輸電線路覆冰災(zāi)害分析及防治

薛慶蓮 劉向陽(yáng)

(1．廣州供電局有限公司輸電管理所，廣東廣州 510310;2．中國(guó)南方電網(wǎng)公司調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)抽水蓄能電站建設(shè)管理局，廣東清遠(yuǎn) 511853)

覆冰災(zāi)害是長(zhǎng)期困擾輸電線路的老問(wèn)題，世界范圍內(nèi)每年都會(huì)因覆冰災(zāi)害導(dǎo)致架空輸電線路大面積跳閘、斷線、倒塔、導(dǎo)線舞動(dòng)［1，2］、絕緣子閃絡(luò)［3-5］等事故。加拿大、俄羅斯、美國(guó)、日本、芬蘭、英國(guó)、冰島和我國(guó)都曾因?yàn)楦脖鶠?zāi)害引發(fā)電網(wǎng)安全事故，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。自20世紀(jì)40年代，覆冰災(zāi)害成為全世界許多國(guó)家的學(xué)術(shù)界和工程界一直關(guān)注的問(wèn)題。

1 覆冰的成因和分類［6］

空氣中的“過(guò)冷卻”水滴和濕雪下落過(guò)程中碰到溫度低于零度的架空線后，會(huì)在架空線表面凍結(jié)成冰。

覆冰大致可分為雨凇覆冰、混合凇、軟霧凇、白霜、雪五種類型。

雨凇覆冰，超冷卻的降水碰到溫度不高于0℃的物體表面時(shí)所形成的玻璃狀的透明或無(wú)光澤的表面粗糙的冰覆蓋層，附著能力很強(qiáng)，密度較大，約(0．5～0．9)×103kg/m3。架空線覆冰常常指雨凇冰。雨凇覆冰是混合凇覆冰的初級(jí)階段。由于凍雨持續(xù)期一般較短，因此，導(dǎo)線覆冰為純粹的雨凇覆冰的情況相對(duì)較少。混合凇，氣溫0℃以下，風(fēng)比較猛時(shí)，容易形成混合凇。在混合凇覆冰條件下，水滴凍結(jié)比較弱，積冰有時(shí)透明，有時(shí)不透明，冰在導(dǎo)線上粘合力很強(qiáng)。導(dǎo)線長(zhǎng)期暴露于濕氣中，便形成混合凇。混合凇是一個(gè)復(fù)合覆冰過(guò)程，密度較高，生長(zhǎng)速度快，對(duì)導(dǎo)線危害特別嚴(yán)重。軟霧凇，是由于山區(qū)低層云中含有的過(guò)冷水滴，在極低溫度與風(fēng)速較小情況下形成的。這種積冰呈白色、不透明、晶狀結(jié)構(gòu)、密度小，在導(dǎo)線上附著力相當(dāng)弱。最初的結(jié)冰是單向的，由于導(dǎo)線機(jī)械失衡，逐漸圍繞導(dǎo)線均勻分布，在此情況下，這種冰對(duì)導(dǎo)線一般不構(gòu)成威脅。白霜、雪，白霜是空氣中濕氣與0℃以下的物體接觸時(shí)，濕氣往冷物體表面凝合形成的，白霜在導(dǎo)線上的粘結(jié)力十分微弱，即使是輕輕地振動(dòng)，也可以使白霜脫離所粘結(jié)導(dǎo)線的表面，與其他類型覆冰相比，白霜基本不對(duì)導(dǎo)線構(gòu)成嚴(yán)重危害。

輸電線路覆冰的形成是一個(gè)復(fù)雜的物理過(guò)程，影響因素眾多，各種氣象條件對(duì)覆冰的影響很大［7］。但是，如何對(duì)這些氣象條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而得到確切的氣象參數(shù)，現(xiàn)在這方面的研究還不是十分成熟。日本做了一些這方面的研究，并且對(duì)各種氣象條件對(duì)覆冰的影響進(jìn)行了比較分析。具體做法是在一個(gè)風(fēng)洞中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，成功監(jiān)測(cè)到導(dǎo)線周圍的雪花分布、風(fēng)速、大氣溫濕度等許多氣象參數(shù)。

隨著對(duì)覆冰物理特性的深入研究，研究人員開(kāi)發(fā)了很多覆冰雪預(yù)測(cè)模型，例如Ackley模型、Lozowski模型、Poots模型、Chaine模型、Jones模型以及Makkonen模型等。上述模型在不同情況下體現(xiàn)的優(yōu)越性是不同的。Makkonen模型考慮了在覆冰生成的過(guò)程中，架空線上未結(jié)冰的雨水并不會(huì)脫落，而是在架空線下方形成冰柱，并且指出每米架空線上的冰柱是45根，這一結(jié)論與實(shí)測(cè)情況相符。并且，Makkonen用數(shù)值分析的方法對(duì)覆冰模型進(jìn)行了研究。具體做法是，把導(dǎo)線半徑、覆冰生長(zhǎng)的時(shí)間、降水率、氣溫、風(fēng)速等氣象條件作為變量輸入到相應(yīng)程序中，這種方法考慮了冰柱生長(zhǎng)，結(jié)果更加實(shí)際可靠。Makkonen模型也有很大的缺點(diǎn)，即水滴大小和液態(tài)水的含量等參數(shù)不易獲得。但是，由于Makkonen模型與工程實(shí)際較符合，在很多國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用。

2 覆冰對(duì)輸電線路的危害

1)過(guò)負(fù)載事故。若實(shí)際覆冰厚度遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)覆冰厚度，由此引起導(dǎo)地線、金具、絕緣子、桿塔的實(shí)際應(yīng)力大于其承載能力時(shí)，便會(huì)發(fā)生過(guò)負(fù)載事故。覆冰后的輸電塔的重量過(guò)大，也會(huì)引起基礎(chǔ)的下沉或爆裂，從而發(fā)生倒塔事故。

2)不均勻覆冰或不同期脫冰事故［8］。覆冰倒塔很大程度上是由不均勻覆冰和不同期脫冰引起的相鄰兩檔之間的不平衡張力造成的。國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)輸電塔的不平衡張力進(jìn)行了研究。在輸電塔—線體系的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采取鐵塔和導(dǎo)線分開(kāi)設(shè)計(jì)的方法。目前，對(duì)于輸電塔縱向不平衡張力的具體算法的研究尚不成熟，

通常的做法是依據(jù)規(guī)范取導(dǎo)線最大使用張力的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行校核。縱向不平衡張力是導(dǎo)致輸電塔倒塌進(jìn)而威脅到電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要因素之一［9］，因此精確計(jì)算縱向不平衡張力有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3)絕緣子冰閃事故［10］。由于檔距相差懸殊、沿線局部地段地形、高程、覆冰時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向的影響，桿塔兩側(cè)導(dǎo)地線覆冰可能不均勻，因此桿塔兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生不平衡張力，該張力差可使導(dǎo)線在線夾內(nèi)滑動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)線截面因磨損而減小或斷裂、絕緣子損傷或破裂、桿塔橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)或變形、導(dǎo)線和絕緣子閃絡(luò)及導(dǎo)線電氣間隙減少而發(fā)生閃絡(luò)等。

4)導(dǎo)線舞動(dòng)。覆冰后的導(dǎo)線在特殊情況下會(huì)發(fā)生低階固有頻率的自激振動(dòng)，振動(dòng)振幅極大，震蕩起來(lái)如野馬奔騰，稱為奔馬型振動(dòng)，統(tǒng)稱舞動(dòng)［11］。舞動(dòng)多在導(dǎo)線覆冰、氣溫0℃，且有強(qiáng)風(fēng)時(shí)發(fā)生。舞動(dòng)可造成金具損壞、導(dǎo)線斷股、斷線、倒塔等事故的發(fā)生［12］。

3 覆冰作用下輸電線路的荷載

輸電塔承受的荷載包括風(fēng)荷載、導(dǎo)地線對(duì)輸電塔的荷載、重力荷載等。

1)風(fēng)荷載計(jì)算。

一般情況下覆冰風(fēng)速取為10 m/s，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速大于35 m/s時(shí)，覆冰風(fēng)速取為15 m/s。根據(jù)本算例的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)風(fēng)速為30 m/s，故本文取覆冰風(fēng)速為 10 m/s［6］。

桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值:

其中，

式(1)與式(2)中，WS為風(fēng)向與線路方向垂直時(shí)，桿塔風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN;μZ為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可按表1選用。一般情況下，可選地面粗糙度 B類計(jì)算;μS為桿塔構(gòu)件的體型系數(shù)，1．3(1+η);βZ為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。當(dāng)桿塔高度不大于60 m時(shí)，在全部高度范圍內(nèi)采用一個(gè)系數(shù)，按表2取用;當(dāng)桿塔高度大于60 m時(shí)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》取值;Af為構(gòu)件承受風(fēng)壓投影面積計(jì)算值，m2;V為基準(zhǔn)風(fēng)速，m/s;η為桿塔背風(fēng)面折減系數(shù)，按表3取值。

表1 風(fēng)壓高度變化系數(shù)

表2 桿塔風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)

表3 桿塔背風(fēng)面折減系數(shù)

2)導(dǎo)地線荷載計(jì)算。

導(dǎo)地線的垂直荷載可看作導(dǎo)地線的垂直比載與線路檔距和導(dǎo)地線外徑的乘積。導(dǎo)地線的垂直比載作用方向是垂直向下的，主要包括兩項(xiàng):自重比載和冰重比載［13］。

a．自重比載。

導(dǎo)地線的自重比載是由其自身質(zhì)量引起的比載，大小不受外界因素的制約。其計(jì)算公式為:

其中，q為導(dǎo)地線的單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kg/km;g為重力加速度，g=9．806 65 m/s;A為導(dǎo)地線的截面積，mm2。

b．冰重比載。

將導(dǎo)地線上的覆冰簡(jiǎn)化為空心圓柱的模型，當(dāng)覆冰厚度為b時(shí)，導(dǎo)地線上單位長(zhǎng)度的覆冰體積為:

覆冰密度按 ρ=0．9×10－3kg/m3計(jì)算。

冰重比載計(jì)算公式為:

其中，b為覆冰厚度，mm;d為導(dǎo)地線外徑，mm。

垂直總比載:

推導(dǎo)得到導(dǎo)線掛點(diǎn)垂直荷載計(jì)算公式:

地線掛點(diǎn)垂直荷載計(jì)算公式:

水平比載主要包括覆冰風(fēng)壓比載一項(xiàng)。

導(dǎo)地線覆冰時(shí)，直徑在原有的基礎(chǔ)上增大了2b，增大了迎風(fēng)面積的同時(shí)也影響了構(gòu)件的風(fēng)載體型系數(shù)。按照相關(guān)規(guī)定，在覆冰工況下構(gòu)件的風(fēng)載體型系數(shù)與線徑無(wú)關(guān)，一律取為μsc=1．2。覆冰時(shí)的風(fēng)壓比載計(jì)算式為［14］:

4 輸電線路覆冰防治的幾點(diǎn)建議

第一點(diǎn):從源頭入手，建設(shè)“安全電源”。在冰災(zāi)發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)被“支解”的情況時(shí)有發(fā)生。個(gè)別省份電網(wǎng)與主網(wǎng)解裂，甚至一些地區(qū)依靠家用發(fā)電機(jī)勉強(qiáng)供給生活用電。第二點(diǎn):深入研究輸電線路不平衡張力的影響因素，不平衡張力是倒塔的重要原因之一。第三點(diǎn):分析輸電塔在覆冰作用下的破壞機(jī)理和失效路徑，以便“補(bǔ)強(qiáng)”。第四點(diǎn):對(duì)中重冰區(qū)做好統(tǒng)計(jì)工作，設(shè)定設(shè)計(jì)覆冰厚度和重現(xiàn)期時(shí)要在規(guī)范上有傾斜。

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