±800 kV直流輸電線路重冰區(qū)導(dǎo)、地線脫冰沖擊敏感因素淺析

劉翔云，何松洋，黃 興，宋玲林

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

冰災(zāi)一直是威脅中國(guó)電網(wǎng)安全運(yùn)行最為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，一旦發(fā)生，可能引起輸電線路倒塌產(chǎn)生大面積停電，給國(guó)民生活造成巨大影響。災(zāi)后調(diào)查報(bào)告顯示，倒塌的輸電鐵塔中90%是由于不均勻覆冰和不均勻脫冰的不平衡張力造成的。對(duì)于±800 kV特高壓直流輸電線路，由于輸送距離長(zhǎng)，途經(jīng)重覆冰區(qū)較多，其脫冰不平衡張力對(duì)于線路的安全運(yùn)行存在較大的威脅。

架空輸電線路導(dǎo)線和地線在脫冰時(shí)，其張力會(huì)發(fā)生突然變化，由于非平衡力的出現(xiàn)，會(huì)對(duì)桿塔產(chǎn)生不可忽視的沖擊作用，沖擊力的大小與線路的結(jié)構(gòu)、覆冰以及脫冰有關(guān)，因而有必要研究在不同線路結(jié)構(gòu)和覆冰厚度條件下，導(dǎo)線和地線脫冰產(chǎn)生的沖擊作用。目前，學(xué)者們對(duì)線路脫冰的影響已經(jīng)做了一些研究，主要集中在脫冰振動(dòng)響應(yīng)分析[1-4]和脫冰不平衡張力計(jì)算[5-7]等方面。目前關(guān)于脫冰的沖擊作用研究較少，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范[8-10]也沒(méi)有具體要求，脫冰沖擊作為一種偶然荷載，對(duì)線路的影響不可忽略，因此有必要對(duì)脫冰沖擊荷載展開(kāi)研究。

1 脫冰數(shù)值計(jì)算理論

在計(jì)算導(dǎo)地線覆冰后的平衡狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)等效密度來(lái)模擬導(dǎo)地線的載荷。覆冰后導(dǎo)地線的等效密度可由式(1)計(jì)算。

(1)

式中：ρe為覆冰后導(dǎo)、地線的等效密度；W1和W2分別為單位長(zhǎng)度導(dǎo)、地線的自重和覆冰重量；A為其截面積。

在進(jìn)行脫冰荷載計(jì)算時(shí)，假定脫冰率為β，則脫冰后殘留在單位長(zhǎng)度導(dǎo)、地線上的覆冰重量為W2(1-β)，脫冰后導(dǎo)、地線的等效密度為

(2)

導(dǎo)線脫冰前的等效密度可以分解為兩部分：

(3)

脫冰前導(dǎo)、地線運(yùn)動(dòng)慣性力可以分解為兩部分：

(4)

由于假定脫冰前后導(dǎo)、地線的慣性力保持不變，脫冰后的慣性力按照式(5)計(jì)算。

(5)

結(jié)合式(2)至式(5)可以得到脫冰后的等效重力加速度為

(6)

式中，g′為脫冰后導(dǎo)、地線的等效重力加速度。

2 模型建立

為了研究導(dǎo)線和地線脫冰對(duì)桿塔的沖擊作用，采用有限元方法研究不同線路結(jié)構(gòu)、覆冰厚度和脫冰條件下導(dǎo)線脫冰時(shí)對(duì)絕緣子串掛點(diǎn)的沖擊作用?！?00 kV特高壓直流線路采用LGJ-1250/100六分裂導(dǎo)線，地線為GJ-150，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 ±800 kV六分裂導(dǎo)線和地線參數(shù)

其中，導(dǎo)線與直線塔連接的懸垂絕緣子串采用V型絕緣子串，其肢長(zhǎng)為17.32 m，V串夾角為75°，總質(zhì)量為5850 kg。導(dǎo)線與耐張塔連接采用雙聯(lián)耐張絕緣子串，長(zhǎng)度為17.32 m，質(zhì)量為11 130 kg。地線與直線塔連接的懸垂絕緣子串為I型雙聯(lián)懸垂絕緣子串，長(zhǎng)度為1.00 m，重量為36.40 kg。地線與耐張桿塔連接采用雙聯(lián)耐張絕緣子串，其長(zhǎng)度為6.31 m，重455.66 kg。

地線為I型絕緣子串模型時(shí)，導(dǎo)線為V型絕緣子串，絕緣子串的彈性模量和泊松比分別取為2.0×105MPa和0.3，采用理想彈塑性模型。絕緣子串的數(shù)值模型見(jiàn)圖1所示。

圖1 絕緣子串有限元模型

各線路段有限元模型兩端均為耐張絕緣子串，耐張絕緣子串一端與導(dǎo)線連接，另一端為固定約束。V型懸垂絕緣子串上端的兩個(gè)懸掛點(diǎn)采用線位移約束，但可以繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。導(dǎo)線和絕緣子串均采用空間梁?jiǎn)卧M。

檔距L和高差H的組合如表2所示。覆冰厚度分別為20 mm、30 mm；脫冰率均取100%。

表2 ±800 kV六分裂線路檔距和高差組合

±800 kV六分裂線路導(dǎo)線安裝的初始應(yīng)力見(jiàn)表3。

表3 ±800 kV六分裂線路導(dǎo)線安裝的初始應(yīng)力

以連續(xù)三檔脫冰對(duì)絕緣子的沖擊為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了脫冰對(duì)V型串、I型串的沖擊效應(yīng)，連續(xù)三檔導(dǎo)線模型見(jiàn)圖2所示。

圖2 ±800 kV連續(xù)三檔導(dǎo)線模型

3 參數(shù)分析

針對(duì)建立的有限元模型，研究不同檔數(shù)、不同檔距和高差組合時(shí)，各檔導(dǎo)地線分別脫冰時(shí)對(duì)懸垂絕緣子串和耐張絕緣子串掛點(diǎn)的沖擊效應(yīng)。通過(guò)對(duì)導(dǎo)線脫冰過(guò)程的數(shù)值模擬，對(duì)比分析V型懸垂絕緣子和耐張絕緣子串掛點(diǎn)在導(dǎo)線脫冰前的反力和導(dǎo)線脫冰過(guò)程中的反力，得到脫冰效應(yīng)的控制因素。

如圖3所示，導(dǎo)線在XY平面內(nèi)。FH表示作用于絕緣子串掛點(diǎn)水平方向(X方向)的分力，F(xiàn)V表示作用于絕緣子串掛點(diǎn)垂直方向(Y方向)分力。

圖3 作用于懸垂絕緣子串和耐張絕緣子串點(diǎn)的反力

3.1 導(dǎo)線脫冰對(duì)V型串的沖擊作用

數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)檔距為800 m、高差為400 m、第3檔脫冰時(shí)，圖2中V2串的沖擊效應(yīng)最大。V2串水平和垂直沖擊力隨檔距和高差的變化如圖4所示。

圖4 各檔脫冰V2串水平和垂直沖擊力隨高差的變化

圖4表明，第3檔脫冰時(shí)對(duì)V串的水平?jīng)_擊效應(yīng)較第1檔和第2檔分別脫冰時(shí)的大；在第2檔脫冰時(shí)， V串掛點(diǎn)的垂直沖擊效應(yīng)最大。

3.2 導(dǎo)線脫冰對(duì)耐張串的沖擊作用

數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)檔距為800 m、高差為400 m、第3檔脫冰時(shí)，作用于圖2中TR耐張串上的水平?jīng)_擊力最大，為581.94 kN；此時(shí)，作用于TR耐張串上的垂直沖擊力也最大，為550.46 kN；合力的最大變化值為800.34 kN。

各檔脫冰對(duì)TR耐張串水平和垂直沖擊力隨檔距和高差的變化如圖5所示。

圖5表明，導(dǎo)線脫冰時(shí)，TR耐張串水平?jīng)_擊載荷會(huì)隨著檔距的增大而增大，但受高差的影響不大；垂直沖擊載荷會(huì)隨著檔距的增大而增大，也隨高差的增大而增大。

圖5 各檔脫冰TR耐張串水平和垂直沖擊力隨高差的變化

3.3 導(dǎo)線模態(tài)分析

模擬分析了典型三檔六分裂導(dǎo)線覆冰模型的固有頻率和模態(tài)。模型見(jiàn)圖2，模型各檔檔距為800 m，高差為100 m，覆冰厚度為30 mm。覆冰導(dǎo)線的其他物理參數(shù)見(jiàn)表1。

計(jì)算得到線路模型的前10階固有頻率見(jiàn)表4。

表4 連續(xù)三檔低階固有頻率

前4階模態(tài)變形云圖如圖6所示。

圖6 模態(tài)云圖

圖6表明，連續(xù)三檔導(dǎo)線模型的模態(tài)以單檔局部水平撓曲變形為主，四階模態(tài)發(fā)展為豎向撓曲變形。

分析連續(xù)三檔六分裂導(dǎo)線脫冰后的振動(dòng)模式時(shí)，對(duì)其典型位置(第2檔中點(diǎn))的位移時(shí)程響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析。第2檔脫冰時(shí)其導(dǎo)線中點(diǎn)的垂直位移時(shí)程曲線如圖7所示，頻譜見(jiàn)圖8。

圖7 第2檔脫冰時(shí)導(dǎo)線中點(diǎn)垂直位移時(shí)程曲線

圖8 第2檔脫冰時(shí)導(dǎo)線中點(diǎn)的位移頻譜

由圖8可知，第2檔脫冰時(shí)頻率為0.068 9 Hz，接近于其三階固有頻率0.066 77 Hz，該固有頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)為單半波，即脫冰時(shí)導(dǎo)線的主振動(dòng)為單半波形。

4 地線脫冰沖擊參數(shù)分析

輸電線路不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和脫冰參數(shù)條件下，地線脫冰對(duì)桿塔的沖擊作用不同。以連續(xù)三檔模型進(jìn)行數(shù)值分析，導(dǎo)線V串處的地線采用I串，地線選用GJ-150，覆冰厚度30 mm，脫冰率為100%。不同檔距下地線安裝的初始應(yīng)力見(jiàn)表5。

表5 GJ-150地線不同檔距安裝的初始應(yīng)力

4.1 地線脫冰對(duì)I型串的沖擊作用

研究表明：當(dāng)檔距為800 m、第2檔地線脫冰時(shí)，地線I串的水平?jīng)_擊效應(yīng)最大，圖2中V2串處地線絕緣子I2串上的最大水平?jīng)_擊力為87.87 kN；當(dāng)檔距800 m、高差為400 m、第2檔脫冰時(shí)，I串的垂直沖擊效應(yīng)最大， I2串上的最大垂直沖擊力為64.16 kN。

各檔脫冰時(shí)I2串垂直沖擊力隨檔距和高差的變化如圖9所示。

圖9 各檔脫冰I2串垂直沖擊力隨高差的變化

圖9表明，不同檔距條件下，高差越大，I2串垂直沖擊力就越大。

4.2 地線脫冰對(duì)耐張串的沖擊作用

當(dāng)檔距為800 m、第3檔脫冰時(shí)，圖2中TR耐張串的水平?jīng)_擊效應(yīng)最大，其最大水平?jīng)_擊力為77.30 kN。當(dāng)檔距為800 m、高差為400 m、第3檔脫冰時(shí)，TR耐張串的垂直沖擊效應(yīng)最大，其最大垂直沖擊力為60.78 kN。

各檔脫冰TR耐張串垂直沖擊力隨高差的變化如圖10所示。

圖10表明，不同檔距條件下，高差越大，TR耐張串垂直沖擊力就越大。

圖10 各檔脫冰TR耐張串垂直沖擊力隨高差的變化

5 結(jié) 語(yǔ)

上面基于脫冰計(jì)算理論，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了六分裂導(dǎo)線在檔數(shù)、檔距、高差等復(fù)合因素影響下導(dǎo)、地線的脫冰動(dòng)力響應(yīng)，分析不同參數(shù)條件下導(dǎo)線和地線脫冰對(duì)懸垂絕緣子串和耐張絕緣串的沖擊效應(yīng)和最不利控制因素。主要結(jié)論如下：

1)各種檔距高差組合中，導(dǎo)、地線檔距和高差均最大時(shí)，其沖擊效應(yīng)最大。

2)對(duì)于連續(xù)三檔六分裂線路，懸垂絕緣子串掛點(diǎn)上的水平?jīng)_擊作用在第3檔脫冰時(shí)對(duì)V2串的沖擊作用較第1檔和第2檔分別脫冰時(shí)的大；在第1檔脫冰時(shí)，作用于V1串掛點(diǎn)的垂直沖擊效應(yīng)最大。

3)對(duì)于連續(xù)三檔六分裂線路，導(dǎo)線脫冰過(guò)程中作用于耐張絕緣子串掛點(diǎn)上的沖擊效應(yīng)在最大號(hào)檔脫冰時(shí)對(duì)右端(高位端)耐張絕緣子串掛點(diǎn)的沖擊最大，水平?jīng)_擊作用會(huì)隨著檔距的增大而增大，高差的影響較弱；垂直沖擊作用會(huì)隨著檔距的增大而增大，也隨高差的增大而增大。

4)地線脫冰過(guò)程中作用于耐張絕緣子串掛點(diǎn)上的沖擊效應(yīng)在最大號(hào)檔脫冰時(shí)對(duì)右端(高位端)耐張絕緣子串掛點(diǎn)的沖擊最大；脫冰時(shí)水平?jīng)_擊作用會(huì)隨著檔距的增大而增大；垂直沖擊作用會(huì)隨著檔距的增大而增大，也隨高差的增大而增大。