不均匀覆冰不平衡张力计算及分析

谭笛

（云南送变电工程有限公司，昆明 650216）

0 前言

重冰区输电线路在不均匀覆冰及不同期脱冰情况下的不平衡张力计算，是重冰区输电线路特有的荷载形式之一，是杆塔强度设计及导、地线配合计算的基础。导线覆冰首先是由气象条件决定的,是受温度、湿度、冷暖空气对流、环流以及风速等因素决定的综合物理现象[6]。不平衡张力是危害输电线路安全稳定运行的重要因素之一，不平衡张力主要由不均匀覆冰造成[7]。运行中常见的有覆冰不均匀和脱冰不均匀两种主要类型。不均匀覆冰荷载持续时间相对较长，导、地线具有同期性，对杆塔产生很大的纵向弯矩；不均匀脱冰荷载持续时间相对较短，其不均匀性与冰凌性质密切相关，雨凇类冰凌不均匀程度很小，雾凇分为软雾凇和硬雾凇2种。导线上积覆雾凇时,常常是两者并存。风携带雾中或云中的过冷却小水滴一个接一个不断与导线表面碰撞并冻结而产生雾凇[9]。雾凇及粘附雪不均匀程度较大，会使杆塔受到最大弯矩和扭矩。

不均匀覆冰荷载主要是由于各档所处的地形、高程、风速、风向等不同，而使各档覆冰厚度不同或冰凌崩溃期出现不同期脱冰现象，从而产生不平衡张力差。

当出现不均匀覆冰或不同期脱冰情况时，悬垂绝缘子串产生偏移，覆冰较重的档距中导线弧垂增大，在杆塔两侧产生不平衡张力差。不平衡张力随着覆冰率、档距组合、安全系数、电线型号、绝缘子串长度、杆塔型式、耐张段长度、档距的高差及计算图式的不同而变化。当导线已脱冰而地线仍有覆冰时，可能在档距中间发生导、地线接近以致闪络事故；不均匀覆冰或不同期脱冰产生的不平衡张力差，可能使塔身、塔头、横担遭受破坏或造成导线对塔身、横担闪络放电事故。文献[4]认为当架空线路处于连续上下山地段，以及分水岭、垭口、风道等微地形、微气象点时，由于不均匀覆冰或不同期脱冰，使悬垂绝缘子串偏移，导、地线跳跃舞动，会造成频繁的闪络跳闸及悬垂绝缘子串翻上横担等事故，故对上述线段应认真校验不均匀覆冰情况下悬垂绝缘子串偏移后的电气间隙。气象条件是输电线路设计的关键境因素，气象条件的选择是否合理直接关系到输电线路的建设投资和安全运行。在新建线路设计时，路径方案选择应尽量避让重冰区地段，有利于减少线路建设投资，提高线路运行安全性[10-12]。

文献[1]对覆冰纵向不平衡张力的取值作出了规定,为输电线路设计人员提供了设计依据,但当气象条件比较恶劣、计算条件不同于规程规范时,设计人员仍需对条件恶劣的耐张段进行不平衡张力的校核和分析,对可能存在较大不平衡张力的地段采取杆塔加强或避让等处理措施[5]。

1 不均匀覆冰不平衡张力计算

不均匀覆冰不平衡张力计算采用试凑图解法[2-3]。根据文献[1]的规定，重冰区线路不均匀覆冰荷载情况按未断线、-5℃、有不均匀冰、同时风速10m/s计算。不平衡张力覆冰率，按线路等级，取一侧覆冰100%，另一侧覆冰20%～40%。

不均匀覆冰所导致的直线杆塔两侧产生不平衡张力主要来自于相邻档覆冰率差异以及同档内各相导线覆冰量的差异[8]。直线杆塔不均匀覆冰不平衡张力计算的档距组合及图式见图1和图2。当出现不平衡张力时，悬垂绝缘子串会向张力大的一侧偏移，直至新的平衡状态，随着耐张段内档数增加，最大不平衡张力逐渐增加，6档以下不平衡张力增加较快，6档以上增加较为缓慢[5]。档距对不平衡张力的影响最为显著，其次是高差[13]。随着耐张段内连续档数量的增加，导线不平衡张力也随之增大，但很快便趋向饱和[14]。随着档数的增加，其导线脱冰纵向不平衡张力变大，但纵向不平衡张力的增加幅度越来越小，当连续档数为5档时，其最大纵向不平衡张力基本趋于稳定[15]。

本文计算中设耐张段中有5个等档，各档档距相等，悬挂点等高。覆冰重的档距在一侧（图1①②③档覆冰100%，图2①②③④档覆冰100%），而覆冰轻的档距在另一侧（图1④⑤档覆冰40%，图2⑤档覆冰40%）。

图1 不平衡张力的计算组合图式（一）

图2 不平衡张力的计算组合图式（二）

计算方法采用下述图解法：

1.1 绘制图解曲线

以安装情况的应力σ0作为起始条件，然后判断不均匀覆冰时哪些档是档距缩短，哪些档是档距伸长。利用状态方程计算档距缩短或伸长后各档的应力。

曲线Ⅰ：T=f1(Δl)表示档距伸长量与电线应力（或张力）的变化关系。

式中σn、gn、tn—待求情况下电线的应力、比载、温度；

σ0、g0、t0—安装情况下电线的应力、比载、温度；

Δl—档距伸长量（取正值），m；

E—电线的弹性系数，10Mp；

α—电线的温度膨胀系数，1/℃；

l—档距，m。

式中Δl′—档距缩短量（取负值），m。

其它符号意义与（1）式相同。

式中δ—悬垂线夹的顺线偏移值，m；

λ—悬垂绝缘子串长度，m；

ΔT—不平衡张力差，kg；

Gn—导线覆冰后的重量kg；

S—导线截面积，mm2

g7—导线覆冰时综合比载，10MPa/m；

G2（冰）—悬垂绝缘子覆冰后的重量，kg。

1.2 图解步骤

图3 不均匀覆冰不平衡张力图解

用试凑图解法，开始于耐张段的#1号塔，任选T1。

图解的最后一点应恰好在曲线Ⅰ上，否则应重选T1重复以上试凑过程。最后解得的δ与ΔT即为各直线杆塔上线夹偏距及两侧张力差。在等档等高情况下，在覆冰不均匀分界杆上的不平衡张力值可能最大。

采用试凑图解法（参见图3），从耐张段#1号塔开始，任选T1。

在工程设计中宜采用图1的计算组合图式。

2 结束语

1）不均匀覆冰工况下的导线不平衡张力，20mm冰区为导线最大使用张力的5.65%—6.5%，30mm冰区为导线最大使用张力的10.1%；计算值远小于文献[1]中不平衡张力的取值，即20mm冰区为最大使用张力的25%，30mm冰区为最大使用张力的29%；计算结果表明，随着覆冰厚度的增大，不均匀覆冰不平衡张力也随之增加。一般情况下不需要按覆冰率进行繁琐的计算，可偏安全地按文献[1]中最大设计张力的百分数选取不均匀覆冰不平衡张力；但对连续上下山及频繁出现不均匀覆冰的微地形、微气象点，仍需按覆冰率用试凑图解法进行不均匀覆冰不平衡张力计算。

2）不均匀覆冰不平衡张力受档距组合、覆冰率、安全系数、电线型号、悬垂绝缘子串长度、杆塔型式、耐张段长度及各档距的高差等因素的影响。上述因素的影响是分散的，一般无规律可循。本计算按耐张段内有5个等档、悬点等高的假设条件进行计算，其结果只是近似值。

3）重冰区线路都处于山区，线路高差起伏较大，地形、地貌复杂，造成档距之间导、地线覆冰条件的差异，设计时应校验导线和地线不同期脱冰时静态接近距离，此距离不应小于线路操作过电压的间隙值，以防止导、地线闪络事故。

4）线路设计时应认真调查搜集气象资料及邻近线路的运行经验，对频繁出现不均匀覆冰或不同期脱冰的微地形、微气象点，需校验不均匀覆冰或不同期脱冰情况下的电气间隙及杆塔强度。尤其是对雾凇及湿雪覆冰线路段，在冰雪脱落时，导线先脱冰，地线仍有覆冰，地线弧垂落于导线弧垂之下，更易造成电气闪络及杆塔损坏事故，这种校验更加必要。