,Wuhan 430071,China)

The elevation、direction and micro-atmosphere along the path of ultra high voltage transmission line brings much influence to the icing situation on the conductor and earth wire. The influence brought by big altitude difference、big span、big-small span and section length of UHV transmission line on unbalanced tension are analysed under heavy ice condition in this paper. And the impact of contamination on electrical performance of iced insulator string and the size of tower window is discussed. Calculations indicate that comparing with HV/EHV transmission lines,the reliability and economic status of UHV transmission line are more vulnerable subjected to heavy ice. At last,some specificmeasurements are proposed to optimize the path for UHV transmission lines.

ath of ultra high voltage transmission line; heavy ice; micro-atmosphere; unbalanced tension; insulator string pollution flash.

TM75

B

1671-9913(2017)05-0053-05

2016-07-05

李京(1990- )，男，湖北麻城人，碩士，工程師，主要從事高壓輸電線路電氣設(shè)計(jì)工作。