±800 kV直流特高壓直線塔模型的導(dǎo)線斷線試驗(yàn)分析

默增祿，張子富，胡光亞

（1.國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京市，100032；2.中國電力科學(xué)研究院，北京市，100055；3.江西省電力設(shè)計(jì)院，南昌市，330096）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外輸電線路發(fā)生斷線事故的情況并不多見，尤其是采用分裂導(dǎo)線的線路。工程的“斷線事故”，通常為雷擊斷線（股）、安裝質(zhì)量不合格（如接續(xù)管安裝問題）、環(huán)境污染導(dǎo)致鋼芯腐蝕，以及導(dǎo)線連接金具發(fā)熱引起導(dǎo)線應(yīng)力損失。極端氣象條件，如2005年春節(jié)前后和2008年春季歷史上罕見的雨雪冰凍災(zāi)害天氣造成我國大范圍電網(wǎng)先后發(fā)生冰閃跳閘、倒塔斷線事故，事故主要原因是導(dǎo)線覆冰厚度超設(shè)計(jì)冰厚、覆冰產(chǎn)生的縱向不平衡張力遠(yuǎn)超桿塔設(shè)計(jì)荷載[1-8]。

在我國輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，“斷線荷載”是指：導(dǎo)線在運(yùn)行狀態(tài)下受到人為或自然因素影響而發(fā)生的損傷或破壞，各相導(dǎo)線受力發(fā)生變化所產(chǎn)生的所有張力差值的集合，又稱為事故/斷線工況下分裂導(dǎo)線的“縱向不平衡張力”?？v向不平衡張力的取值，依據(jù)長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以桿塔保持合理的縱向和抗扭轉(zhuǎn)剛度為尺度[8]。我國規(guī)范規(guī)定：2分裂以上導(dǎo)線的縱向不平衡張力，在平地、丘陵及山地線路情況下，應(yīng)分別取不小于1相導(dǎo)線最大使用張力的15%、20%及25%，且均不應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)值20 kN。

課題“±800 kV級(jí)直流工程桿塔方案與荷載研究[8]”，在模擬計(jì)算分裂導(dǎo)線連續(xù)檔距的斷線張力的同時(shí)，選取1基直線塔，模擬6×LGJ－500/45導(dǎo)線斷線工況，實(shí)測(cè)了斷1～6根子導(dǎo)線時(shí)對(duì)鐵塔的沖擊荷載，本文對(duì)斷線荷載的傳遞特點(diǎn)進(jìn)行了分析，供設(shè)計(jì)人員參考。

1 斷線試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)方法

斷線張力（不平衡張力）取值大小對(duì)直線塔影響較大，故模擬斷線荷載試驗(yàn)的原型塔選定為直線塔，塔型參考“±800 kV級(jí)直流工程桿塔方案與荷載研究”前期科研成果。導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ－500/45(分裂數(shù)n=6)，代表檔距為450 m。模型塔與原型塔的物理比為 1∶2。

試驗(yàn)采用“一塔兩線”的試驗(yàn)方案，就是1基被試塔兩側(cè)各有1檔線，布置方式如圖1所示。試驗(yàn)塔安裝在萬能基礎(chǔ)上，兩端導(dǎo)線連接在縱向加荷塔和輔助支架上，右側(cè)為正常檔，左側(cè)為斷線檔。

試驗(yàn)中，正常檔加荷繩張力取6分裂導(dǎo)線的運(yùn)行張力T；斷線檔采用2根鋼絲繩模擬，縱向張力分別為 T1、T2，令 T1+T2=T。依次取 T1=T/6，2T/6，……，T，分別模擬斷1～6根子導(dǎo)線的情況。試驗(yàn)時(shí)利用斷線裝置使T1線從加荷塔上突然脫落，模擬導(dǎo)線突然斷開。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 斷線荷載在橫擔(dān)上的傳遞特點(diǎn)

斷線荷載通過V串作用在絕緣子懸掛點(diǎn)上，對(duì)掛點(diǎn)附近的桿件影響較大。首先分析V串外側(cè)串（又稱右側(cè)掛點(diǎn)）傳遞沖擊荷載的特點(diǎn)，其次分析V串內(nèi)側(cè)串（又稱左側(cè)掛點(diǎn)）傳遞沖擊荷載的特點(diǎn)，進(jìn)而得到V串傳遞沖擊荷載的主要特點(diǎn)。橫擔(dān)和塔身頸部橫隔面測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，橫擔(dān)主材、拉桿及掛線橫材的增大系數(shù)如表1所示，橫擔(dān)底平面斜材、塔身頸部橫材的增大系數(shù)如表2所示，分析1～2可以得到如下結(jié)論：

（1）37～38點(diǎn)的增大系數(shù)說明，縱向沖擊荷載對(duì)橫擔(dān)吊桿有一定的影響。一般橫擔(dān)端部主材用板連接得比較牢固，端部掛V串的橫材規(guī)格較大，因此橫擔(dān)端部節(jié)點(diǎn)剛度很大，使得斷線張力向橫擔(dān)下平面?zhèn)鬟f的同時(shí)，對(duì)橫擔(dān)吊桿有一定的影響。

（2）橫擔(dān)下平面主材20～23等測(cè)點(diǎn)增大系數(shù)的變化說明，右側(cè)掛點(diǎn)傳遞的斷線沖擊荷載對(duì)橫擔(dān)端部影響較大，對(duì)橫擔(dān)根部影響較小。

（3）橫擔(dān)下平面交叉斜材24～29等測(cè)點(diǎn)增大系數(shù)的變化說明，右側(cè)掛點(diǎn)傳遞的斷線沖擊荷載對(duì)橫擔(dān)端部斜材影響較小，對(duì)橫擔(dān)根部斜材影響較大。

表1 橫擔(dān)主材、拉桿及掛線橫材的增大系數(shù)Tab.1 Increment coefficient of main crossarm member,web and transverse member with wires

表2 橫擔(dān)底平面斜材、塔身頸部橫材的增大系數(shù)Tab.2 Increment coefficient of inclined member at arm bottom plane and crossarm member of tower neck

2.2 斷線荷載由橫擔(dān)向塔身的傳遞特點(diǎn)

塔身上部和頸部的構(gòu)造特征及斷線試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)一部分?jǐn)嗑€荷載通過V串右側(cè)掛點(diǎn)經(jīng)橫擔(dān)傳至頸部，并經(jīng)頸部橫隔面分配、傳遞至塔身；另一部分?jǐn)嗑€荷載通過V串左側(cè)掛點(diǎn)，同樣經(jīng)頸部橫隔面分配、傳遞至塔身。塔身上部和頸部橫隔面測(cè)點(diǎn)各工況的沖擊增大系數(shù)如表3所示，分析表3可以得到如下結(jié)論：測(cè)點(diǎn)18增大系數(shù)普遍大于測(cè)點(diǎn)17，而測(cè)點(diǎn)19增大系數(shù)變化不大，這表明實(shí)測(cè)沖擊荷載影響結(jié)果與計(jì)算理論相符。在V串左側(cè)掛點(diǎn)處，橫擔(dān)下平面斜材（測(cè)點(diǎn)24、25）和塔身側(cè)面斜材（測(cè)點(diǎn)15、16）均為K型節(jié)間，V串2支上的斷線張力最后匯集于此，通過測(cè)點(diǎn)16（側(cè)面）直接向塔身下部傳遞是最佳路徑。

表3 塔身斜材與橫隔材的增大系數(shù)Tab.3 Increment coefficient of tower web and transverse partition members

2.3 斷線荷載在塔身上的傳遞特點(diǎn)

分析塔身主材和斜材各測(cè)點(diǎn)增大系數(shù)，可以得出斷線沖擊荷載對(duì)塔身的影響特點(diǎn)：塔身主材各測(cè)點(diǎn)每工況增大系數(shù)相對(duì)值變化較大，但呈現(xiàn)自下而上為從小到大的變化規(guī)律。這說明斷線沖擊荷載對(duì)塔身上部主材影響較大，且越靠近橫擔(dān)位置其受沖擊作用越顯著；沖擊荷載對(duì)塔身下部主材影響相對(duì)較小?？紤]到直線塔身部主材承載力一般受正常大風(fēng)控制，且控制內(nèi)力較斷線荷載內(nèi)力大得多，可以認(rèn)為沖擊荷載對(duì)塔身下部主材影響可忽略不計(jì)。

2.4 V串?dāng)[幅與斷線張力沖擊幅值

導(dǎo)線斷線前，V串絕緣子底端掛線點(diǎn)維持初始平衡狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為試驗(yàn)的初始位移零值。當(dāng)子導(dǎo)線斷線時(shí)，斷線相V串絕緣子底端掛線點(diǎn)由于模擬導(dǎo)線兩側(cè)張力不平衡，掛線點(diǎn)將向未斷線檔偏移。表4為V串絕緣子底端掛點(diǎn)（即位移測(cè)點(diǎn)2）的縱向最大擺幅，可以看出，斷子導(dǎo)線的根數(shù)越多，測(cè)點(diǎn)2的最大位移即V串絕緣子底端的最大擺幅越大。但是，在本試驗(yàn)中斷6根子導(dǎo)線的最大擺幅反而小于斷5根時(shí)的最大擺幅，原因是絕緣子串向未斷線檔擺動(dòng)過程中，脫落的導(dǎo)線由于長(zhǎng)度的限制制約了絕緣子串的擺幅。

表4 V串導(dǎo)線掛點(diǎn)在Y方向的最大擺幅Tab.4 V-string conductor suspending point maximum swing on Y direction

根據(jù)掛點(diǎn)最大擺幅和V串絕緣子垂直高度的幾何關(guān)系及V串絕緣子的沖擊荷載（表5），可以推算出分裂導(dǎo)線的斷線張力沖擊幅值，如表6所示。從計(jì)算結(jié)果可知，試驗(yàn)中測(cè)得的導(dǎo)線斷線（1～5根）產(chǎn)生的最大不平衡張力僅為1相導(dǎo)線最大使用張力的0.4%～5%，與理論研究結(jié)論相符[4，7]。

表5 V串最大實(shí)測(cè)沖擊荷載Tab.5 V-string maximum measured impact load kN

表6 實(shí)測(cè)分裂導(dǎo)線的斷線張力Tab.6 Measured broken tension of bundle conductor

2.5 “設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定”試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證DL/T 5154—2002《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》中關(guān)于斷線張力取值的合理性，對(duì) T1=15%Tstp、20%Tstp、25%Tstp（Tstp為導(dǎo)線最大使用張力）進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)V串沖擊荷載幅值如表7所示，導(dǎo)線實(shí)際斷線張力如表8所示。從表8可以看出，當(dāng)斷線荷載分別取 15%Tstp、20%Tstp、25%Tstp時(shí)，分裂導(dǎo)線實(shí)際斷線張力僅為1相導(dǎo)線最大使用張力的0.4%～0.7%，小于設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定關(guān)于的斷線荷載取值。

表7 V串實(shí)測(cè)沖擊荷載幅值Tab.7 Measured V-string impact load amplitudekN

表8 實(shí)測(cè)分裂導(dǎo)線的斷線張力Tab.8 Measured broken tension of bundle conductor

3 結(jié)論

（1）沖擊荷載的傳遞特點(diǎn)。斷線沖擊荷載對(duì)鐵塔各部分的影響是不同的，主要集中在橫擔(dān)及上部塔身，而對(duì)塔身下部各桿件影響很小；對(duì)掛點(diǎn)附近的桿件影響較大，離掛點(diǎn)越遠(yuǎn)的桿受到的沖擊荷載越??；斷線張力向橫擔(dān)下平面?zhèn)鬟f的同時(shí)，對(duì)橫擔(dān)吊桿有一定的影響。

（2）斷線沖擊荷載幅值。根據(jù)絕緣子串?dāng)[幅（位移）與斷線張力沖擊幅值的對(duì)比分析，可知導(dǎo)線斷線（1～5根）產(chǎn)生的最大不平衡張力并不大，僅為1相導(dǎo)線最大使用張力的0.4%～5%。當(dāng)斷線荷載分別取最大使用張力的15%、20%、25%時(shí)，實(shí)際斷線張力僅為1相導(dǎo)線最大使用張力的0.4%～1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于桿塔設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定關(guān)于的斷線荷載取值。說明我國規(guī)范[1-2]規(guī)定對(duì)于直線型桿塔導(dǎo)線縱向不平衡張力取值能夠保證其具備合理的安全儲(chǔ)備，這一結(jié)論可用于我國規(guī)劃和建設(shè)中的交、直流特高壓輸電線路鐵塔設(shè)計(jì)荷載取值。

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