特高壓輸電線路覆冰斷線張力計算與分析

呂健雙，李 健

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

0 引言

斷線張力取值是決定輸電線路機械強度和安全性的重要因素之一，對輸電線路造價也有較大影響，對于特高壓輸電線路而言，其分裂根數更多、導線截面更大、絕緣子串更長，斷線張力規律和特性與超高壓輸電線路相比有其自身特點，需要開展深入研究分析。

文獻[1，2]規定了斷線情況下的張力差最小值，忽略了不同地形條件、不同氣象條件、絕緣子串長、導地線型號等因素對斷線張力差的影響。文獻[3]分析了微地形對正常運行線路的不平衡張力的影響;文獻[4]采用有限元分析方法研究了重覆冰區正常運行線路的不平衡張力，對重覆冰區不平衡張力取值給出了建議;文獻[5]利用分層力學模型研究了架空線路導線的受力特性。

本文建立斷線張力差計算模型，編制了斷線張力計算程序。比較了不同斷線位置、地形條件、氣象條件、懸垂串長和導線分裂根數及型號等因素對斷線張力的影響，可為研究特高壓輸電線路斷線張力規律特性和確定取值標準提供依據。

1 覆冰斷線張力模型及計算方法

1.1 覆冰斷線張力模型

斷線張力計算程序見圖1。線路斷線后，輸電線路系統內的導線應力、檔距和高差都將發生變化。文獻[6，7]在計算斷線張力差時忽略了斷線后高差變化的影響，這可能影響計算結果的精確性。

圖1 程序界面Fig.1 The program interface

斷線后，斷線檔的導線張力可模擬為0，因此剩余檔的檔距均將發生變化，利用電線中垂時的原始線長與斷線狀態的原始線長相等，可以得到當前狀態第i檔檔距增量Δli的方程為:

式中:σ0為中垂時電線水平應力;γ0為電線比載;t0為架線氣溫;li0為第i檔的檔距;βi0為高差角;σi0為水平應力;γi為電線比載;t為氣溫;Δhi為第i檔兩端懸垂串偏移后掛點間高差的變化量。文獻[2] 此公式中 Δhi前的系數為本文對此進行了修正。

假定絕緣子串為剛性長棒，可以利用受力分析得到直線塔上絕緣子串偏與兩側導線應力的關系方程式:

式中:Ki為第i檔導線系數，Ki=(N-Nr)/N，其中，N為導線分裂根數，Nr為斷線檔剩余導線根數;Gi為第i檔大號側懸垂串串重;λi為串長;Wi為電線的垂向荷載;hi0為第i基桿塔對第i-1基桿塔的高差;A為導線總截面積;A0為單根導線截面積。

第i檔懸垂串偏移量與第i檔檔距變化之間的關系如下:

其中，δ0=0，δ1= Δl1，δn=0。

第i檔高差變化Δhi與兩端桿塔上掛點偏移量之間的關系為:

式中:Δhi為第i檔高差hi0的增量，hi=hi0+Δhi，其中，Δh1≥0，Δhn≥0。

1.2 計算方法

若某相電線在第K+1檔完全斷線，則從小號側看，線路剩余K檔線路，迭代計算的邊界條件為σk+1=0。若某相電線斷線后仍有剩余導線，設耐張段內有n檔，迭代計算的邊界條件為δn=0。利用牛頓迭代法求解，一般情況下，迭代不超過10即可得到滿足要求的解。

文獻[8]中，中國電力科學研究院建立真型模型，試驗研究電線斷線的力學響應。試驗的靜態張力結果與本程序計算值之間的誤差均在7%以內，見表1。這說明利用本程序分析斷線張力差是合理的，具有較高的精確度。

表1 試驗與計算結果對比Tab.1 Comparison with experimental results and calculation datas

2 斷線張力分析

本文以連續檔張力差計算程序研究連續檔線路的覆冰斷線張力差情況。建立連續7檔耐張段的計算模型，假定年平均溫為懸垂串中垂氣象條件，斷線的氣象條件為-5℃，無風，有冰。改變檔距、高差、懸垂串串長、氣象條件和導線型號等變量，分析覆冰斷線張力的影響因素，為線路設計提供參考。

2.1 斷線位置影響分析

考慮550 m均勻檔，無高差的平原地形，串長為10 m，8×LGJ-630/45導線，10 mm冰區，分析不同檔斷線時的計算結果見表2。

表2 斷線檔位對斷線張力的影響Tab.2 The influence of broken locations to the line tension

從表2的數據可以發現，對于均勻檔線路，斷線發生在靠耐張塔一檔內時，導線的張力差較大，絕緣子串偏移較多，作用在直線塔上的張力差大;而斷線發生在連續檔中間檔時，斷線剩余檔導線張力較大。因此，若需校驗斷線張力對桿塔的影響，應假定耐張塔側檔斷線;若需校驗導線強度，應假定中間檔斷線。斷線4根時，斷線張力差最大值為6.26%，遠小于規程[1]的規定值20%;斷線位于耐張段中間檔時，斷線檔剩余導線張力最大值達到了70.28%。從表2還可以發現，懸垂串偏移量越大，線路某檔的檔距變化越大，斷線張力差越大。

在下面的分析中，張力差百分比、斷線檔剩余導線張力百分比均指分別計算各檔斷線后的最大值。

2.2 檔距及高差影響分析

考慮10 m串長，10 mm冰區，8×LGJ-630/45導線，分析斷線4根導線時的計算結果見表3，并設定檔距均勻分布，無高差。

表3 檔距對斷線張力的影響Tab.3 The influence of span to the line tension

表3計算結果為分別計算各檔斷線4根導線后的最大值。從表3中可以看出，檔距大小對張力差影響較大，平均檔距越大，張力差越大，檔距800 m時的張力差達18.49%，是檔距300 m的17.9倍，接近規程[1]對于10 mm及以下冰區平丘地形導、地線斷線張力的規定值20%;而斷線檔剩余導線張力反而隨檔距增大而減小。

檔距分布對斷線張力也有較大影響，設定2～6檔的檔距為550 m，無高差，計算結果見表4。計算了不同檔出現600 m，700 m，800 m等大檔距時的斷線張力，得到如下結論:分析不同斷線位置的影響，發現斷線發生在耐張塔側或大檔距時張力差較大;分析大檔距位置的影響，發現大檔距臨近耐張塔時，張力差最大。表4中為張力差最為嚴重的第1檔為大檔距的計算結果，從數據可以發現張力差和斷線檔剩余導線張力都隨大檔距的增大而增大，第1檔大檔距為800 m時的張力差達14.01%，是大檔距為600 m時的1.8倍。

表4 檔距分布對斷線張力的影響Tab.4 The influence of the distribution of span to the line tension

表5計算了連續上山時高差對斷線張力的影響，設定均勻檔距550 m，線路等高差連續上山。線路連續上山時，分析不同斷線位置的影響，發現斷線發生在耐張塔側時張力差較大，斷線發生在中間檔距時，斷線剩余檔導線張力較大;高差越大，張力差相應增大，而斷線檔剩余導線張力減小。相比于高差變化，檔距變化對斷線張力的影響較大。

表5 高差對斷線張力的影響Tab.5 The influence of the elevation difference to the line tension

實際上，山區線路由于受地形限制，不均勻的檔距分布和較大的高差往往是同步出現的。圖2模擬典型山區地形，計算得到最大斷線張力百分比為13.45%，小于規程對于山地的規定值25%;斷線檔剩余導線張力百分比為70.09%。山區地形的斷線張力是均勻550 m檔距無高差地形的2.15倍。

圖2 典型山區地形7檔耐張段示意圖Fig.2 The diagram of a 7 spans line with typical mountainous terrain

2.3 覆冰厚度影響分析

為分析不同冰區對斷線張力差的影響，考慮平原地形，8×LGJ-630/45導線，10 m串長為計算條件。不同冰區張力差計算結果見圖3。

從圖中可以看出，不同冰區的覆冰斷線張力相差較大，覆冰厚度越大，張力差越大。20 mm冰區斷線4根時張力差是10 mm冰區的2.5倍，達15.85%.

圖3 不同覆冰厚度張力差計算結果Fig.3 The calculating results of tension difference with different ice thickness

利用圖2數據計算典型山區地形覆冰20 mm時的斷線張力差為25.51%，小于規程對于20 mm冰區的規定值45%。

2.4 絕緣子串長影響分析

為分析懸垂絕緣子串長對斷線張力差的影響，考慮平原地形，8×LGJ-630/45導線，10 mm冰區為計算條件。不同串長時張力差和斷線檔剩余導線張力計算結果見圖4和圖5。

圖4 不同串長張力差計算結果Fig.4 The calculating results of tension difference with different string length

圖5 不同串長斷線檔剩余導線張力計算結果Fig.5 The calculating results of wires tension with different string length

從圖4和圖5可以發現，斷線后張力差明顯隨串長的增加而減小，斷線4根導線時，串長為12 m時的張力差只有串長為3 m時的31.3%;另一方面，對于斷線檔剩余導線，其張力隨串長的增加而逐步增大，串長為12 m時斷線檔剩余導線張力是串長為3 m時的約1.1倍。因此，對于特高壓交、直流線路等懸垂串長較長的線路，其斷線張力差值較小，反而是其斷線檔剩余導線的張力較大，需要引起足夠重視;對于串長較短的線路，其斷線張力差較大，除了要滿足規程值要求外，還應驗算不同工況和不同斷線情況下的張力差計算。

2.5 導線分裂根數及截面影響分析

考慮平原地形，10 m串長，10 mm冰區為計算條件，分析常用導線不同分裂根數及截面的斷線張力結果見表2～5。

不同導線的最大使用張力和拉斷力都不相同，因此采用張力百分比進行比較。表6中可以發現，斷線根數相同時，隨著導線分裂根數的增加，張力差和斷線檔剩余導線張力百分比都相應減小;隨著導線截面增大，張力差和斷線檔剩余導線張力百分比相應減小。

表6 導線型號和分裂根數對斷線張力的影響Tab.6 The influence of the wire type and split root number to the line tension

3 結論

(1)斷線張力取值是決定輸電線路安全性和經濟性的重要參數之一。線路靠耐張塔的一檔、大檔距或懸殊高差附近的一檔發生斷線時，斷線張力差較大;斷線發生在連續檔的中間檔內時，斷線檔內未斷電線的張力較大;校驗桿塔和電線強度時，應以實際檔距高差為條件，考慮較不利的情況進行校核。

(2)特高壓輸電線路經過重覆冰地區時，應盡量控制檔距、高差和耐張段長度，線路平均檔距越大，斷線張力差越大，尤其應該注意避免過大檔距的出現;高差變化對斷線張力差影響較小，高差越大，斷線張力差相應增大;對于山地或其他地形條件較差的區域，應注意校驗斷線張力差。

(3)絕緣子串長度和覆冰厚度對斷線張力影響較大，懸垂絕緣子串越長，斷線張力差越小。覆冰越嚴重，張力差越大;另外，導線截面越大、分裂根數越多，張力差越小，斷線檔剩余導線的張力百分比越小。

(4)特高壓線路絕緣子串長、導線截面大、分裂根數多，從斷線張力差角度考慮，在同樣地形條件下，特高壓輸電線路斷線張力差百分比低于超高壓線路，經計算，對于平丘、山地等地形，10～20 mm冰區的線路，按照規程規定的斷線張力取值均有足夠的安全裕度;但特高壓線路短線時斷線檔剩余導線的張力較大，需要引起足夠重視。

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