500 kV同塔双回线路抗冰能力分析及防治措施研究

牛 彪，任建峰，米康民

（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

500 kV同塔双回线路抗冰能力分析及防治措施研究

牛 彪，任建峰，米康民

（国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

500 kV输电线路是国家“西电东送”战略的重要输电通道，然而受山西地理条件制约，发生多起覆冰故障，对电网安全稳定运行带来严重挑战。根据国家有关规程，对山西500 kV同塔双回线路进行覆冰计算，同时对实际导线进行覆冰分析，并提出相应防冰措施，以提升电网整体防冰能力。

输电线路；抗冰；分析计算；改造措施

0 引言

随着社会经济的发展，输变电设备电压等级不断提升，目前，山西电网已形成500 kV输电线路为主网架结构的高压交、直流混合电网。同时，由于500 kV多条输电通道是京、津、唐电网的重要电源，具有极其重要的政治和经济地位。然而在“西电东送”的战略格局下，500 kV输电走廊必然得通过吕梁山区和太行山区，山区地理情况复杂，微气象环境恶劣，导致山西省发生多起500 kV输电线路覆冰故障，严重危机到电网的安全稳定运行。

其中，同塔双回线路受覆冰跳闸影响最为严重，电力大规模损失和负荷大范围转移严重考验电厂机组和电网调度能力。因此，对山西电网500 kV同塔双回线路进行专题覆冰分析，根据国家有关规程，对导地线覆冰过载、覆冰距离、不平衡张力差和脱冰跳跃4个方面进行模拟计算，同时对实际线路应用计算，根据计算结果给出相应的防冰措施，能有效提高电网整体防冰能力。

1 抗冰分析原则

1.1 线路覆冰特点

近年来山西境内500 kV故障线路覆冰特点如下。

a)山西北部线路易覆冰期温度-10～-5℃，南部线路易覆冰期温度-5～2℃。

b)北部线路气温低，融冰缓慢，覆冰较重，较少在融冰时发生脱冰跳跃闪络，应重点分析导地线覆冰接近问题。

c)中南部线路气温高，融冰较快，覆冰较轻，较少发生覆冰导地线间接近闪络，应重点分析融冰时脱冰跳跃问题。

1.2 抗冰计算要求

根据《重覆冰架空输电线路设计技术规程》（DLT5440—2009） 第10.0.1规定：导线与导线（地线）静态接近距离不应小于操作过电压间隙值（挡距中导线对地线2.7 m、挡距中相间4.6 m），动态接近距离不应小于工频电压的间隙值（挡距中导线对地线1.3 m、挡距中相间2.2 m）。

2 线路抗冰分析方法

2.1 导地线覆冰过载

在覆冰工况下，导地应力不应超过最大使用应力，过载能力是指导线应力超出规程规定而达到70%的破坏应力，一般用允许覆冰厚度来表示，允许覆冰厚度越厚，导地线允许的过载能力越强。

从导线状态方程式和比载计算公式推导计算导线最大过载冰厚，当最大使用应力出现在最大比载时tm=t，由（1）、（2）式计算覆冰比载，由（3）式计算过载冰厚。

式中：l、g1——规律挡距和导线自重比载，m、Nm·mm-2；

b、S——覆冰厚度和导线截面，mm·mm-2；

σm、σ——已知及待求应力，N·mm-2；gm、g——已知及待求应力，Nm·mm-2；tm、t——已知及待求应力，℃；

E、α——导线弹性系数及温度系数，N·mm-2、1/℃。

2.2 导地线覆冰距离

由于导地线弹性伸长系数、电线比载、覆冰程度、最大使用应力等参数特性不同，导致覆冰时导地线弧垂变化不同，特别是光纤复合架空地线 OPGW(optical fiber composite overhead ground wire)光缆弹性模量E较小，其覆冰后弧垂较镀锌钢绞线下降更大，导致OPGW光缆与导线间隙更小发生短路故障。为此由式（4）对不同导电率的OPGW弧垂和导线弧垂进行了计算[1-2]。

f、g分别为导地线弧垂和高差角：m，（°）。

2.3 覆冰不平衡张力

因挡距或高差不等或各挡覆冰程度不同，会引起各挡导地线的水平应力发生变化，使直线塔上出现纵向覆冰不平衡张力，严重时会造成杆塔受损和倒塔事故。因此需分析线路杆塔覆冰不平衡张力，避免造成倒塔事故。由式（5）计算耐张段第一挡导线线长，并由式（6）反算挡距，由式（7）计算下一挡张力差和导线应力，至最后一挡板。直到累计挡距等于实际挡距为止，得出每挡不平衡张力，然后校核每基塔在不平衡张力条件下受力情况[3]。

L、Lc、l、Δl分别为导线线长、悬垂绝缘子串长、挡距、挡距变化量，单位均为m。

Th、Tv、Tc分别为导线张力差、导线垂直荷载、绝缘子重量，单位均为N。

2.4 脱冰跳跃

温度回升覆冰导线会自动脱冰，在脱冰时导线会产生跳跃性的剧烈运动，覆冰状态下的导地线张力弹性势能转化为脱冰后导线的动能，并进一步转化为重力势能，从而使导线跳起，临相导线间隙减小，造成导线间或导地线间闪络跳闸等故障，由经验公式（8） 计算跳跃幅值[4]。

H为跳跃幅值，l为挡距，Δf为覆冰前后弧垂差，Dv为导线间或导地线间距离。

3 抗冰分析实例

500 kV轩忻双回线7—25号处于轩岗云中山连续上山区段，地形起伏较大，大部分塔基为孤山梁，顺线路方向地形陡峭，线路海拔高度由1 300 m变为1 923 m。经对故障原因、实际冰厚、线路走向、地形地貌、海拔高差等进行综合分析，确定对该区段线路进行抗冰分析。

3.1 导地线覆冰过载

对该线路使用导地线型号进行分析计算，采用的LGJ-400/35钢芯铝绞线、GJ-80镀锌钢绞线、OPGW光缆覆冰过载能力满足要求。计算结果如表1所示。

3.2 导地线覆冰距离

导线覆冰25 mm，地线覆冰30 mm，风速10 m/s。验算导、地线覆冰后的净空距离，静态接近距离不应小于操作过电压的间隙值2.7 m。计算结果如表2所示。

表1 500 kV轩忻双回线导地线覆冰过载能力

表2 500 kV轩忻双回线覆冰后导地线距离不满足要求区段

3.3 杆塔覆冰荷载

对导地线断线张力和不均匀覆冰纵向张力进行分析，导线覆冰25 mm，地线覆冰30 mm。对5EG-SJC2、5EG-SZC2两种常用塔型在新旧规程设计条件下进行杆塔荷载校验，应力百分比接近1.5的杆件主要集中在直线塔、耐张塔横担主材等处。计算结果如表3、表4所示。

3.4 覆冰不平衡张力

经对导、地线OPGW不均匀覆冰纵向张力进行验算，按照脱冰率75%进行分析，计算结果如下。

导线不均匀覆冰纵向张力差，耐张塔相导线最小张力差84 760.8 N（13号、5EG-SJC1-30），最大张力差85 493.5 N（17号、5EG-SJC1-30）；直线塔相导线最小张力差 3 503.3 N（18号、5EG-SZC3-51），最大张力差69 236.2 N（23号、5EG-SZC4-51）。

OPGW光缆不均匀覆冰纵向张力差，耐张塔OPGW最小张力差20 720 N（13号、5EG-SJC1-30），最大张力差20 926.9 N（17号、5EG-SJC1-30）；直线塔OPGW最小张力差5 709.9 N（21号、5EG-SZC2-36），最大张力差20 491 N（23号、5EG-SZC4-51）。

表4 500 kV轩忻双回线5EG-SZC2塔分析计算结果

3.5 脱冰跳跃

导线LGJ-400/35、覆冰15 mm、导线脱冰率50%，且下相导线脱冰，其他相导线和地线不脱冰。分析塔型为5E-SZC4，塔结构尺寸，中下相导线垂直间距10.85 m、水平偏移1.7 m；导线采用4分裂，分裂间距为0.45 m。

对导线与地线、不同相导线间的最小间隙在工频过电压和操作过电压下分别进行修正。导线相间的工频电压空气间隙值不小于2.4 m，考虑子导线分裂间距间隙取值3 m。计算结果如表5所示。

表5 500 kV双回路塔脱冰跳跃相间距离

3.6 抗冰分析结论

a)500 kV轩忻双回线15—25导线、OPGW光缆过载能力不足，其余线路区段均满足要求。

b)在保证杆塔地线支架承受张力不变的条件下，铝包钢绞线导电率40%的OPGW光缆在分析覆冰情况下，覆冰区段光缆与导线距离不满足要求。选择铝包钢绞线导电率23%的OPGW光缆，经分析在覆冰情况下，覆冰区段光缆与导线距离能满足操作过电压2.7 m的要求。

c)应力百分比接近1.5的杆件主要集中在直线塔、耐张塔横担主材等处。

d)耐张塔、直线塔的导、地线最大张力差均略小于原杆塔设计张力差，已达到杆塔最大的设计荷载值，覆冰后纵向张力差最大为线路实际挡距相差最大的杆塔。

e）经过计算，挡距超过600 m，脱冰率50%，相间导线脱冰跳跃距离不满足要求。

3.7 抗冰改造措施

a)对覆冰倒塔断线或覆冰严重的故障段，以观冰数据为依据，按照冰区图分界点上限值进行改造。

b)对因架空地线、OPGW光缆严重覆冰引起弧垂下降，导致导地线净空距离不足跳闸的区段，采取优化OPGW光缆选型、增加地线支架水平偏移、提高地线金具强度和握着力等综合措施进行改造。

c)对存在发生相间导线脱冰跳跃的区段，采取双回路改单回路、局部缩小挡距、安装相间隔棒等方式改造。

d)当重冰区直线塔两侧挡距比大于等于2.5倍，且挡距超过600 m时，经校验不平衡张力不满足时，采取大挡距侧增加杆塔或更换加强型塔的方式进行改造。

4 结束语

本文从导地线覆冰过载能力、导地线覆冰距离、覆冰不平衡张力、覆冰杆塔荷载、脱冰跳跃等方面对500 kV线路典型杆塔进行了全面细致的分析，并通过对实际运行线路进行计算得到500 kV轩忻双回线抗冰薄弱环节，通过制定有针对性措施取得了良好效果。

[1] 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册：第2版 [M].北京：中国电力出版社，2003.

[2] 邵天晓.架空送电线路的电线力学计算：第2版 [M].北京：中国电力出版社，2003.

[3] 张子引，刘学军.架空输电线路连续挡不平衡张力计算 [J].电力建设，2009，30(5)：32-34.

[4] 侯镭，王黎明.特高压线路覆冰脱落跳跃的动力计算 [J].中国电机工程学报，2008，28（6）：1-4.

Anti-icing Ability Check and Control Measures of 500 kV Common-tower Double-circuit Transmission Lines

NIU Biao,REN Jianfeng,MI Kangmin
（State Grid Shanxi Electric Power Corporation,Taiyuan,Shanxi030001,China）

500 kV transmission lines are important transmission channels for the state's strategy of"West to East power transmission",however,due to the geographical conditions of Shanxi,a number of icing failures occur,which poses a serious challenge to the safe and stable operation of power grid.According to the relevant regulations of the state,the icing calculation of Shanxi 500 kV common-tower double-circuit transmission lines is carried out.Meanwhile,the icinganalysis ofthe actual conductor is carried out,and the correspondinganti-icingmeasures are put forward,which can improve the overall ice resistance ofthe power grid.

transmission lines;anti-icing;analysis calculation;transformation measures

TM752+.5

A

1671-0320（2017）04-0035-04

2017-04-28，

2017-05-12

牛 彪（1981），男，山西太原人，2008年毕业于太原理工大学电力系统自动化专业，硕士，高级工程师，从事输电线路运检管理工作；

任建峰（1981），女，山西朔州人，2004年毕业于山西大学工程学院电气工程及其自动化专业，硕士，高级工程师，从事电网设备改造管理工作；

米康民（1973），男，山西河津人，1994年毕业于武汉水利电力大学高电压设备及其绝缘技术专业，硕士，高级工程师，从事电网设备检修管理工作。