譚笛
(云南送變電工程有限公司,昆明 650216)
重冰區(qū)輸電線路在不均勻覆冰及不同期脫冰情況下的不平衡張力計(jì)算,是重冰區(qū)輸電線路特有的荷載形式之一,是桿塔強(qiáng)度設(shè)計(jì)及導(dǎo)、地線配合計(jì)算的基礎(chǔ)。導(dǎo)線覆冰首先是由氣象條件決定的,是受溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流以及風(fēng)速等因素決定的綜合物理現(xiàn)象[6]。不平衡張力是危害輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一,不平衡張力主要由不均勻覆冰造成[7]。運(yùn)行中常見的有覆冰不均勻和脫冰不均勻兩種主要類型。不均勻覆冰荷載持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),導(dǎo)、地線具有同期性,對(duì)桿塔產(chǎn)生很大的縱向彎矩;不均勻脫冰荷載持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,其不均勻性與冰凌性質(zhì)密切相關(guān),雨凇類冰凌不均勻程度很小,霧凇分為軟霧凇和硬霧凇2種。導(dǎo)線上積覆霧凇時(shí),常常是兩者并存。風(fēng)攜帶霧中或云中的過冷卻小水滴一個(gè)接一個(gè)不斷與導(dǎo)線表面碰撞并凍結(jié)而產(chǎn)生霧凇[9]。霧凇及粘附雪不均勻程度較大,會(huì)使桿塔受到最大彎矩和扭矩。
不均勻覆冰荷載主要是由于各檔所處的地形、高程、風(fēng)速、風(fēng)向等不同,而使各檔覆冰厚度不同或冰凌崩潰期出現(xiàn)不同期脫冰現(xiàn)象,從而產(chǎn)生不平衡張力差。
當(dāng)出現(xiàn)不均勻覆冰或不同期脫冰情況時(shí),懸垂絕緣子串產(chǎn)生偏移,覆冰較重的檔距中導(dǎo)線弧垂增大,在桿塔兩側(cè)產(chǎn)生不平衡張力差。不平衡張力隨著覆冰率、檔距組合、安全系數(shù)、電線型號(hào)、絕緣子串長(zhǎng)度、桿塔型式、耐張段長(zhǎng)度、檔距的高差及計(jì)算圖式的不同而變化。當(dāng)導(dǎo)線已脫冰而地線仍有覆冰時(shí),可能在檔距中間發(fā)生導(dǎo)、地線接近以致閃絡(luò)事故;不均勻覆冰或不同期脫冰產(chǎn)生的不平衡張力差,可能使塔身、塔頭、橫擔(dān)遭受破壞或造成導(dǎo)線對(duì)塔身、橫擔(dān)閃絡(luò)放電事故。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為當(dāng)架空線路處于連續(xù)上下山地段,以及分水嶺、埡口、風(fēng)道等微地形、微氣象點(diǎn)時(shí),由于不均勻覆冰或不同期脫冰,使懸垂絕緣子串偏移,導(dǎo)、地線跳躍舞動(dòng),會(huì)造成頻繁的閃絡(luò)跳閘及懸垂絕緣子串翻上橫擔(dān)等事故,故對(duì)上述線段應(yīng)認(rèn)真校驗(yàn)不均勻覆冰情況下懸垂絕緣子串偏移后的電氣間隙。氣象條件是輸電線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵境因素,氣象條件的選擇是否合理直接關(guān)系到輸電線路的建設(shè)投資和安全運(yùn)行。在新建線路設(shè)計(jì)時(shí),路徑方案選擇應(yīng)盡量避讓重冰區(qū)地段,有利于減少線路建設(shè)投資,提高線路運(yùn)行安全性[10-12]。
文獻(xiàn)[1]對(duì)覆冰縱向不平衡張力的取值作出了規(guī)定,為輸電線路設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)依據(jù),但當(dāng)氣象條件比較惡劣、計(jì)算條件不同于規(guī)程規(guī)范時(shí),設(shè)計(jì)人員仍需對(duì)條件惡劣的耐張段進(jìn)行不平衡張力的校核和分析,對(duì)可能存在較大不平衡張力的地段采取桿塔加強(qiáng)或避讓等處理措施[5]。
不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算采用試湊圖解法[2-3]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定,重冰區(qū)線路不均勻覆冰荷載情況按未斷線、-5℃、有不均勻冰、同時(shí)風(fēng)速10m/s計(jì)算。不平衡張力覆冰率,按線路等級(jí),取一側(cè)覆冰100%,另一側(cè)覆冰20%~40%。
不均勻覆冰所導(dǎo)致的直線桿塔兩側(cè)產(chǎn)生不平衡張力主要來自于相鄰檔覆冰率差異以及同檔內(nèi)各相導(dǎo)線覆冰量的差異[8]。直線桿塔不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算的檔距組合及圖式見圖1和圖2。當(dāng)出現(xiàn)不平衡張力時(shí),懸垂絕緣子串會(huì)向張力大的一側(cè)偏移,直至新的平衡狀態(tài),隨著耐張段內(nèi)檔數(shù)增加,最大不平衡張力逐漸增加,6檔以下不平衡張力增加較快,6檔以上增加較為緩慢[5]。檔距對(duì)不平衡張力的影響最為顯著,其次是高差[13]。隨著耐張段內(nèi)連續(xù)檔數(shù)量的增加,導(dǎo)線不平衡張力也隨之增大,但很快便趨向飽和[14]。隨著檔數(shù)的增加,其導(dǎo)線脫冰縱向不平衡張力變大,但縱向不平衡張力的增加幅度越來越小,當(dāng)連續(xù)檔數(shù)為5檔時(shí),其最大縱向不平衡張力基本趨于穩(wěn)定[15]。
本文計(jì)算中設(shè)耐張段中有5個(gè)等檔,各檔檔距相等,懸掛點(diǎn)等高。覆冰重的檔距在一側(cè)(圖1①②③檔覆冰100%,圖2①②③④檔覆冰100%),而覆冰輕的檔距在另一側(cè)(圖1④⑤檔覆冰40%,圖2⑤檔覆冰40%)。
圖1 不平衡張力的計(jì)算組合圖式(一)
圖2 不平衡張力的計(jì)算組合圖式(二)
計(jì)算方法采用下述圖解法:
以安裝情況的應(yīng)力σ0作為起始條件,然后判斷不均勻覆冰時(shí)哪些檔是檔距縮短,哪些檔是檔距伸長(zhǎng)。利用狀態(tài)方程計(jì)算檔距縮短或伸長(zhǎng)后各檔的應(yīng)力。
曲線Ⅰ:T=f1(Δl)表示檔距伸長(zhǎng)量與電線應(yīng)力(或張力)的變化關(guān)系。
式中σn、gn、tn—待求情況下電線的應(yīng)力、比載、溫度;
σ0、g0、t0—安裝情況下電線的應(yīng)力、比載、溫度;
Δl—檔距伸長(zhǎng)量(取正值),m;
E—電線的彈性系數(shù),10Mp;
α—電線的溫度膨脹系數(shù),1/℃;
l—檔距,m。
式中Δl′—檔距縮短量(取負(fù)值),m。
其它符號(hào)意義與(1)式相同。
式中δ—懸垂線夾的順線偏移值,m;
λ—懸垂絕緣子串長(zhǎng)度,m;
ΔT—不平衡張力差,kg;
Gn—導(dǎo)線覆冰后的重量kg;
S—導(dǎo)線截面積,mm2
g7—導(dǎo)線覆冰時(shí)綜合比載,10MPa/m;
G2(冰)—懸垂絕緣子覆冰后的重量,kg。
圖3 不均勻覆冰不平衡張力圖解
用試湊圖解法,開始于耐張段的#1號(hào)塔,任選T1。
圖解的最后一點(diǎn)應(yīng)恰好在曲線Ⅰ上,否則應(yīng)重選T1重復(fù)以上試湊過程。最后解得的δ與ΔT即為各直線桿塔上線夾偏距及兩側(cè)張力差。在等檔等高情況下,在覆冰不均勻分界桿上的不平衡張力值可能最大。
采用試湊圖解法(參見圖3),從耐張段#1號(hào)塔開始,任選T1。
在工程設(shè)計(jì)中宜采用圖1的計(jì)算組合圖式。
1)不均勻覆冰工況下的導(dǎo)線不平衡張力,20mm冰區(qū)為導(dǎo)線最大使用張力的5.65%—6.5%,30mm冰區(qū)為導(dǎo)線最大使用張力的10.1%;計(jì)算值遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[1]中不平衡張力的取值,即20mm冰區(qū)為最大使用張力的25%,30mm冰區(qū)為最大使用張力的29%;計(jì)算結(jié)果表明,隨著覆冰厚度的增大,不均勻覆冰不平衡張力也隨之增加。一般情況下不需要按覆冰率進(jìn)行繁瑣的計(jì)算,可偏安全地按文獻(xiàn)[1]中最大設(shè)計(jì)張力的百分?jǐn)?shù)選取不均勻覆冰不平衡張力;但對(duì)連續(xù)上下山及頻繁出現(xiàn)不均勻覆冰的微地形、微氣象點(diǎn),仍需按覆冰率用試湊圖解法進(jìn)行不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算。
2)不均勻覆冰不平衡張力受檔距組合、覆冰率、安全系數(shù)、電線型號(hào)、懸垂絕緣子串長(zhǎng)度、桿塔型式、耐張段長(zhǎng)度及各檔距的高差等因素的影響。上述因素的影響是分散的,一般無規(guī)律可循。本計(jì)算按耐張段內(nèi)有5個(gè)等檔、懸點(diǎn)等高的假設(shè)條件進(jìn)行計(jì)算,其結(jié)果只是近似值。
3)重冰區(qū)線路都處于山區(qū),線路高差起伏較大,地形、地貌復(fù)雜,造成檔距之間導(dǎo)、地線覆冰條件的差異,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)校驗(yàn)導(dǎo)線和地線不同期脫冰時(shí)靜態(tài)接近距離,此距離不應(yīng)小于線路操作過電壓的間隙值,以防止導(dǎo)、地線閃絡(luò)事故。
4)線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真調(diào)查搜集氣象資料及鄰近線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),對(duì)頻繁出現(xiàn)不均勻覆冰或不同期脫冰的微地形、微氣象點(diǎn),需校驗(yàn)不均勻覆冰或不同期脫冰情況下的電氣間隙及桿塔強(qiáng)度。尤其是對(duì)霧凇及濕雪覆冰線路段,在冰雪脫落時(shí),導(dǎo)線先脫冰,地線仍有覆冰,地線弧垂落于導(dǎo)線弧垂之下,更易造成電氣閃絡(luò)及桿塔損壞事故,這種校驗(yàn)更加必要。