城沐一线500kV线路取消架空地线力学性能分析

范松海，雷云泽，龚奕宇，王 言（．国网四川电力科学研究院，成都 60000； ．清华大学深圳研究生院，深圳 58055）



城沐一线500kV线路取消架空地线力学性能分析

范松海1，雷云泽2，龚奕宇1，王 言2
（1．国网四川电力科学研究院，成都 610000； 2．清华大学深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：架空地线的主要作用是防止雷电直击导线，但在冬季，由于架空地线线径较细，强度较低，多次因地线覆冰引发断线、跳闸事故，因此提出了取消重冰区500 kV线路架空地线的做法。使用有限元仿真工具ANSYS Workbench，以城沐一线500 kV线路三基杆塔为对象进行建模，对取消地线前后城沐一线的力学性能做了仿真计算。计算结果表明，在不同的覆冰强度下，取消地线后杆塔塔头及塔身主材所受拉力及应力都有所下降，提高了整个塔线体系在冬季运行的可靠性。结果可为冰区超高压电网的运行维护工作提供指导。

关键词：城沐一线；取消地线；有限元；覆冰；应力

引言

四川省西昌大箐梁子海拔约2 500 m，处于冷暖交汇分水岭，有一条由南至北的峡谷，西北方向10 km的邛海为该地段输电线路覆冰提供充足水汽源，是典型的微地形微气象带，同通道的线路有500 kV城沐一二线、500 kV月普一二线、±800 kV锦苏线及其接地极线路。近三年，大箐梁子输电通道共发生4起断线（3次为断地线）、2起倒塔故障，发生覆冰跳闸17次（其中已查明有11次由于覆冰引起导线和底线间距不够导致跳闸）。架空地线覆冰已严重影响大箐梁子输电通道线路安全稳定运行。

地线覆冰对输电线路的危害主要有：导线对地线放电，当相邻档距间的覆冰分布不均衡，或者地线不同期脱冰引发跳跃时，地线和导线间的距离减小，引起导线对地线放电；地线断裂，由于地线线径明显小于导线线径，其覆冰厚度比导线大，同时强度低于导线，当覆冰达到一定厚度，超过地线承受能力时，将导致地线断裂。

针对目前的现场状况，考虑取消地线是一个可行的减少故障次数的手段。为了比较地线取消前后对线路受力的影响，需要借助有限元仿真软件，通过对取消地线前后的塔线体系进行建模和力学仿真，得出杆塔主材和导线、地线的受力、应力等。从而对取消地线这一手段进行评估。

1 模型建立

1.1 线路选取

选取地线覆冰断裂跳闸事故较为严重的城沐一线作为仿真对象，为了简化仿真模型，选取三基杆塔及其间的导地线，建立三基塔线体系模型。这三基杆塔的关键参数见表1。

基于经纬度以及海拔高度，可以将三基杆塔的位置转换为XYZ空间中的坐标，以便于建模。以050#杆塔的位置作为原点，得出三基杆塔的坐标见表2。

1.2 塔线体系建模

确定三基杆塔的位置后，为了在计算机计算能力的限制下尽可能提高精确度，需要对杆塔、绝缘子、导线等部件进行适当简化。简化原则如下：

1）杆塔只保留主材，主材杆件均用直径10 cm的圆柱状结构钢材料进行建模，杆件之间连接处为紧密接触，并进行圆角处理。

2）绝缘子用圆柱状钢材料进行建模，长度维持绝缘子原长度不变，直径则以质量不变为原则进行调整。

3）导线、地线的建模，以有效横截面积不变为原则，均简化为单根横截面为圆形的钢质杆结构，其中，导线每相为四分裂，合并为单根导线，并保持与四根分裂导线总横截面积相同，地线原本即为单根，保持横截面积不变。

经过上述建模方法，建成了城沐一线050#～052#三基杆塔组成的塔线体系，如图1所示。

其中细节如051#号全塔如图2所示。

表1　三基杆塔关键参数

表2　三基杆塔XYZ坐标

图1　城沐一线三基杆塔体系

图2　城沐一线#051号杆塔模型

2 塔线体系力学仿真

2.1 覆冰程度模拟

根据城沐一线现场观测经验，按最大覆冰厚度20 mm计。考虑导地线的空间尺度远大于杆塔，计算时仅考虑导地线上的覆冰。又由于覆冰在导地线表面附着，对导地线的强度没有贡献，可以认为是处处均匀分布的质量。将覆冰与导地线模型合并，提出等效密度的概念，即覆冰的附着导致导地线的质量增加，等效于导地线的密度随之改变。不同覆冰程度下的导地线等效密度如表3所示。

其中，导线型号为JL/G1A-500/45钢芯铝绞线，地线型号为GJ-120钢芯铝绞线，可以看出，由于地线的线径较细，随着覆冰厚度的增加，其等效密度比导线要大很多，这从侧面验证了地线容易断裂的实际现象，支持了取消地线的措施的必要性。

2.2 仿真结果

整个塔线体系在自重作用下的形变如图3所示。

其中最大弧垂发生在050#号杆塔和051#号杆塔之间的中间相导线中部。杆塔塔头部分均有轻微变形，绝缘子均朝着受力方向发生倾斜和弯曲，塔身相对形变较小，如图4所示。

3 结果分析

3.1 导地线弧垂与覆冰厚度的关系

以城沐一线塔线体系的最大弧垂为观测目标，分地线取消前后的情况，观察导线和地线的最大弧垂随覆冰厚度增加的变化情况。

导线、地线均覆冰的情况下，两者的最大弧垂随覆冰厚度的变化如表4所示。

可见随着覆冰厚度的增加，导线和地线弧垂都在增大，如图5所示。

表3　导地线在不同覆冰厚度下的等效密度

图3　城沐一线塔线体系整体形变

图4　城沐一线050#杆塔形变（放大到3.3倍）

从图中可见，当未覆冰时，地线弧垂小于导线会吹，而当覆冰开始后，地线弧垂很快就大于导线，并且地线弧垂的增长速度大于导线，因此在覆冰严重时，地线可能与导线之间的间距过小，导致导线对地线放电引发事故。

取消地线后，导线的最大弧垂随覆冰厚度增加的变化情况如表5所示，为便于比较，将取消地线前后导线的最大弧垂作于同一张图中，如图6所示。

从图中可见，地线被取消后，导线的弧垂有所减小，但并不明显，这是由于地线被取消后，减小了对杆塔的拉力，从而塔头的形变减小，进而使导线弧垂减小，而杆塔相对于导地线来说是一个高刚性物体，形变范围有限。但是，取消地线可以彻底消除导线对地线放电的可能性。

3.2 导地线应力与覆冰厚度的关系

导地线覆冰将使其所受载荷增大，反映在导地线本身上，使其承受更大的拉力，考虑到导线和地线的线径不同，本文采用导地线最低点的拉应力来对其各自的负载情况进行表征。

取消地线前，导线和地线各自所承受的拉应力如表6和图7所示。

从图中可见，覆冰之前，导线和地线所承受拉应力比较接近，覆冰开始后，地线拉应力的增长速度远快于导线，这使得地线在覆冰较厚的情况下有断裂的危险。

地线取消后，导线所受应力随覆冰厚度的变化情况如表7所示。

将取消地线前后导线所受拉应力画在一张图中，如图8所示。

从图中可见，地线取消后，导线所受拉应力有略微增加，其原因与地线取消后导线弧垂减小的原因类似，塔头由于没有了地线的拉力，从而使塔头形变减小，进而增大了导线所承受的拉力。

表5　取消地线后导线在不同覆冰厚度下的最大弧垂

图6　取消地线前后导线最大弧垂

表6　取消地线前导地线在不同覆冰厚度下的拉应力

图7　取消地线前导地线拉应力

表7　取消地线后导线在不同覆冰厚度下的拉应力

图8　地线取消前后导线所受拉应力

3.3 塔头形变与覆冰厚度的关系

以中部杆塔即#051号杆塔塔头横担处的最大形变为观察指标，地线取消前后，此杆塔的最大形变如表8和图9所示。

从表和图中可见，地线取消后，由于减少了塔头所受负载，因此杆塔的形变有所减小，从而减小了杆塔倒塌或者掉线的危险。不过杆塔受力主要还是由导线自重及其上的覆冰所致，因此取消地线对塔头形变的影响幅度有限。

参考文献:

[1]侯镭.架空输电线路导线非线性动力特性研究[D].北京：清华大学, 2008.

[2]毛峰. 基于有限元方法的不同覆冰状态输电塔线体系力学特性研究[D].重庆：重庆大学, 2011.

[3]杨风利,杨靖波,张子富. 重覆冰区特高压悬垂型杆塔不平衡张力分析[J]. 电网技术,2012,03:234-240.

[4]杨伦. 覆冰输电线路舞动试验研究和非线性动力学分析[D].浙江：浙江大学,2014.

[5]何洪波,周晶晶,黄勇祥. 重覆冰区直线型杆塔覆冰过载薄弱部位分析[J]. 电力勘测设计,2015,06:58-62.

[6]吕玉祥,段晓丽,杨北革,薛辉,孙博. 架空输电线路杆塔承受的导线覆冰冰重的研究[J]. 黑龙江电力,2010,03:196-197, 201.

4 结论

由上文中的讨论可知，随着覆冰厚度的增加，地线所承受的拉应力增长速度远大于导线，易于发生断裂，因此取消地线可以消除地线断裂的隐患。另外，覆冰时由于地线弧垂的增长速度大于导线弧垂，因此取消地线后也可以减少导线对地线放电的风险。另一方面，取消地线可以减小塔头受力，从而减小塔头形变，但影响幅度不大，还能略微增大导线弧垂和导线所受拉应力。总的来说，取消地线主要是可以防止地线断裂和导线对地线放电，对导线和杆塔本身的受力情况影响不大。

中图分类号：TM863

文献标识码：A

文章编号：1004-7204（2016）02-0041-05

作者简介:

范松海(1977)，男，博士，高工，从事电网防灾减灾及状态监测。

雷云泽(1991)，男，硕士研究生，主要从事外绝缘检测方面的研究。

表8　取消地线前后#051号杆塔塔头最大形变

图9　杆塔的最大形变

Analysis on the Mechanical Performance of the 500 kV Chengmu No.1 Transmission Line After Removing the Overhead Ground Wires

FAN Song-hai1, Lei Yun-ze2, Gong Yi-yu1, Wang Yan2
(1. Sichuan Electric Power Research Institute, Qingyang District, Chengdu 610000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：The overhead ground line can prevent the conduct line from direct lightning hit. But in winter, iced ground lines fracture and power supply interruptions happen for many times due to the thin diameter and the lower strength of the ground lines. Removing the overhead ground lines is a method to make a difference. In this paper, we use the finite element method (FEM) software, ANSYS Workbench, to simulate the mechanical performance of the 500 kV Chengmu No.1 transmission line with & without the ground wires based on the three towers model. The simulation result shows that the dragging force and the stress of the tower main material decrease after removing the ground Wires under different ice thickness. In this way, the reliability of the whole system of towers and lines is strengthened when running in winter. This paper can be an instruction on the daily job of the EHV transmission line in icing districts.

Key words：chengmu No.1 transmission line; removing ground line; FEM; icing; stress