相间间隔棒抑制输电线路导线脱冰跳跃的研究

谢　芳　冯　炳

(1．绍兴文理学院　土木工程学院，浙江　绍兴312000；2.国网绍兴供电公司，浙江　绍兴312000)



相间间隔棒抑制输电线路导线脱冰跳跃的研究

谢芳1冯炳2

(1．绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000；2.国网绍兴供电公司，浙江绍兴312000)

摘要：针对重冰区导线脱冰跳跃容易引起闪络和倒塔事故，采用相间间隔棒优化重冰区线路的建设方案.通过对脱冰跳跃时的塔线耦合体系的动力分析，可以有效降低导线脱冰跳跃高度60%左右，减小不平衡张力约30%，同时还能控制导线线间的接近距离，缩小塔头尺寸，优化塔材指标.通过综合造价比较分析，可节省本体投资约3%，并大幅降低因脱冰跳跃引起的事故概率.

关键词：相间间隔棒；脱冰跳跃；塔线耦合；有限元分析

引言

电力是人类生存和社会发展的重要能源，近年来，随着国家经济、社会持续快速发展，电网产业也飞速发展.高压输电线路体系作为电网中重要的生命线工程，其安全性直接关系到电力系统正常功能的实现，是电力输送系统设计的首要目标.高压输电线路路径长、途径区域广，对重覆冰区域无法完全避让.而覆冰事故一直是影响输电线路安全运行的重要因素之一，在2008年、2013年两次大范围的雨雪冰冻灾害中，浙江、湖南、贵州等地区电网蒙受巨大的损失.

覆冰引起输电线路事故的原因主要有以下几个方面[1-3]：导地线重覆冰、导线脱冰跳跃、导地线断线以及导地线覆冰舞动等.导线脱冰跳跃为冰区输电线路中的常见现象，是指导线上的覆冰在气温升高、自然风力作用或振动敲击下产生的同期或不同期脱落，从而引起导线的不规则跳跃.导线脱冰跳跃会引起导线间隙减小，造成闪络事故；同时会对铁塔产生动态冲击作用使其失稳甚至破坏[4-5].

1方案的提出

针对重冰区导线脱冰跳跃容易引起闪络和倒塔事故，我们提出了一种采用相间间隔棒优化重冰区线路的建设方案，该方案导线采用三角排列，三相导线通过档距中央的三支相间间隔棒连成一个整体，形成一个稳定的三角结构，如图1所示.

由图可知，当其中一相导线发生脱冰跳跃时，其他两相导线会通过相间间隔棒对其产生抑制作用，大幅减小跳跃高度，同时导线的不平衡张力也会通过相间间隔棒重新分配，由三相导线共同承担.

图1　重冰区猫头塔采用相间间隔棒抑制脱冰跳跃效果图

2采用相间间隔棒抑制脱冰跳跃方案的动力分析

结合某220kV重冰区输电线路工程实际，建立某5档耐张段线路有限元模型，1号塔和6号塔处固接，有限元模型如图2所示.本工程导线采用高强度耐热铝合金型线JGQNRLHX/G1A-500/65，设计安全系数为2.5，采用单导线形式，最大使用张力为70.042kN，地线型号为铝包钢绞线JLB20A-120，设计安全系数为2.8.

图2　线路有限元模型

2.1未安装相间间隔棒时脱冰跳跃及不平衡张力分析

该耐张段的设计冰厚为30mm，分别计算未安装相间间隔棒，冰厚为15mm、20mm、30mm和40mm时该耐张段塔线耦合系统的导线脱冰动力响应，脱冰导线位置为D档上相，脱冰率100%.计算结果表明，当D档100%脱冰时，临近的3#塔及其绝缘子的受力较大.图3所示为30mm覆冰时，未安装相间间隔棒的导线最大脱冰跳跃高度变形图.表1为不同冰厚时，导线脱冰跳跃高度、3#塔挂点不平衡张力、垂直荷载以及挂点荷载放大系数的计算结果.

图3　未安装相间间隔棒线路变形图(30mm)

表1不同覆冰厚度计算结果(无相间间隔棒)

覆冰厚度(mm)跳跃高度(m)不平衡张力(kN)αH垂直力(kN)αV1513.9131.132.10-53.741.212019.4348.962.17-68.601.293025.4065.62.11-80.121.274030.8669.161.75-98.391.33

表2列出了不同覆冰厚度下时，3#塔关键部位杆件的内力比值.由表可知，当冰厚达到40mm时，D档导线的脱冰跳跃使得3#塔塔头的杆件应力超限10%～40%.

表2不同覆冰厚度构件内力计算结果(无相间间隔棒)

覆冰厚度(m)铁塔主材内力(kN)下曲臂主材上曲臂主材上横担主材2060.161.157.63077.495.188.44090.4135.6113.3

2.2安装相间间隔棒后脱冰跳跃及不平衡张力分析

采用ANSYS有限元分析软件，对在D档跨中安装相间间隔棒后的脱冰跳跃与不平衡张力进行了计算，其中相间间隔棒棒芯采用BEAM188梁单元模拟，直径取20mm，弹性模量取5.183×1010N/m2.

表3为安装相间间隔棒后，不同覆冰厚度下导线脱冰跳跃高度及不平衡张力计算结果.由表可知，安装相间间隔棒后可降低导线脱冰跳跃高度60%以上，降低挂点不平衡张力34%～44%.说明安装相间间隔棒对导线脱冰跳跃有良好的抑制效果.

图4　安装相间间隔棒后线路变形图

表3不同覆冰厚度计算结果(有相间间隔棒)

覆冰厚度(mm)跳跃高度(m)跳跃高度降低(%)不平衡张力(kN)不平衡张力降低(%)158.1158.310.7134.42012.1462.521.3543.63016.5465.128.9344.14020.4666.325.3836.7

表4为安装相间间隔棒后，冰厚取20mm、30mm、40mm时，3#塔关键部位杆件的应力比.由表可知，安装相间间隔棒后，导线脱冰跳跃产生的不平衡张力和动力效应明显减小，塔头各部位杆件内力降低约30%～40%.

表4塔头构件内力计算结果(有相间间隔棒)

覆冰厚度(m)铁塔主材内力(kN)下曲臂主材/减小百分比(%)上曲臂主材/减小百分比(%)上横担主材/减小百分比(%)2041.5/31-39.7/3535.7/383051.1/34-65.6/3155.7/374061.5/32-94.9/3075.9/33

由上可知，导线采用三角排列并安装相间间隔棒，可以减小导线脱冰跳跃高度60%，减小脱冰跳跃平衡力30%，同时大幅降低铁塔塔头构件内力，因此，本工程重冰区段推荐采用导线三角排列并安装相间间隔棒方案.

3相间间隔棒对塔头间隙影响分析

3.1考虑相间间隔棒的导线布置型式比较

对于单回路直线型自立塔来说，国内外输电线路工程广泛使用的塔型有酒杯塔(水平排列)和猫头塔(垂直排列)两种(如图5所示).以往重冰区输电线路根据重覆冰架空输电线路设计技术规程的要求，一般宜采用水平排列的酒杯塔型.

酒杯型塔(水平排列)　　猫头塔(三角排列)图5　常见重冰区直线塔型式

酒杯塔导线采用水平排列，减少了导线间脱冰跳跃引起闪络事故的概率，但由于边相导线的提高，为满足防雷保护角和导地线偏移的要求，重冰区酒杯塔地线顶架较高，且在重覆冰和脱冰跳跃时导地线接近容易引发闪络事故.猫头塔导线虽采用三角排列，中相导线升高6.0m，塔头高度有所增加，但其地线支架高度和导线横担长度远小于酒杯塔，塔材指标与酒杯塔相当，走廊宽度也较小.

我们分别对水平排列和三角排列的导线在安装相间间隔棒后的脱冰跳跃抑制效果进行了计算.计算工况：覆冰厚度为30mm，档距350m，中相100%脱冰.导线采用JGQNRLHX/G1A-500/65，安全系数2.5，均在档距中间1/2位置安装相间间隔棒，水平排列加2支间隔棒，三角排列加3支间隔棒.计算结果如表5所示.

由表可知，导线三角排列时3支间隔棒组成稳定的三角结构，因此能有效地限制脱冰跳跃高度和不平衡张力，安装间隔棒的抑制效果明显优于导线水平排列，且导线水平排列的间隔棒在脱冰跳跃初期内力远远大于三角排列，对间隔棒材料的强度要求较高.因此，在实际工程中推荐采用导线三角排列的猫头塔加装间隔棒的方案来抑制重冰区脱冰跳跃.

表5不同导线排列方式加相间间隔棒计算结果

导线排列方式间隔棒安装跳跃高度(m)跳跃高度降低(%)不平衡张力(kN)不平衡张力降低(%)三角无11.55/16.9/安装4.626111.432.50水平无11.55/16.9/安装7.623413.619.30

3.2安装相间间隔棒后导地线间距计算

重冰区规范规定：为防止和减小导地线接近闪络的概率，需要满足导线在不同期脱冰时与地线静态接近的距离不应小于操作过电压间隙值，动态接近距离不应小于工频电压间隙值的要求.

我们通过有限元建模模拟分析了导线在脱冰跳跃时导地线间的最小接近距离，计算工况：覆冰厚度为30mm，档距350m，中相100%脱冰.导线采用JGQNRLHX/G1A-500/65，安全系数2.5，在档距中间1/2位置安装三角形相间间隔棒，地线顶架高度取5.0米.计算结果如表6所示.图6为导地线距离时程曲线.

由图表可知，未安装相间间隔棒时，导地线最小接近距离仅为0.52米，小于工频电压间隙值，不符合规范要求.在安装相间间隔棒后，导线跳跃高度大幅降低，导地线最小接近距离增大为2.51米，说明安装相间间隔棒后，抑制导线脱冰跳跃效果明显.

表6导地线接近距离计算结果

间隔棒安装跳跃高度(m)跳跃高度降低(%)导地线接近最小距离(m)无11.55/0.52安装4.62612.51

无间隔棒

有间隔棒图6　导地线接近距离时程曲线

3.3安装相间间隔棒后导线间间距计算

与水平排列不同，导线三角排列时，下相导线脱冰跳跃会导致上下相导线间接近闪络，规范要求：为防止上下导线间接近闪络，导线间应有足够的水平位移距离，下导线脱冰跳跃时与上导线间最小接近距离宜大于工频相间间隙距离的1.25倍.同时导线间的垂直距离需满足在下导线脱冰率不少于80%时，脱冰相导线与上导线静态接近距离不少于相间操作过电压间隙值.

我们通过有限元建模模拟分析了导线在脱冰跳跃时导地线间的最小接近距离，计算工况：覆冰厚度为30mm，档距350m，左下相100%脱冰.导线采用JGQNRLHX/G1A-500/65，安全系数2.5，在档距中间1/2位置安装三角形相间间隔棒，上下相挂点水平距离取6米，垂直距离取5.6米.计算结果如表7所示.图7为导地线距离时程曲线.

由图表可知，未安装相间间隔棒时，边中相导线间最小接近距离仅为0.32米，小于工频电压间隙值，不符合规范要求.在安装相间间隔棒后，边相导线跳跃高度降低幅度小于中相导线，跳跃高度降低22%，但由于间隔棒的存在，有效的抑制了两相导线间的接近，最小接近距离为4.11米，优于水平排列的酒杯塔，说明在重冰区采用导线三角排列并安装相间间隔棒的猫头塔方案完全可行.在安装相间间隔棒后，能有效减小各相导线间接近距离，缩小塔头尺寸.

表7导线间接近距离计算结果

塔头型式跳跃高度(m)跳跃高度降低(%)边中相导线接近最小距离(m)猫头塔无间隔棒11.55/0.32猫头塔安装间隔棒9.02224.11酒杯塔无间隔棒11.55/2.54

无间隔棒

有间隔棒图7　导线间接近距离时程曲线

3.4安装相间间隔棒后塔头间隙规划

根据有限元分析计算结果，采用相间间隔棒对220kV单回路输电线路导地线接近距离增加约2米，考虑地线保护角与偏移，220kV重冰区直线塔地线顶架高度取4米.采用相间间隔棒对抑制上下相导线间接近效果明显，效果甚至优于导线水平排列的酒杯塔，因此可以大幅减小导线线间距离，缩小塔头尺寸.安装相间间隔棒后，转角塔塔头尺寸可以明显缩小，下导线间距可以从12米减小为8米，上下相导线垂直间距可以从6米减小为4米.

4相间间隔棒抑制重冰区线路脱冰跳跃方案技术经济分析

我们对重冰区220kV单回路输电线路常规导线水平排列建设方案与采用相间间隔棒导线三角排列建设方案在相同使用条件下进行了各方面的技术经济比较.比较结果如表8所示：

由表可知，导线三角排列并采用相间间隔棒后，直线塔地线顶架高度明显降低，因此猫头塔塔重略小于常规酒杯塔.而由于转角塔导线横担和层高大幅减小，塔重明显减小.采用相间间隔棒方案，可节省本体投资3%左右，且能大幅降低重冰区线路因导地线脱冰跳跃引起的闪络概率和不平衡张力.

表8重冰区不同建设方案技术经济比较表

建设方案直线塔转角塔塔型塔重(kg)基础工程量(m3)塔型塔重(kg)基础工程量(m3)总费用(万元)脱冰跳跃时跳跃高度减小(%)不平衡力减小(%)无相间间隔棒酒杯塔1008232羊角型152846073.7//采用相间间隔棒猫头塔997830干字型138765271.86030

备注：按“耐—直—直—直—耐”五基塔计算，铁塔钢材7500元/吨，钢筋砼1300元/方，相间间隔棒3000元/支.

5结论

1)通过对脱冰跳跃时的塔线耦合体系的动力分析，采用相间间隔棒的方案可以有效的降低导线脱冰跳跃高度60%左右，减小不平衡张力约30%.

2)脱冰跳跃动力分析结果表明，相间间隔棒能有效控制导线线间、导地线线间的接近距离，从而缩小塔头尺寸，优化塔材指标.

3)通过综合造价比较分析，该方案可节省本体投资约3%，并大幅降低因脱冰跳跃引起的事故概率.

参考文献:

[1]蒋兴良,马俊,王少华,等.输电线路冰害事故及原因分析[J].中国电力,2005,38(11):27-30.

[2]黄强,王家红,欧名勇.2005年湖南电网冰灾事故分析及其应对措施[J].电网技术,2005,29(24):16-19.

[3]卞荣.浙江电网输电线路冰灾原因分析及对策研究[D].北京：华北电力大学,2010.

[4]杨靖波,李正,杨风利,等.2008年电网冰灾覆冰及倒塔特征分析[J].电网与水力发电进展,2008,24(4):4-8.

[5]李正,杨靖波,韩军科,等.2008年输电线路冰灾倒塔原因分析[J].电网技术,2009,33(2):31-35.

[6]李黎,曹化锦,罗先国,等.输电塔-线体系的舞动及风振控制[J].高电压技术,2011,37(5):1253-1260.

[7]曹化锦,李黎,姜维,等.输电塔-线体系舞动仿真及控制研究[J].振动与冲击，2011，30(12):245-249.

[8]王黎明,范钦珊，薛家麒，等.与相间合成绝缘间隔棒大挠度屈曲研究及应用[J].清华大学学报(自然科学版),1997(1):9-12.

[9]王黎明,范钦珊,薛家麒.相间合成绝缘间隔棒后屈曲性态研究[J].清华大学学报(自然科学版)，1996(9):70-76.

(责任编辑鲁越青)

Study of Effect of Phase Space on Jump of Ice-shedding in Transmission Line

Xie Fang1Feng Bing2

(1. Shaoxing Universty College of engingeering, Shaoxing Zhejiang 312000;2. Shaoxing Electric Power Bureau, Shaoxing, Zhejiang 312000)

Abstract：Targeted at the flashovers and tower failures caused by ice-shedding, this paper proposes a new construction scheme of the transmission line in heavy ice areas with phase space. The results of the dynamic analysis of the tower-line coupling system show that the scheme can effectively reduce wire ice-shedding height by approximately 60%, reduce the unbalanced tension by 30% or so; meanwhile it can control the distance between wires, reduce the size of the tower head, and optimize tower materials index. Through the comparative analysis of comprehensive cost, the scheme can save approximately 3% of the total investment and substantially reduce the probability of accidents caused by ice-shedding.

Key words：phase space; jump of ice-shedding; tower-line system; finite element analysis

收稿日期：2016-03-21基金项目：浙江省教育厅科研项目(Y201533931)

作者简介：谢芳(1981-)，女，浙江绍兴人，讲师，主要研究方向：土木工程与输电线路结构.

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.22

中图分类号：TM75

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2016)07-0105-07