±800 kV直流特高压直线塔模型的导线断线试验分析

默增禄，张子富，胡光亚

（1.国核电力规划设计研究院，北京市，100032；2.中国电力科学研究院，北京市，100055；3.江西省电力设计院，南昌市，330096）

0 引言

据统计，国内外输电线路发生断线事故的情况并不多见，尤其是采用分裂导线的线路。工程的“断线事故”，通常为雷击断线（股）、安装质量不合格（如接续管安装问题）、环境污染导致钢芯腐蚀，以及导线连接金具发热引起导线应力损失。极端气象条件，如2005年春节前后和2008年春季历史上罕见的雨雪冰冻灾害天气造成我国大范围电网先后发生冰闪跳闸、倒塔断线事故，事故主要原因是导线覆冰厚度超设计冰厚、覆冰产生的纵向不平衡张力远超杆塔设计荷载[1-8]。

在我国输电线路杆塔结构设计领域，“断线荷载”是指：导线在运行状态下受到人为或自然因素影响而发生的损伤或破坏，各相导线受力发生变化所产生的所有张力差值的集合，又称为事故/断线工况下分裂导线的“纵向不平衡张力”。纵向不平衡张力的取值，依据长期的设计和运行经验以杆塔保持合理的纵向和抗扭转刚度为尺度[8]。我国规范规定：2分裂以上导线的纵向不平衡张力，在平地、丘陵及山地线路情况下，应分别取不小于1相导线最大使用张力的15%、20%及25%，且均不应小于标准值20 kN。

课题“±800 kV级直流工程杆塔方案与荷载研究[8]”，在模拟计算分裂导线连续档距的断线张力的同时，选取1基直线塔，模拟6×LGJ－500/45导线断线工况，实测了断1～6根子导线时对铁塔的冲击荷载，本文对断线荷载的传递特点进行了分析，供设计人员参考。

1 断线试验模型与试验方法

断线张力（不平衡张力）取值大小对直线塔影响较大，故模拟断线荷载试验的原型塔选定为直线塔，塔型参考“±800 kV级直流工程杆塔方案与荷载研究”前期科研成果。导线型号为LGJ－500/45(分裂数n=6)，代表档距为450 m。模型塔与原型塔的物理比为 1∶2。

试验采用“一塔两线”的试验方案，就是1基被试塔两侧各有1档线，布置方式如图1所示。试验塔安装在万能基础上，两端导线连接在纵向加荷塔和辅助支架上，右侧为正常档，左侧为断线档。

试验中，正常档加荷绳张力取6分裂导线的运行张力T；断线档采用2根钢丝绳模拟，纵向张力分别为 T1、T2，令 T1+T2=T。依次取 T1=T/6，2T/6，……，T，分别模拟断1～6根子导线的情况。试验时利用断线装置使T1线从加荷塔上突然脱落，模拟导线突然断开。

2 试验结果分析

2.1 断线荷载在横担上的传递特点

断线荷载通过V串作用在绝缘子悬挂点上，对挂点附近的杆件影响较大。首先分析V串外侧串（又称右侧挂点）传递冲击荷载的特点，其次分析V串内侧串（又称左侧挂点）传递冲击荷载的特点，进而得到V串传递冲击荷载的主要特点。横担和塔身颈部横隔面测点布置如图2所示，横担主材、拉杆及挂线横材的增大系数如表1所示，横担底平面斜材、塔身颈部横材的增大系数如表2所示，分析1～2可以得到如下结论：

（1）37～38点的增大系数说明，纵向冲击荷载对横担吊杆有一定的影响。一般横担端部主材用板连接得比较牢固，端部挂V串的横材规格较大，因此横担端部节点刚度很大，使得断线张力向横担下平面传递的同时，对横担吊杆有一定的影响。

（2）横担下平面主材20～23等测点增大系数的变化说明，右侧挂点传递的断线冲击荷载对横担端部影响较大，对横担根部影响较小。

（3）横担下平面交叉斜材24～29等测点增大系数的变化说明，右侧挂点传递的断线冲击荷载对横担端部斜材影响较小，对横担根部斜材影响较大。

表1 横担主材、拉杆及挂线横材的增大系数Tab.1 Increment coefficient of main crossarm member,web and transverse member with wires

表2 横担底平面斜材、塔身颈部横材的增大系数Tab.2 Increment coefficient of inclined member at arm bottom plane and crossarm member of tower neck

2.2 断线荷载由横担向塔身的传递特点

塔身上部和颈部的构造特征及断线试验测点布置如图3所示。试验时一部分断线荷载通过V串右侧挂点经横担传至颈部，并经颈部横隔面分配、传递至塔身；另一部分断线荷载通过V串左侧挂点，同样经颈部横隔面分配、传递至塔身。塔身上部和颈部横隔面测点各工况的冲击增大系数如表3所示，分析表3可以得到如下结论：测点18增大系数普遍大于测点17，而测点19增大系数变化不大，这表明实测冲击荷载影响结果与计算理论相符。在V串左侧挂点处，横担下平面斜材（测点24、25）和塔身侧面斜材（测点15、16）均为K型节间，V串2支上的断线张力最后汇集于此，通过测点16（侧面）直接向塔身下部传递是最佳路径。

表3 塔身斜材与横隔材的增大系数Tab.3 Increment coefficient of tower web and transverse partition members

2.3 断线荷载在塔身上的传递特点

分析塔身主材和斜材各测点增大系数，可以得出断线冲击荷载对塔身的影响特点：塔身主材各测点每工况增大系数相对值变化较大，但呈现自下而上为从小到大的变化规律。这说明断线冲击荷载对塔身上部主材影响较大，且越靠近横担位置其受冲击作用越显著；冲击荷载对塔身下部主材影响相对较小。考虑到直线塔身部主材承载力一般受正常大风控制，且控制内力较断线荷载内力大得多，可以认为冲击荷载对塔身下部主材影响可忽略不计。

2.4 V串摆幅与断线张力冲击幅值

导线断线前，V串绝缘子底端挂线点维持初始平衡状态，这种状态称为试验的初始位移零值。当子导线断线时，断线相V串绝缘子底端挂线点由于模拟导线两侧张力不平衡，挂线点将向未断线档偏移。表4为V串绝缘子底端挂点（即位移测点2）的纵向最大摆幅，可以看出，断子导线的根数越多，测点2的最大位移即V串绝缘子底端的最大摆幅越大。但是，在本试验中断6根子导线的最大摆幅反而小于断5根时的最大摆幅，原因是绝缘子串向未断线档摆动过程中，脱落的导线由于长度的限制制约了绝缘子串的摆幅。

表4 V串导线挂点在Y方向的最大摆幅Tab.4 V-string conductor suspending point maximum swing on Y direction

根据挂点最大摆幅和V串绝缘子垂直高度的几何关系及V串绝缘子的冲击荷载（表5），可以推算出分裂导线的断线张力冲击幅值，如表6所示。从计算结果可知，试验中测得的导线断线（1～5根）产生的最大不平衡张力仅为1相导线最大使用张力的0.4%～5%，与理论研究结论相符[4，7]。

表5 V串最大实测冲击荷载Tab.5 V-string maximum measured impact load kN

表6 实测分裂导线的断线张力Tab.6 Measured broken tension of bundle conductor

2.5 “设计技术规定”试验验证

为了验证DL/T 5154—2002《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》中关于断线张力取值的合理性，对 T1=15%Tstp、20%Tstp、25%Tstp（Tstp为导线最大使用张力）进行了测试。实测V串冲击荷载幅值如表7所示，导线实际断线张力如表8所示。从表8可以看出，当断线荷载分别取 15%Tstp、20%Tstp、25%Tstp时，分裂导线实际断线张力仅为1相导线最大使用张力的0.4%～0.7%，小于设计技术规定关于的断线荷载取值。

表7 V串实测冲击荷载幅值Tab.7 Measured V-string impact load amplitudekN

表8 实测分裂导线的断线张力Tab.8 Measured broken tension of bundle conductor

3 结论

（1）冲击荷载的传递特点。断线冲击荷载对铁塔各部分的影响是不同的，主要集中在横担及上部塔身，而对塔身下部各杆件影响很小；对挂点附近的杆件影响较大，离挂点越远的杆受到的冲击荷载越小；断线张力向横担下平面传递的同时，对横担吊杆有一定的影响。

（2）断线冲击荷载幅值。根据绝缘子串摆幅（位移）与断线张力冲击幅值的对比分析，可知导线断线（1～5根）产生的最大不平衡张力并不大，仅为1相导线最大使用张力的0.4%～5%。当断线荷载分别取最大使用张力的15%、20%、25%时，实际断线张力仅为1相导线最大使用张力的0.4%～1%，远远小于杆塔设计技术规定关于的断线荷载取值。说明我国规范[1-2]规定对于直线型杆塔导线纵向不平衡张力取值能够保证其具备合理的安全储备，这一结论可用于我国规划和建设中的交、直流特高压输电线路铁塔设计荷载取值。

[1]DL/T 5092—1999110～500 kV架空送电线路设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，1999.

[2]DL/T 5154—2002架空送电线路杆塔结构设计技术规定[S].

[3]姚茂生.我国500kV输电线路倒塔事故原因分析[J].电力建设,1995,16(5)∶13-14,54.

[4]国网北京电力建设研究院，中国电力工程顾问集团公司.1000 kV级交流特高压输变电工程关键技术研究报告[R].2006.

[5]浙江大学土木工程学系.直流线路断线荷载影响的模拟计算报告[R].2007.

[6]北京东方振动和噪声技术研究所.断线工况荷载试验报告[R].2007.

[7]廖宗高，陈海波，肖立群，等.特高压输电线路直线塔纵向不平衡张力取值的探讨[J].电力建设.2006.27(2)∶1-3.

[8]中国电力科学研究院.±800 kV级直流工程杆塔方案与荷载的研究[R].2009.