微氣象區(qū)500 kV輸電線路抗冰能力校核分析

羅 臻，劉永鑫

(1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2.國網(wǎng)山西電力科學(xué)研究院，太原 030001)

受局部地形地勢和氣象條件影響，微氣象區(qū)極易發(fā)生持續(xù)雨雪冰凍天氣，造成線路覆冰跳閘，金具磨損、導(dǎo)地線斷線斷股、桿塔部件扭曲變形等。針對輸電線塔體系覆冰受力問題，國外PEYROT et al[1]建立了輸電線路斷線動態(tài)張力前兩個(gè)峰值的計(jì)算公式；MOZER et al[2]通過輸電塔線模型試驗(yàn)測出桿塔在斷線情況下順導(dǎo)線方向的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)；MCCLURE et al[3]采用ADINA程序分別對導(dǎo)線脫冰跳躍的動力過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模型，并考慮到檔距、高差、絕緣子串長度以及導(dǎo)線的動力阻尼對導(dǎo)線脫冰跳躍的影響。國內(nèi)李黎等[4]利用有限元方法，建立了導(dǎo)(地)線模型數(shù)值仿真輸電塔在導(dǎo)(地)線斷線作用下的動態(tài)響應(yīng)。侯鐳等[5]建立了三自由度多檔導(dǎo)線模型，計(jì)算導(dǎo)線脫冰跳躍的時(shí)程響應(yīng)，并分析脫冰量、檔距組合、導(dǎo)線機(jī)械參數(shù)、均勻與非均勻脫冰等因素的影響。但是，本文涉及的微氣象區(qū)覆冰嚴(yán)重的500 kV線路線塔體系工況復(fù)雜，分析計(jì)算覆冰跳閘前后線塔體系的覆冰荷載、導(dǎo)線間距、不平衡張力以及脫冰跳躍的變化情況，將對提高微氣象區(qū)覆冰線路抗冰水平具有指導(dǎo)作用。

1 山地微氣象區(qū)覆冰特點(diǎn)

從我國中部各省近十年覆冰跳閘的故障形式[6]來看，微氣象區(qū)主要有以下特點(diǎn)：

1) 受溫濕度、冷暖氣流以及線路走向等因素影響，輸電線路易覆冰期在每年的3月和11月，平均溫度為-5～2 ℃，風(fēng)速為3～15 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向與導(dǎo)線夾角大于45°[7-8].

2) 覆冰線路多位于大型山脈的高山大嶺地帶或盆地向山區(qū)過度的連續(xù)上下坡地帶，平均海拔較高，小范圍內(nèi)受微地形、微氣象條件影響嚴(yán)重，線路運(yùn)行條件惡劣。

3) 分布在氣溫低、覆冰重、融冰慢地區(qū)的線路，主要存在不均勻覆冰后導(dǎo)地線安全距離不足的問題，較少在融冰期發(fā)生脫冰跳躍閃絡(luò)。

4) 分布在氣溫高、覆冰輕、融冰快地區(qū)的線路，較少發(fā)生覆冰期導(dǎo)地線閃絡(luò)故障，重點(diǎn)為融冰期導(dǎo)地線脫冰跳躍問題。

2 500 kV線路抗冰能力校核

2015年4月和11月，某山地微氣象區(qū)500 kV線路7-25號桿塔區(qū)段先后發(fā)生導(dǎo)地線脫冰跳躍和OPGW光纜覆冰斷股，線路被迫停運(yùn)。

2.1 覆冰過載

輸電線路覆冰后，導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)力會逐漸增大，當(dāng)這一應(yīng)力超過導(dǎo)線拉斷力70%后達(dá)到的最大應(yīng)力即為導(dǎo)線的覆冰過載能力[9-10]，通常這一實(shí)際應(yīng)力以允許覆冰厚度表示，允許覆冰厚度越厚，則導(dǎo)線過載能力越強(qiáng)。

通常，導(dǎo)線狀態(tài)方程式為

(1)

在計(jì)算覆冰過載能力時(shí)，假設(shè)最大實(shí)際應(yīng)力與最大比載相同時(shí)氣溫不變，則

(2)

根據(jù)覆冰時(shí)比載g可以求得覆冰厚度

(3)

式中：l，g1分別為規(guī)律檔距和導(dǎo)線自重比載；b，S分別為覆冰厚度和導(dǎo)線截面；σm，σ分別為已知及待求應(yīng)力；gm，g分別為已知及待求比載；tm，t分別為已知及待求氣溫；E，α分別為導(dǎo)線彈性模量及溫度膨脹系數(shù)；d為導(dǎo)線直徑。

該線路的設(shè)計(jì)條件是最大風(fēng)速30 m/s，覆冰厚度10 mm，環(huán)境溫度-5 ℃；本次計(jì)算按照最大風(fēng)速15 m/s，環(huán)境溫度-5 ℃，在300～700 m之間選取5個(gè)代表檔距進(jìn)行導(dǎo)線和地線的覆冰過載能力校核，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線和地線的過載能力對比Fig.1 Comparison on icing overload capability of conducting and earth wires

該線路導(dǎo)線和地線過載能力合格，而OPGW光纜的覆冰過載能力偏低。OPGW光纜作為光纖復(fù)合地線，在同塔雙回線路中，其過載能力應(yīng)該與常規(guī)地線一致，結(jié)果表明OPGW-120光纜的過載冰厚較GJ-80地線低5 mm，覆冰過載能力偏低，相同覆冰厚度時(shí)OPGW-120光纜的應(yīng)力更低，更易發(fā)生斷線或閃絡(luò)故障。

2.2 覆冰導(dǎo)線間距

導(dǎo)線或?qū)У鼐€覆冰后的線間距離直接影響著閃絡(luò)故障的發(fā)生概率。不均勻覆冰后，導(dǎo)線或?qū)У鼐€在無風(fēng)狀態(tài)下的間隙距離應(yīng)大于等于其操作過電壓的間隙距離[11-12]，即導(dǎo)線間的操作過電壓間隙距離應(yīng)大于等于4.55 m，導(dǎo)地線間的操作過電壓間隙距離應(yīng)大于等于2.70 m.

兩懸垂點(diǎn)高度不同時(shí)，導(dǎo)線在檔距中點(diǎn)的弧垂為：

f=gl2/8σ0cosβ.

(4)

式中：g，β分別為導(dǎo)線可求比載和懸掛點(diǎn)高差角；l，σ0分別為規(guī)律檔距和導(dǎo)線水平應(yīng)力。

該線路的OPGW光纜采用預(yù)絞絲式線夾固定，在計(jì)算中不考慮地線滑移造成的影響。按照現(xiàn)場LGJ-400/35導(dǎo)線覆冰20 mm，OPGW-120光纜覆冰30 mm，風(fēng)速10 m/s，進(jìn)行導(dǎo)地線覆冰距離校核，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 導(dǎo)地線覆冰后靜態(tài)間隙距離對比Fig.2 Comparison on static vertical distance between icing conducting and earth wires

分別對導(dǎo)電率為23%和40%的OPGW光纜進(jìn)行校核，導(dǎo)電率為23%的光纜與導(dǎo)線的靜態(tài)覆冰間隙距離合格，而導(dǎo)電率為40%的光纜不合格。說明提高OPGW光纜導(dǎo)電性能的同時(shí)會嚴(yán)重降低光纜的抗拉強(qiáng)度、1%伸長應(yīng)力以及彈性模量，進(jìn)而降低光纜應(yīng)力水平；同時(shí)由計(jì)算得出，檔距對導(dǎo)地線靜態(tài)覆冰間隙距離也有一定影響，當(dāng)檔距大于700 m后，導(dǎo)地線間的靜態(tài)覆冰間隙距離明顯減小。

2.3 覆冰不平衡張力

受不同高程、地形、風(fēng)速、風(fēng)向等因素影響，不均勻覆冰后直線塔兩側(cè)導(dǎo)線和地線易出現(xiàn)不平衡張力，使桿塔產(chǎn)生較大的彎矩和扭矩，造成桿件損壞，甚至倒塔[13-16]。

利用等線長法，計(jì)算無應(yīng)力狀態(tài)下各檔的線長根據(jù)直線塔的受力情況，計(jì)算水平張力差，然后換算下一檔應(yīng)力和檔距，直到最后一檔。

(5)

假設(shè)耐張段第1檔的初始應(yīng)力已知，通過該應(yīng)力下的L算出檔距

(6)

(7)

式中：σ0，g1分別為導(dǎo)線水平應(yīng)力和自重比載；E，l，h分別為導(dǎo)線彈性模量、檔距和高差；Tk，Tv分別為水平張力差和導(dǎo)線垂直荷載；TC，LC分別為懸垂絕緣子串重量和長度；Δl為檔距變化量。

假設(shè)連續(xù)檔中間任一檔導(dǎo)線或地線發(fā)生脫冰跳躍，其余檔導(dǎo)地線不發(fā)生脫冰跳躍。按照導(dǎo)線覆冰25 mm，地線覆冰30 mm，脫冰率75%，進(jìn)行該段線路地線和導(dǎo)線覆冰后不平衡張力校核，計(jì)算結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 覆冰后地線不平衡張力對比Fig.3 Comparison on longitudinal tension of unevenly icing earth wires

圖4 覆冰后導(dǎo)線不平衡張力對比Fig.4 Comparison on longitudinal tension of unevenly icing conducting wires

不均勻覆冰后，該段線路地線不平衡張力超出規(guī)程規(guī)范要求，易發(fā)生地線斷股斷線或損壞桿件等故障，但檔距小、高差小的個(gè)別檔的地線不平衡張力可以滿足要求。計(jì)算結(jié)果表明，與地線相比，導(dǎo)線的不平衡張力更復(fù)雜些。不均勻覆冰后，直線塔兩側(cè)導(dǎo)線的不平衡張力合格，而耐張塔兩側(cè)導(dǎo)線的不平衡張力不合格，需要進(jìn)一步對桿塔主要桿件承受的應(yīng)力進(jìn)行校核，本段線路涉及5EG-SZC2和5EG-SJC2兩種塔型，主要桿件應(yīng)力的校核計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 桿塔主要桿件應(yīng)力比計(jì)算Fig.5 Comparison on stress ratio of the main members for towers

不均勻覆冰后，隨著兩側(cè)導(dǎo)地線荷載的增加，桿塔塔頭主要桿件承受應(yīng)力整體升高，橫擔(dān)主材成為整個(gè)塔身受力最大的部分；數(shù)據(jù)還顯示，耐張塔承受應(yīng)力較直線塔偏高，且耐張塔的下橫擔(dān)受力尤為突出。

通過校核連續(xù)檔導(dǎo)線不平衡張力，還發(fā)現(xiàn)：

1) 直線塔的不平衡張力隨著桿塔高差和檔距的增大而增大，且檔距變化對張力幅值影響較大。

2) 大檔距兩側(cè)的導(dǎo)線更容易出現(xiàn)較大的不平衡張力差，且連續(xù)檔內(nèi)大檔距的數(shù)量越多，直線塔所受的不平衡張力差越大。

2.4 脫冰跳躍

在冰凌融化脫落階段，不均勻覆冰導(dǎo)地線因冰荷載的彈性勢能轉(zhuǎn)化為脫冰的導(dǎo)線動能而造成導(dǎo)地線在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)高頻次彈跳的過程即為脫冰跳躍[17-20]。脫冰跳躍會減小線間的有效間隙距離，造成導(dǎo)線間或?qū)У鼐€間發(fā)生冰閃跳閘。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)觀測數(shù)據(jù)，得出跳躍幅值的經(jīng)驗(yàn)公式

H=Δf(2 000-l)×10-3.

(8)

式中：l，Δf分別為規(guī)律檔距和覆冰前后弧垂差。

假設(shè)僅有下相導(dǎo)線脫冰，按照脫冰率50%、覆冰厚度15 mm，中下相導(dǎo)線垂直間距10.85 m，水平偏移1.70 m，進(jìn)行不均勻覆冰后導(dǎo)地線脫冰跳躍幅值校核，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 脫冰跳躍幅值計(jì)算Fig.6 Comparison on ice-shedding jump amplitude of unevenly icing wires

結(jié)合實(shí)際海拔高度和分裂導(dǎo)線間距，修正后導(dǎo)線間的工頻電壓最小間隙距離為3 m.隨著檔距的增大，脫冰跳躍幅值平緩增長，而相間凈空距離則逐漸縮小。當(dāng)脫冰檔距超過550 m時(shí)，導(dǎo)線脫冰跳躍的相間凈空距離無法滿足工頻電壓下最小放電間隙要求，需要適當(dāng)調(diào)整檔距或進(jìn)行改造。

3 結(jié)論

1) 通常導(dǎo)地線的設(shè)計(jì)安全系數(shù)相同，結(jié)合上述覆冰過載能力和覆冰線間距離的計(jì)算結(jié)果，在對山地微氣象區(qū)線路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高OPGW光纜的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，增加不均勻覆冰后導(dǎo)地線間的空氣間隙。

2) 選擇OPGW光纜時(shí)，需要綜合考慮最大應(yīng)力、導(dǎo)電率、地質(zhì)以及氣象條件等因素。計(jì)算結(jié)果表明，與導(dǎo)電率23%的OPGW光纜相比，導(dǎo)電率40%的OPGW光纜的抗拉強(qiáng)度和1%伸長應(yīng)力降低了近1倍，彈性模量降低約27%.

3) 不均勻覆冰時(shí)，導(dǎo)線和地線的不平衡張力主要體現(xiàn)在檔距差較大的地線上和對應(yīng)的耐張塔橫擔(dān)上，結(jié)合山地微氣象區(qū)線路覆冰情況，適當(dāng)縮小檔距或更換加強(qiáng)型桿塔，并對耐張塔橫擔(dān)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4) 脫冰率50%時(shí)，檔距大于550 m則導(dǎo)線脫冰跳躍的相間動態(tài)間隙距離不滿足規(guī)程要求。對于微氣象區(qū)可能出現(xiàn)高脫冰率的其它線路區(qū)段，需要結(jié)合覆冰過載、不平衡張力計(jì)算情況，減小導(dǎo)線或?qū)У鼐€間的弧垂差。

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[1] PEYROT A H,KLUGE R,LEE J W.Longitudinal loads from broken conductors and broken insulators and their effect on transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1980,99(1):222-234.

[2] MOZER J D,WOOD W A,HRIBAR J A.Broken wire tests on a model transmission line system[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1981,100(3):938-947.

[3] MCCLURE G,TINAWI R.Mathematical modeling of the transient response of electric transmission lines due to conductor breakage[J].Computers and Structures,1987,26(1/2):41-56.

[4] 李黎,張行,尹鵬.大跨越輸電線路脫冰跳躍反應(yīng)的控制研究[J].振動與沖擊,2008,27(10):61-64.

LI L,ZHANG H,YIN P.Control for jumping response induced by ce-shedding of transmission lines[J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(10):61-64.

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

HOU L,WANG L M,ZHU P X,et al.Dynamic behavior computation of ice shedding of UHV overhead transmission lines[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(6):1-6.

[6] 張弦.輸電線路中微地形和微氣象的覆冰機(jī)制及相應(yīng)措施[J].電網(wǎng)技術(shù),2007(S2):87-89.

ZHANG X.Mechanism and countermeasures for ice-coated transmission line in micro-terrain and microclimate region[J].Power System Technology,2007(S2):87-89.

[7] 歐陽麗莎,黃新波,李俊峰,等.1 000 kV特高壓輸電線路覆冰區(qū)的研究與劃分[J].高壓電器,2010(5):4-8.

OUYANG L S,HUANG X B,LI J F,et al.Research and division of icing area along 1 000 kV ultra high voltage AC transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2010(5):4-8.

[8] 陳勇,胡偉,王黎明,等.覆冰導(dǎo)線脫冰跳躍特性研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009(28):115-121.

CHEN Y,HU W,WANG L M,et al.Research on ice-shedding characteristic of icing conductor[J].Proceedings of the CSEE,2009(28):115-121.

[9] 劉順新,羅浩東,鄧小磊.架空輸電線路除冰技術(shù)分析[J].高壓電器,2011(3):72-76.

LIU S X,LUO H D,DENG X L.Analysis of deicing methods for overhead transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2011(3):72-76.

[10] 蔣興良,馬俊,王少華,等.輸電線路冰害事故及原因分析[J].中國電力,2005(11):27-30.

JIANG X L,MA J,WANG S H,et al.Transmission lines’ ice accidents and analysis of the formative factors[J].Electric Power,2005(11):27-30.

[11] 陸佳政,劉純,陳紅冬,等.500 kV輸電塔線覆冰有限元計(jì)算[J].高電壓技術(shù),2007(10):167-169.

LU J Z,LIU C,CHEN H D,et al.Finite element calculation of 500 kV iced power transmission system[J].High Voltage Engineering,2007(10):167-169.

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

[13] 劉康,胡建林,孫才新.基于力學(xué)測量的輸電線路覆冰監(jiān)測計(jì)算模型[J].高壓電器,2012(3):46-51.

LIU K,HU J L,SUN C X.On-line monitoring and calculation model of ice-coating on transmission lines based on mechanical measurement[J].High Voltage Apparatus,2012(3):46-51.

[14] 蔣興良,易輝.輸電線路覆冰及防護(hù)[M].北京:中國電力出版社,2002.

[15] 楊偉國,劉建.高壓導(dǎo)電線路導(dǎo)線狀態(tài)辨識研究[J].高壓電器,2012(7):62-65.

YANG W G,LIU J.Condition identification of high-voltage transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2012(7):62-65.

[16] 李慶峰,范崢,吳穹,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(9):33-36.

LI Q F,FAN Z,WU Q,et al.Investigation of ice-covered transmission lines and analysis on transmission line failures caused by ice-coating in China[J].Power System Technology,2008(9):33-36.

[17] 彭向陽,周華敏,毛先胤,等.輸電線路融冰初期易冰閃機(jī)理試驗(yàn)研究[J].高壓電器,2012(11):82-86.

PENG X Y,ZHOU H M,MAO X Y,et al.Experimental study on icing-flashover mechanism for iced transmission line in early ice-melting stage[J].High Voltage Apparatus,2012(11):82-86.

[18] 王黎明,李海東,梅紅偉,等.輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外研究綜述[J].高壓電器,2013(6):48-56.

WANG L M,LI H D,MEI H W,et al.Review of on-line monitoring system of ice coating on transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2013(6):48-56.

[19] 巢亞鋒,楊力,彭曉亮,等.輸電線路覆冰特點(diǎn)及防冰技術(shù)研究綜述[J].高壓電器,2014(10):131-138.

CHAO Y F,YANG L,PENG X L,et al.Review of the researches on icing characteristics of transmission lines and anti-icing technologies[J].High Voltage Apparatus,2014(10):131-138.

[20] 黃新波,鄭心心,朱永燦,等.典型覆冰導(dǎo)線碰撞系數(shù)仿真分析[J].高壓電器,2016(7):82-88.

HUANG X B,ZHENG X X,ZHU Y C,et al.Simulation analysis of collision coefficient on typical shaped iced-conductors[J].High Voltage Apparatus,2016(7):82-88.