500kV 緊湊型線路導線脫冰跳躍計算分析

李 輝 梁盼望 侯長健

（中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司，湖南長沙410007）

0 引言

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，輸電線路走廊日益緊張，在路徑走廊擁擠地區(qū)采用緊湊型輸電方案具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益[1]，因緊湊型線路通過壓縮導線相間距離來壓縮輸電線路走廊，因此存在相間距離小于常規(guī)輸電線路的固有缺陷，導線脫冰跳躍后相間距離尤為緊張。因此，本文針對500 kV垂直排列雙回緊湊型線路開展舞動不平衡張力計算，對鐵塔進行安全校核，確保線路在舞動區(qū)的安全運行。

1 計算模型

1.1 邊界條件

本文研究以500 kV緊湊型線路為例，氣象條件為27 m/s，10 mm覆冰、15 mm覆冰、20 mm覆冰，導線采用等腰倒三角布置，如圖1所示，頂部邊長取6.7 m，腰長取7.2 m。

圖1 導線布置方式

1.2 導線參數(shù)

500 kV緊湊型線路導線采用6分裂導線型式，考慮的導線型號如表1所示。

表1 導線分裂數(shù)及型號

1.3 導線相間最小空氣間隙

根據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》（GB 50545—2010）：海拔500 m以下，500 kV工頻電壓下，相對地的最小空氣間隙為1.20 m。

則500 kV輸電線路，導線相間最小空氣間隙為：1.2×≈2.079 m。

根據(jù)《500 kV緊湊型架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[2]（Q/GDW 110—2003），500 kV操作過電壓下，檔距中央的相間最小間隙取為3.85 m。

2 架空線路導線力學計算模型

架空輸電導線的懸鏈線方程為（坐標原點取為懸鏈線的最低點）：

式中：σ0為導線最低點應(yīng)力（MPa）；g為架空導線的比載（即單位長度導線所承受的載荷與導線截面積的比值，MPa/m）；l為檔距（m）。

導線在不同氣象條件A和B下的應(yīng)力滿足如下的狀態(tài)方程式：

式中：E為架空導線的彈性模量（MPa）；l為檔距（m）；g為架空導線的比載（即單位長度導線所承受的載荷與導線截面積的比值，MPa/m）；σ為導線應(yīng)力（MPa）；t為溫度（℃）。

3 導線脫冰動力計算

3.1 導線脫冰運動過程

覆冰脫落條件下導線動力計算，是模擬在設(shè)計覆冰的條件下（氣溫-5 ℃，風速0 m/s，覆冰厚度15 mm），初始狀態(tài)三相導線均為100%覆冰，t=0時刻，下相導線（導線2）的全檔覆冰的50%（以全部覆冰的冰重計）脫落，引起下相導線（導線2）跳起的動態(tài)過程。

3.2 脫冰時懸垂串擺動

設(shè)計覆冰不均勻脫落條件下，絕緣子串沿Z（導線走向）方向擺動。當架空輸電線路的導線發(fā)生覆冰脫落時，除了覆冰脫落導線將向上垂直跳起外，由于覆冰量減小，導線張力將同時減小，將會導致懸垂絕緣子串兩側(cè)張力出現(xiàn)不平衡量，使懸掛點絕緣子串發(fā)生擺動，另一方面絕緣子串的擺動，將加大導線跳起的高度。

如圖2所示，懸垂絕緣子串兩側(cè)分別連接相鄰兩檔導線，在兩側(cè)導線張力的共同作用下達到平衡。當兩側(cè)導線的覆冰狀況發(fā)生變化時，兩側(cè)導線的張力也發(fā)生變化，懸垂絕緣子串沿Z方向擺動，直至達到新的平衡。

圖2 懸垂絕緣子串的受力及平衡

根據(jù)受力平衡原理，導線懸掛點處所受合力為0，即兩側(cè)導線張力及絕緣子串的拉力的總合力為0，可得：

式中：TIS為絕緣子串的拉力（N）；θ為絕緣子串與垂直方向的偏轉(zhuǎn)角。

3.3 連續(xù)檔導線脫冰計算模型

為了準確分析覆冰脫落情況下的導線運動規(guī)律，有必要建立多檔導線模型。如圖3所示，考慮2N+1檔的導線模型，2N+1檔導線為一個耐張段，兩側(cè)由耐張串懸掛，內(nèi)部檔間由懸垂串懸掛。

假定多檔導線模型中，各懸掛點間無高差，且假設(shè)串1～N及N+2～2N+1共2N檔的檔距均為400 m，第N+1檔為脫冰檔，檔距為300～1 000 m。

4 計算結(jié)果

導線不同脫冰率下脫冰跳躍計算結(jié)果如表2、表3所示。

由表2、表3計算結(jié)果可見：

（1）導線發(fā)生覆冰脫落后，由于不平衡張力，導線及懸垂絕緣子串將會發(fā)生Z向偏移。

（2）3種型號導線LGJ-300/40、LGJ-240/40、LHBGJ-300/20，在相同的覆冰脫落條件下，大檔距時，就最大跳起高度而言，LGJ-300/40小于LGJ-240/40，LGJ-240/40小于LHBGJ-300/20，即LGJ-300/40抗脫冰跳動性能最好。

（3）兩種脫冰工況，嚴重程度排序為：50%覆冰瞬時脫落＞25%覆冰瞬時脫落。

圖3 多檔導線模型

表2 50%覆冰瞬間脫落的動力計算結(jié)果（5檔）

表3 25%覆冰瞬間脫落的動力計算結(jié)果（5檔）

5 結(jié)語

本文針對500 kV緊湊型線路開展導線脫冰跳躍計算分析，結(jié)果表明，導線發(fā)生覆冰脫落后，由于不平衡張力，將會使導線及懸垂絕緣子串發(fā)生偏移，不同導線的脫冰跳躍特性存在一定差異，脫冰率越高，脫冰跳躍越嚴重。