微气象区500 kV输电线路抗冰能力校核分析

罗 臻，刘永鑫

(1.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网山西电力科学研究院，太原 030001)

受局部地形地势和气象条件影响，微气象区极易发生持续雨雪冰冻天气，造成线路覆冰跳闸，金具磨损、导地线断线断股、杆塔部件扭曲变形等。针对输电线塔体系覆冰受力问题，国外PEYROT et al[1]建立了输电线路断线动态张力前两个峰值的计算公式；MOZER et al[2]通过输电塔线模型试验测出杆塔在断线情况下顺导线方向的静态和动态响应；MCCLURE et al[3]采用ADINA程序分别对导线脱冰跳跃的动力过程进行了计算机数值模型，并考虑到档距、高差、绝缘子串长度以及导线的动力阻尼对导线脱冰跳跃的影响。国内李黎等[4]利用有限元方法，建立了导(地)线模型数值仿真输电塔在导(地)线断线作用下的动态响应。侯镭等[5]建立了三自由度多档导线模型，计算导线脱冰跳跃的时程响应，并分析脱冰量、档距组合、导线机械参数、均匀与非均匀脱冰等因素的影响。但是，本文涉及的微气象区覆冰严重的500 kV线路线塔体系工况复杂，分析计算覆冰跳闸前后线塔体系的覆冰荷载、导线间距、不平衡张力以及脱冰跳跃的变化情况，将对提高微气象区覆冰线路抗冰水平具有指导作用。

1 山地微气象区覆冰特点

从我国中部各省近十年覆冰跳闸的故障形式[6]来看，微气象区主要有以下特点：

1) 受温湿度、冷暖气流以及线路走向等因素影响，输电线路易覆冰期在每年的3月和11月，平均温度为-5～2 ℃，风速为3～15 m/s，主导风向与导线夹角大于45°[7-8].

2) 覆冰线路多位于大型山脉的高山大岭地带或盆地向山区过度的连续上下坡地带，平均海拔较高，小范围内受微地形、微气象条件影响严重，线路运行条件恶劣。

3) 分布在气温低、覆冰重、融冰慢地区的线路，主要存在不均匀覆冰后导地线安全距离不足的问题，较少在融冰期发生脱冰跳跃闪络。

4) 分布在气温高、覆冰轻、融冰快地区的线路，较少发生覆冰期导地线闪络故障，重点为融冰期导地线脱冰跳跃问题。

2 500 kV线路抗冰能力校核

2015年4月和11月，某山地微气象区500 kV线路7-25号杆塔区段先后发生导地线脱冰跳跃和OPGW光缆覆冰断股，线路被迫停运。

2.1 覆冰过载

输电线路覆冰后，导线弧垂最低点的实际应力会逐渐增大，当这一应力超过导线拉断力70%后达到的最大应力即为导线的覆冰过载能力[9-10]，通常这一实际应力以允许覆冰厚度表示，允许覆冰厚度越厚，则导线过载能力越强。

通常，导线状态方程式为

(1)

在计算覆冰过载能力时，假设最大实际应力与最大比载相同时气温不变，则

(2)

根据覆冰时比载g可以求得覆冰厚度

(3)

式中：l，g1分别为规律档距和导线自重比载；b，S分别为覆冰厚度和导线截面；σm，σ分别为已知及待求应力；gm，g分别为已知及待求比载；tm，t分别为已知及待求气温；E，α分别为导线弹性模量及温度膨胀系数；d为导线直径。

该线路的设计条件是最大风速30 m/s，覆冰厚度10 mm，环境温度-5 ℃；本次计算按照最大风速15 m/s，环境温度-5 ℃，在300～700 m之间选取5个代表档距进行导线和地线的覆冰过载能力校核，计算结果如图1所示。

图1 导线和地线的过载能力对比Fig.1 Comparison on icing overload capability of conducting and earth wires

该线路导线和地线过载能力合格，而OPGW光缆的覆冰过载能力偏低。OPGW光缆作为光纤复合地线，在同塔双回线路中，其过载能力应该与常规地线一致，结果表明OPGW-120光缆的过载冰厚较GJ-80地线低5 mm，覆冰过载能力偏低，相同覆冰厚度时OPGW-120光缆的应力更低，更易发生断线或闪络故障。

2.2 覆冰导线间距

导线或导地线覆冰后的线间距离直接影响着闪络故障的发生概率。不均匀覆冰后，导线或导地线在无风状态下的间隙距离应大于等于其操作过电压的间隙距离[11-12]，即导线间的操作过电压间隙距离应大于等于4.55 m，导地线间的操作过电压间隙距离应大于等于2.70 m.

两悬垂点高度不同时，导线在档距中点的弧垂为：

f=gl2/8σ0cosβ.

(4)

式中：g，β分别为导线可求比载和悬挂点高差角；l，σ0分别为规律档距和导线水平应力。

该线路的OPGW光缆采用预绞丝式线夹固定，在计算中不考虑地线滑移造成的影响。按照现场LGJ-400/35导线覆冰20 mm，OPGW-120光缆覆冰30 mm，风速10 m/s，进行导地线覆冰距离校核，计算结果如图2所示。

图2 导地线覆冰后静态间隙距离对比Fig.2 Comparison on static vertical distance between icing conducting and earth wires

分别对导电率为23%和40%的OPGW光缆进行校核，导电率为23%的光缆与导线的静态覆冰间隙距离合格，而导电率为40%的光缆不合格。说明提高OPGW光缆导电性能的同时会严重降低光缆的抗拉强度、1%伸长应力以及弹性模量，进而降低光缆应力水平；同时由计算得出，档距对导地线静态覆冰间隙距离也有一定影响，当档距大于700 m后，导地线间的静态覆冰间隙距离明显减小。

2.3 覆冰不平衡张力

受不同高程、地形、风速、风向等因素影响，不均匀覆冰后直线塔两侧导线和地线易出现不平衡张力，使杆塔产生较大的弯矩和扭矩，造成杆件损坏，甚至倒塔[13-16]。

利用等线长法，计算无应力状态下各档的线长根据直线塔的受力情况，计算水平张力差，然后换算下一档应力和档距，直到最后一档。

(5)

假设耐张段第1档的初始应力已知，通过该应力下的L算出档距

(6)

(7)

式中：σ0，g1分别为导线水平应力和自重比载；E，l，h分别为导线弹性模量、档距和高差；Tk，Tv分别为水平张力差和导线垂直荷载；TC，LC分别为悬垂绝缘子串重量和长度；Δl为档距变化量。

假设连续档中间任一档导线或地线发生脱冰跳跃，其余档导地线不发生脱冰跳跃。按照导线覆冰25 mm，地线覆冰30 mm，脱冰率75%，进行该段线路地线和导线覆冰后不平衡张力校核，计算结果如图3、图4所示。

图3 覆冰后地线不平衡张力对比Fig.3 Comparison on longitudinal tension of unevenly icing earth wires

图4 覆冰后导线不平衡张力对比Fig.4 Comparison on longitudinal tension of unevenly icing conducting wires

不均匀覆冰后，该段线路地线不平衡张力超出规程规范要求，易发生地线断股断线或损坏杆件等故障，但档距小、高差小的个别档的地线不平衡张力可以满足要求。计算结果表明，与地线相比，导线的不平衡张力更复杂些。不均匀覆冰后，直线塔两侧导线的不平衡张力合格，而耐张塔两侧导线的不平衡张力不合格，需要进一步对杆塔主要杆件承受的应力进行校核，本段线路涉及5EG-SZC2和5EG-SJC2两种塔型，主要杆件应力的校核计算结果如图5所示。

图5 杆塔主要杆件应力比计算Fig.5 Comparison on stress ratio of the main members for towers

不均匀覆冰后，随着两侧导地线荷载的增加，杆塔塔头主要杆件承受应力整体升高，横担主材成为整个塔身受力最大的部分；数据还显示，耐张塔承受应力较直线塔偏高，且耐张塔的下横担受力尤为突出。

通过校核连续档导线不平衡张力，还发现：

1) 直线塔的不平衡张力随着杆塔高差和档距的增大而增大，且档距变化对张力幅值影响较大。

2) 大档距两侧的导线更容易出现较大的不平衡张力差，且连续档内大档距的数量越多，直线塔所受的不平衡张力差越大。

2.4 脱冰跳跃

在冰凌融化脱落阶段，不均匀覆冰导地线因冰荷载的弹性势能转化为脱冰的导线动能而造成导地线在短时间内出现高频次弹跳的过程即为脱冰跳跃[17-20]。脱冰跳跃会减小线间的有效间隙距离，造成导线间或导地线间发生冰闪跳闸。

根据统计观测数据，得出跳跃幅值的经验公式

H=Δf(2 000-l)×10-3.

(8)

式中：l，Δf分别为规律档距和覆冰前后弧垂差。

假设仅有下相导线脱冰，按照脱冰率50%、覆冰厚度15 mm，中下相导线垂直间距10.85 m，水平偏移1.70 m，进行不均匀覆冰后导地线脱冰跳跃幅值校核，计算结果如图6所示。

图6 脱冰跳跃幅值计算Fig.6 Comparison on ice-shedding jump amplitude of unevenly icing wires

结合实际海拔高度和分裂导线间距，修正后导线间的工频电压最小间隙距离为3 m.随着档距的增大，脱冰跳跃幅值平缓增长，而相间净空距离则逐渐缩小。当脱冰档距超过550 m时，导线脱冰跳跃的相间净空距离无法满足工频电压下最小放电间隙要求，需要适当调整档距或进行改造。

3 结论

1) 通常导地线的设计安全系数相同，结合上述覆冰过载能力和覆冰线间距离的计算结果，在对山地微气象区线路进行设计时，应适当提高OPGW光缆的设计安全系数，增加不均匀覆冰后导地线间的空气间隙。

2) 选择OPGW光缆时，需要综合考虑最大应力、导电率、地质以及气象条件等因素。计算结果表明，与导电率23%的OPGW光缆相比，导电率40%的OPGW光缆的抗拉强度和1%伸长应力降低了近1倍，弹性模量降低约27%.

3) 不均匀覆冰时，导线和地线的不平衡张力主要体现在档距差较大的地线上和对应的耐张塔横担上，结合山地微气象区线路覆冰情况，适当缩小档距或更换加强型杆塔，并对耐张塔横担进行补强。

4) 脱冰率50%时，档距大于550 m则导线脱冰跳跃的相间动态间隙距离不满足规程要求。对于微气象区可能出现高脱冰率的其它线路区段，需要结合覆冰过载、不平衡张力计算情况，减小导线或导地线间的弧垂差。

：

[1] PEYROT A H,KLUGE R,LEE J W.Longitudinal loads from broken conductors and broken insulators and their effect on transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1980,99(1):222-234.

[2] MOZER J D,WOOD W A,HRIBAR J A.Broken wire tests on a model transmission line system[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1981,100(3):938-947.

[3] MCCLURE G,TINAWI R.Mathematical modeling of the transient response of electric transmission lines due to conductor breakage[J].Computers and Structures,1987,26(1/2):41-56.

[4] 李黎,张行,尹鹏.大跨越输电线路脱冰跳跃反应的控制研究[J].振动与冲击,2008,27(10):61-64.

LI L,ZHANG H,YIN P.Control for jumping response induced by ce-shedding of transmission lines[J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(10):61-64.

[5] 侯镭,王黎明,朱普轩,等.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):1-6.

HOU L,WANG L M,ZHU P X,et al.Dynamic behavior computation of ice shedding of UHV overhead transmission lines[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(6):1-6.

[6] 张弦.输电线路中微地形和微气象的覆冰机制及相应措施[J].电网技术,2007(S2):87-89.

ZHANG X.Mechanism and countermeasures for ice-coated transmission line in micro-terrain and microclimate region[J].Power System Technology,2007(S2):87-89.

[7] 欧阳丽莎,黄新波,李俊峰,等.1 000 kV特高压输电线路覆冰区的研究与划分[J].高压电器,2010(5):4-8.

OUYANG L S,HUANG X B,LI J F,et al.Research and division of icing area along 1 000 kV ultra high voltage AC transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2010(5):4-8.

[8] 陈勇,胡伟,王黎明,等.覆冰导线脱冰跳跃特性研究[J].中国电机工程学报,2009(28):115-121.

CHEN Y,HU W,WANG L M,et al.Research on ice-shedding characteristic of icing conductor[J].Proceedings of the CSEE,2009(28):115-121.

[9] 刘顺新,罗浩东,邓小磊.架空输电线路除冰技术分析[J].高压电器,2011(3):72-76.

LIU S X,LUO H D,DENG X L.Analysis of deicing methods for overhead transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2011(3):72-76.

[10] 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(11):27-30.

JIANG X L,MA J,WANG S H,et al.Transmission lines’ ice accidents and analysis of the formative factors[J].Electric Power,2005(11):27-30.

[11] 陆佳政,刘纯,陈红冬,等.500 kV输电塔线覆冰有限元计算[J].高电压技术,2007(10):167-169.

LU J Z,LIU C,CHEN H D,et al.Finite element calculation of 500 kV iced power transmission system[J].High Voltage Engineering,2007(10):167-169.

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

[13] 刘康,胡建林,孙才新.基于力学测量的输电线路覆冰监测计算模型[J].高压电器,2012(3):46-51.

LIU K,HU J L,SUN C X.On-line monitoring and calculation model of ice-coating on transmission lines based on mechanical measurement[J].High Voltage Apparatus,2012(3):46-51.

[14] 蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社,2002.

[15] 杨伟国,刘建.高压导电线路导线状态辨识研究[J].高压电器,2012(7):62-65.

YANG W G,LIU J.Condition identification of high-voltage transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2012(7):62-65.

[16] 李庆峰,范峥,吴穹,等.全国输电线路覆冰情况调研及事故分析[J].电网技术,2008(9):33-36.

LI Q F,FAN Z,WU Q,et al.Investigation of ice-covered transmission lines and analysis on transmission line failures caused by ice-coating in China[J].Power System Technology,2008(9):33-36.

[17] 彭向阳,周华敏,毛先胤,等.输电线路融冰初期易冰闪机理试验研究[J].高压电器,2012(11):82-86.

PENG X Y,ZHOU H M,MAO X Y,et al.Experimental study on icing-flashover mechanism for iced transmission line in early ice-melting stage[J].High Voltage Apparatus,2012(11):82-86.

[18] 王黎明,李海东,梅红伟,等.输电线路覆冰在线监测系统国内外研究综述[J].高压电器,2013(6):48-56.

WANG L M,LI H D,MEI H W,et al.Review of on-line monitoring system of ice coating on transmission lines[J].High Voltage Apparatus,2013(6):48-56.

[19] 巢亚锋,杨力,彭晓亮,等.输电线路覆冰特点及防冰技术研究综述[J].高压电器,2014(10):131-138.

CHAO Y F,YANG L,PENG X L,et al.Review of the researches on icing characteristics of transmission lines and anti-icing technologies[J].High Voltage Apparatus,2014(10):131-138.

[20] 黄新波,郑心心,朱永灿,等.典型覆冰导线碰撞系数仿真分析[J].高压电器,2016(7):82-88.

HUANG X B,ZHENG X X,ZHU Y C,et al.Simulation analysis of collision coefficient on typical shaped iced-conductors[J].High Voltage Apparatus,2016(7):82-88.