風(fēng)荷載對輸電線路垂直檔距的影響

黃良 呂黔蘇 虢韜 魏延勛 盧金科

（1.貴州電力科學(xué)研究院 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修分公司 3.六盤水供電局 ）

風(fēng)荷載對輸電線路垂直檔距的影響

黃良1呂黔蘇1虢韜2魏延勛3盧金科3

（1.貴州電力科學(xué)研究院 2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司輸電運(yùn)行檢修分公司 3.六盤水供電局 ）

風(fēng)荷載是輸電塔體系的重要外荷載，本文針對覆冰監(jiān)測實(shí)際工況，在考慮了水平風(fēng)力影響的基礎(chǔ)上提出了大風(fēng)工況下的垂直檔距計(jì)算模型。通過數(shù)值仿真研究220kV輸電線路在隨機(jī)風(fēng)荷載作用下垂直檔距的變化特性，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，給出風(fēng)荷載變化對垂直檔距的影響程度分析。

垂直檔距；風(fēng)荷載；輸電線路；覆冰

0 引言

風(fēng)荷載也稱風(fēng)的動壓力，是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力。風(fēng)荷載與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度及建筑體型等諸因素有關(guān)[1]。風(fēng)荷載可分為水平風(fēng)荷載及垂向風(fēng)荷載兩個分量。研究表明垂直風(fēng)速對輸電線路垂向荷載的影響是相當(dāng)小的，基本可以忽略不計(jì)。

輸電線路在風(fēng)荷載的作用下，其導(dǎo)線、絕緣子串以及跳線都會產(chǎn)生一定的風(fēng)偏，其中導(dǎo)線會形成一個風(fēng)偏面與垂直方向成一夾角。對于懸掛在架空線路桿塔上的導(dǎo)線也因風(fēng)荷載的增加而引起彈性形變，使得導(dǎo)線長度發(fā)生變化。而垂直檔距指的是桿塔兩側(cè)檔導(dǎo)線最低點(diǎn)之間的水平距離，顯然風(fēng)荷載的作用會使垂直檔距發(fā)生相應(yīng)的動態(tài)變化。因此對于線路設(shè)計(jì)或覆冰厚度計(jì)算模型來說，確定和掌握垂直檔距在風(fēng)荷載影響下的變化情況，對于輸電線路安全運(yùn)行具有重要的意義。

1 風(fēng)荷載對垂直檔距的影響分析

1.1 存在橫向風(fēng)荷載時(shí)導(dǎo)線應(yīng)力及垂直檔距的計(jì)算公式

輸電線路的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境一般為全天候工況，當(dāng)有風(fēng)氣象條件時(shí)，作用于導(dǎo)線上的荷載發(fā)生變化，其懸掛中的弧線線長會發(fā)生變化，這是因?yàn)楹奢d不同時(shí)引起導(dǎo)線彈性伸長的不同而造成的[2]。檔內(nèi)懸線弧線長度的變化必然引起導(dǎo)線應(yīng)力發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)斜拋物線近似狀態(tài)方程[3]可知：

式中，σ2、γ2為大風(fēng)工況下導(dǎo)線順線路方向水平應(yīng)力分量和導(dǎo)線綜合比載，單位為N/mm2、N/m·mm2；σ1、γ1為無風(fēng)工況下導(dǎo)線順線路方向水平應(yīng)力分量和導(dǎo)線綜合比載，單位為N/mm2、N/m·mm2；η為大風(fēng)工況下絕緣子串風(fēng)偏角，單位為°；β為無風(fēng)工況下的高差角，單位為°；t2為大風(fēng)工況下導(dǎo)線溫度，單位為℃；t1為無風(fēng)工況下導(dǎo)線溫度，單位為℃；α為導(dǎo)線溫度線膨脹系數(shù)，單位為（×10-6/℃）；E為導(dǎo)線彈性模量，單位為N/mm2。γ01為導(dǎo)線自重比載，單位為 N/m·mm2；γ02為覆冰時(shí)比載，單位為N/m·mm2；γ03為風(fēng)壓比載，單位為N/m·mm2。

本方程的成立有一個重要的假設(shè)，即覆冰的均勻性和風(fēng)荷載的均勻性。但由于計(jì)算風(fēng)荷載的理論公式存在本身不盡合理性、基礎(chǔ)參數(shù)不夠準(zhǔn)確等原因，計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際值會存在誤差。幸運(yùn)的是，目前的輸電線路覆冰監(jiān)測裝置可以對絕緣子串拉力及風(fēng)偏角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。據(jù)此，可以利用這兩個數(shù)據(jù)并通過下述公式計(jì)算得到風(fēng)荷載比載的準(zhǔn)確值，而不用再去探討如何建立精確的模型來計(jì)算得到風(fēng)荷載比載：

當(dāng)有風(fēng)荷載影響存在風(fēng)偏角時(shí)，風(fēng)偏角η可由角度傳感器直接測得。風(fēng)偏引起應(yīng)力、檔距、高度差、高差角以及懸垂角的變化，因此需要對應(yīng)力、檔距等參數(shù)進(jìn)行修正，則式(2)中的綜合比載變?yōu)椋?/p>

式中，F(xiàn)為絕緣子串軸向拉力，單位為N；ψ為絕緣子串風(fēng)偏角，單位為°；lH為水平檔距，單位為m；S為導(dǎo)線截面積，單位為mm2；m0為導(dǎo)線單位長度重量，單位為kg/km；d為導(dǎo)線外徑，單位為mm；b為覆冰厚度，單位為mm；lV為垂直檔距，單位為m；lV1為大號側(cè)垂直檔距分量，單位為m；lV2為小號側(cè)垂直檔距分量，單位為m；σ01為大號側(cè)導(dǎo)線水平應(yīng)力，單位為N/mm2；σ02為小號側(cè)導(dǎo)線水平應(yīng)力，單位為N/mm2。h1、h2為計(jì)算桿塔導(dǎo)線懸點(diǎn)與前后兩側(cè)導(dǎo)線懸點(diǎn)間高差，單位為m；l1、l2為計(jì)算桿塔導(dǎo)線懸點(diǎn)與前后兩側(cè)導(dǎo)線懸點(diǎn)間的水平距離，單位為mm。

因此在輸電線路覆冰監(jiān)測實(shí)際應(yīng)用中，通過導(dǎo)線狀態(tài)方程可以計(jì)算出覆冰工況下導(dǎo)線應(yīng)力的變化，進(jìn)而可以對垂直檔距參量進(jìn)行計(jì)算。下面通過實(shí)例對懸掛點(diǎn)不等高情形下垂直檔距隨風(fēng)荷載變化而變化的規(guī)律進(jìn)行分析。

1.2 大風(fēng)工況下垂直檔距變化特性

某一220kV的線路，已知導(dǎo)線型號為LGJ300/40，大號側(cè)檔距和高差分別為540m和－21.5m（低塔），小號側(cè)檔距和高差分別為266m和－5m（低塔），導(dǎo)線溫度為25℃時(shí)導(dǎo)線水平應(yīng)力為120N/mm2，對其在覆冰工況下（溫度為－5℃，覆冰厚度為10mm），風(fēng)偏角為0°～40°時(shí)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖1～2和下表所示。

圖1 導(dǎo)線應(yīng)力變化曲線

圖2 垂直檔距變化曲線

表 大風(fēng)工況下導(dǎo)線應(yīng)力和垂直檔距值

通過上述的計(jì)算結(jié)果可得出如下結(jié)論。

1）懸掛點(diǎn)不等高情形下導(dǎo)線垂直檔距隨風(fēng)荷載變化而變化遵循以下規(guī)律：對于低懸點(diǎn)，垂直檔距隨風(fēng)荷載增加（應(yīng)力增加）而減少，反之，對高懸點(diǎn)則垂直檔距隨風(fēng)荷載增加（應(yīng)力增加）而增加。

2）對于懸掛點(diǎn)不等高情形來說，垂直檔距隨風(fēng)荷載變化的變化量是顯著的。當(dāng)風(fēng)偏角由0°變化到40°（對應(yīng)風(fēng)速大約為20m/s）時(shí)，垂直檔距的變化率約為10% 。

2 結(jié)束語

垂直檔距作為覆冰厚度計(jì)算模型中的一個重要參量，它的精確度決定了覆冰監(jiān)測終端監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。且對于線路設(shè)計(jì)中金具噸位的確定起著決定作用。導(dǎo)線應(yīng)力及垂直檔距會隨風(fēng)荷載的變化而變化的本質(zhì)是由于導(dǎo)線因荷載增加而產(chǎn)生彈性形變。本文在考慮了水平風(fēng)力影響的基礎(chǔ)上提出了大風(fēng)工況下的垂直檔距計(jì)算模型，通過考慮風(fēng)荷載影響從而對動態(tài)垂直檔距精確取值，大大提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，真正發(fā)揮出覆冰監(jiān)測裝置應(yīng)有的預(yù)警效果，滿足電力部門監(jiān)測的要求。

[1]閔絢,邵瑰諱,文志科,蔡煥青,胡霧,曾云飛.國內(nèi)外懸垂絕緣子串風(fēng)偏設(shè)計(jì)參數(shù)對比與分析[J].電力建設(shè),2013, 34(4): 19-26.

[2]趙先德.輸電線路基礎(chǔ)[M].北京：中國電力出版社,2010：28．

[3]邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算[M].北京：中國電力出版社,2003：115-116．

2017-07-18）