500kV输电线路相间间隔棒对覆冰导线脱冰跳跃的研究

熊浩然 龚玉德

（国网江西省电力公司检修分公司，江西 南昌330043）

0 引言

我国是世界上输电线路覆冰最为严重的国家之一，其中在湖南、湖北、江西等南方省份尤为严重。在覆冰导线脱冰时，导线会产生跳跃性的剧烈运动，从而导致临相导线间空隙间隙减小，严重时造成导线间闪络或短路，造成线路跳闸；此外，导线脱冰时会产生较大的冲击力，使得绝缘子串挂点处受到较大不平衡张力，严重时造成塔身塔材破坏、倒塔断线等机械事故。

国内外学者对导线脱冰跳跃及抑制问题进行了研究。加拿大的Janez学者通过建立有限元模型，对110kV线路的脱冰问题进行研究，研究表明脱冰跳跃使导线产生很大振幅。中国电力科学研究院的杨风利等人通过建立塔线体系模型，进行导线脱冰跳跃的动力响应分析，得出了不同工况下导线跳跃高度、挂点荷载及塔材杆件内力的变化规律。华中科技大学的李黎、张行等学者针对大跨越输电线路脱冰跳跃进行控制研究，重点在铁塔的塔头处加装粘弹铅芯阻尼器，研究表明：阻尼器的加装对于导线的脱冰跳跃有较好的减震效果。

1 塔线-相间间隔棒体系的有限元理论

1.1 导线悬链线理论

根据DL/T 5092-1999P《110-500kV架空送电线路设计技术规程》，导线的悬链线方程为如式1所示：

式中：σ0为架空线最低点处的应力，γ为沿架空线的均布比载。

1.2 导线覆冰脱冰模拟方法

目前，模拟输电线路导线覆冰脱冰的方法有如下四种：质量块法、单元生死法、Tamas模型法和等效荷载法。本文采用等效荷载法进行导线覆冰脱冰模拟，等效荷载法即先计算出一档导线覆冰的自重，然后把冰的自重均匀分散到导线单元的节点上。实际线路中，导线脱冰是一个复杂和随机的过程，导线脱冰可分为均匀脱冰和非均匀脱冰，均匀脱冰和不均匀脱冰的形式如图1所示，本文脱冰方式选用非均匀脱冰。

图1 脱冰模拟方法示意图

2 塔线-相间间隔棒体系有限元模型

建立输电塔线-相间间隔棒体系的有限元模型，输电塔为5D-SZ1型双回路直线塔，导线为4×LGJ-100/35型四分裂钢芯铝绞线，地线为JLB1A-120-19型铝包钢绞线，绝缘子为FXB4-500/160棒形悬式复合绝缘子。档距布置为连续3档，档距均为500m，不考虑高差的影响，且在有限元模型中，将四分裂导线简化成单根导线进行数值模拟。两塔三线输电塔线-相间间隔棒体系的有限元模型如图2所示。

在有限元模型中，铁塔主材用BEAM189单元模拟，铁塔辅材用LINK8单元模拟；导、地线用LINK10单元模拟；悬垂绝缘子、相间间隔棒用LINK8单元模拟。本文中，选取物理特性为半刚性相间间隔棒进行研究，即相间间隔棒两端为球铰结构，可沿任意方向转动，保证间隔棒在外界工况下只承受轴向力。根据现场实际经验，本文将相间间隔棒安装在0.47档距处、0.53档距处（1×2），相间间隔棒布置图如图3所示。

图2 塔线-相间间隔棒体系有限元模型图

图3 一档内相间间隔棒布置图

3 不同脱冰相下相间间隔棒对塔顶水平位移的抑制研究

在研究导线脱冰跳跃对铁塔的影响这一问题时，首先要对其影响部位进行分析。当导线在不同工况下发生脱冰跳跃时，首先影响的是导线挂点处，由于该挂点在受到不平衡张力作用时会出现倾斜，严重时会出现断线、倒塔，故对输电塔塔顶位移的分析十分重要。

本节通过选取不同脱冰相组合，研究安装相间间隔棒前后，导线脱冰跳跃时对塔顶位移的影响，所得数据经过MATLAB处理，绘制出其波形图。选用非均匀脱冰的形式模拟脱冰,其中三档全部覆冰中间档脱冰，间隔棒的棒芯直径取30mm，覆冰厚度为30mm，脱冰量为50%脱冰，脱冰相分别选取以下三种方案：

1）中间档左侧中相

2）中间档右侧下相和左侧中相

3）中间档左侧上、下相和右侧上、下相

在线路中加装相间间隔棒前、后，塔顶水平位移如图4所示：

图4一侧中相脱冰塔顶位移时程曲线

图5 左侧中相、右侧下相脱冰塔顶位移时程曲线

图6两侧上下相+上下相脱冰塔顶

图7方案1位移时程曲线

在不同脱冰相组合下，导线脱冰跳跃时，相间间隔棒的安装对输电塔塔顶水平位移起到抑制作用。当中间档一侧中相脱冰时，在无间隔棒时，塔顶水平位移为12mm,加装间隔棒时，塔顶水平位移为7mm。当两侧两相脱冰时，加装间隔棒塔顶水平位移的改变较小，只减少了5mm。

4 相间间隔棒合适的布置方案

根据实际经验，塔线体系脱冰跳跃时，选取几种不同的相间间隔棒布置方案，建立模型进行数值模拟，布置方案如下：

方案 （1）：0.47、0.53 档距处 （2）； 方案 （2）：2/9、1/2、7/9 档距处（3）； 方案（3）：1/4、1/3、2/3、3/4 档距处。 三种方案的有限元模型如图7、8、9 所示。

图8 方案2

图9 方案3

分别计算30mm覆冰，三档档距都为500m，三档全部覆冰，都加装相间间隔棒，只有中间档脱冰，脱冰量为100%脱冰，相间间隔棒的棒芯直径为30mm，采用不同相间间隔棒布置方案，进行分析研究不同的相间间隔棒布置方案对塔线体系脱冰跳跃的抑制效果。由于多相同时脱冰的几率相对比较小，所以本文只考虑单相脱冰，选取中间档的一侧中相脱冰的情况。对比不同相间间隔棒的布置方案，对塔线体系脱冰跳跃的抑制效果。通过有限元软件ANSYS进行数值模拟分析得出数据，所得数据经过MATLAB处理，绘制出其波形图。下面绘出在不同的相间间隔棒布置方案时，脱冰档导线跨中点的脱冰跳跃最大位移和导线水平张力图进行对比分析。

图10 不同相间间隔棒布置方案的导线最低点位移时程曲线

图11 不同相间间隔棒布置方案的导线水平张力时程曲线

从图10可以看出，不同的相间间隔棒布置方案，对导线跳跃位移的抑制效果影响不一样。方案2能够更好的抑制导线中点最大跳跃位移。从图11可以看出，不同的相间间隔棒布置方案，对导线水平张力的抑制效果影响不一样。方案1能很好的抑制导线水平张力的最大值，但是缓减振动冲击时间的相对较长。方案2和方案3对抑制导线水平张力的最大值几乎差别不大，但较方案1能在更短的时间内缓减振动冲击。

5 展望

由于脱冰跳跃的实际过程极其复杂，本文只考虑了输电塔线体系均匀覆冰、不均匀脱冰的情况；也没有对地线、塔腿等部分进行分析；把分裂导线等效成一根导线，忽略了分裂导线之间的脱冰跳跃情况，所以对分裂导线和三相整体塔线体系的脱冰跳跃问题还有待进一步研究。

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