大截面導線間隔棒最大次檔距分析

張 瑚，李雨蔓，李 健，周 魁，張馮碩

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.重慶大學電氣工程學院，重慶 400044)

大截面導線間隔棒最大次檔距分析

張 瑚1，李雨蔓2，李 健1，周 魁1，張馮碩1

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.重慶大學電氣工程學院，重慶 400044)

論述次檔距振蕩對輸電線路的危害和國內外常規的處理措施，對分裂導線最大次檔距取值的主要遵循的有關理論進行闡述，主要為抗扭轉和抑制次檔距振蕩。對±800 kV特高壓線路6×JL/G2A－1250/100大截面導線的次檔距振蕩特性進行算例分析，從覆冰和不覆冰兩種情況下的次檔距振幅進行計算，得出不同覆冰下滿足條件的最大次檔距取值，同時對導線扭轉恢復特性進行計算分析，得出扭轉恢復要求的次檔距不起控制作用。推薦±800 kV特高壓線路大截面導線間隔棒最大次檔距推薦取值。

±800 kV；特高壓；大截面導線；次檔距振蕩；間隔棒布置。

1 概述

目前，我國高壓輸電線路多采用分裂導線，主要是擴大導線束的等值外徑，減少線路的電暈，提高線路的輸送容量。但是，分裂導線在機械性能上卻比單根導線更加復雜，學者們通過對一系列輸電線路故障的研究分析，發現風力對分裂導線起控制作用。

風在架空輸電線路導線上振動主要有三種形式：微風振動、次檔距振蕩和舞動。其中，次檔距振蕩是指分裂導線上兩間隔棒之間的子導線振動，是采用相分裂導線的線路所特有的機械運動現象，極易發生。次檔距振蕩會造成各子導線的互撞和鞭擊，使導線線股磨損，同時會導致間隔棒夾頭處產生較大的動彎應力，從而使間隔棒松動甚至損壞，嚴重時可造成導線斷股、短路等事故。我國次檔距振蕩比較的嚴重的區域主要發生在西北大風地區，在2008年，甘肅和寧夏相繼發生了導線次檔距振蕩事故，嚴重威脅輸電線路的運行安全。

在分裂導線中，對間隔棒進行合理布置是控制次檔距振蕩的重要措施，而進行間隔棒布置的首要問題就是確定間隔棒的最大次檔距對于最大次檔距，一般設計中都是依據經驗進行。

根據抑制次檔距振蕩的經驗，加拿大建議最大次檔距不超過68 m；根據子導線搖擺碰撞認為， 德國500 kV以下線路的次檔距限制在初40～50 m，而美國最大次檔距可放至76 m；加拿大Ander 公司規定的兩級最大次檔距：開闊地帶取68 m， 非開闊地帶取76 m；這些數據均有各自的試驗依據，但分散性太大，不易把握，且缺少理論依據。

隨著大截面導線在±800 kV特高壓直流輸電線路上的應用，如何采取有效防振措施防止導線的次檔距振蕩研究顯得很有必要。

2 最大次檔距取值的相關理論

間隔棒的主要作用是支撐子導線，防止子導線相互碰撞和鞭擊，抑制次檔距振蕩。對于間隔棒的安裝距離及數量，除了考慮經濟因素外，還必須從防止導線碰撞和翻轉，能達到最佳防振效果進行必要的研究和計算，主要考慮的因素有：

(1)對于平均風阻力和正常電流產生的電磁吸引力，間隔棒的安裝距離必須使子導線不接觸。

(2)對于尾流引起的次檔距振蕩，保證子導線不發生頻繁的鞭擊和金具的疲勞破壞。

(3)對于風和覆冰引起的扭轉，允許子導線接觸，但當覆冰和風等外力消失后，間隔棒的安裝距離必須能使扭轉自然恢復(稱扭轉復原理論)。

2.1 抗吸附條件下的次檔距要求

由于風吸引力和電磁吸引力的作用，子導線會接近，當電流增大到某值時，子導線會突然吸附而不能脫離，因此，須限制間隔棒的安裝距離，把子導線的接近率控制在一定的值。

對于輸送大容量電流的輸電線路，由于電磁力的作用，子導線相互吸附，如果風速加大，吸附將更容易。

因此有必要設定一個合適的間隔棒間隔距離，使得即使子導線吸附碰在一起，只要當外力消除，就可以自然地脫離開。

對于特高壓輸電線路而言，根據國外的研究，風壓和電磁吸引力相對次檔距振蕩對間隔棒安裝間距的影響而言要小得多。

2.2 次檔距導線振蕩特性

次檔距檔中子導線的振幅一般要求小于二分之一倍的子導線分裂間距，以避免子導線振蕩時發生碰撞。在尾流區的子導線，次檔距振蕩的輸入能量和衰減能量達到平衡時，就成為穩定振蕩，由尾流中子導線的作用外力，可以推出間隔棒間距與次檔距振幅之間近似計算公式：

式中：X0'為次檔距振動幅值(m)；lc為最大次檔距(m)；T為導線張力(N)；W為導線重量(kg/m)；a為子導線間距(m)；D為子導線外徑(m)；E為振動幅值衰減率(0.05～0.1)，計算是一般取0.08。

2.3 扭轉恢復要求的次檔距要求

分裂導線不均勻覆冰時會產生較大的扭轉力矩，加上風壓會使導線發生嚴重的扭轉。由于風壓和覆冰產生扭轉力的機理非常復雜，且覆冰厚度、形狀具有不規則、不確定性，因此確定它的大小和設計條件是極其困難的問題。扭轉設計中一般是按導線覆冰時發生的扭轉，在脫冰后能自然恢復來考慮的。導線一旦發生扭轉，為了使它自然復原，在任意扭轉角下，經常有復原力在作用是必要的。為此，不論扭轉角的大小，導線重力、導線張力、導線扭轉剛度三種力引起的力矩總和，應使其為正值。導線的扭轉恢復特性曲線計算主要步驟為：

(1) f1(λ)函數計算

先求等值線路常數M－，然后按照下式計算f1(λ)函數：式中：λ=S1/S；S1為為間隔棒距懸垂點的距離(m)；

S為為檔距(m)；M－為為線路機械常數。

(2)扭轉系數

多分裂導線的扭轉剛性常數的計算公式：

(3)扭轉恢復特性曲線

結合前面算得的f1(λ)函數和扭轉系數，可知：

式中：ηd為扭轉恢復特性曲線的修正系數，一般取0.95；β為扭絞剛性常數；l為次檔距(m)；

3 大截面導線算例分析

目前，我國特高壓直流輸電線路已采用六分裂1250 mm2截面導線，下面以6×JL/G2A－1250/100鋼芯鋁絞線為例，導線參數見表1。

表1 導地線參數

國內外相關研究表明，風壓和電磁吸引力相對次檔距振蕩對間隔棒安裝間距的影響較小，下面主要對大截面導線次檔距振蕩和扭轉恢復特性進行研究，計算分析27 m/s風，10 mm、15 mm、20 mm冰區的次檔距振蕩規律。

3.1 導線次檔距振蕩計算

(1)完善相關的法律法規體系。法律是保障金融市場穩定的有力武器。我國資產證券化起步晚，與之相關的法律法規并不完善。擁有完備的法律體系會提高資產證券化發起人和投資人的安全感。同時，擁有完備的法律體系也會涉及其他領域的利益關系，對于經濟發展十分有利。

結合國內外其他學者的研究成果及運行經驗，取次檔距大于40 m，核算次檔距振幅。次檔距振幅一般要求小于二分之一倍的子導線間距，以免子導線振蕩時發生碰撞。對大截面導線特高壓直流輸電線路，進行不考慮覆冰和考慮覆冰兩種工況的次檔距振幅核算。

(1)不考慮覆冰

不考慮覆冰時有：子導線外徑D=47.85 mm，子導線間距a=500 mm，風速V=16 m/s，導線張力T=7996 kg，導線重量W=4.25 kg/m。計算結果見表2。

表2 不考慮覆冰次檔距振幅計算結果

(2)考慮覆冰

當導線覆冰時，子導線的振動幅值將增大，間隔棒上所承受的荷載也將增大。按照設計覆冰分別為10 mm、15 mm、20 mm，計算大截面導線在不同覆冰下的次振蕩特性，計算結果見表3、表4、表5。

表3 考慮覆冰厚10 mm次檔距振幅計算結果

表4 考慮覆冰厚15 mm次檔距振幅計算結果

表5 考慮覆冰厚20 mm次檔距振幅計算結果

從表2計算結果可知，導線無冰時允許的次檔距比較大，滿足子導線振動幅值要求的最大次檔距達100 m。

從表3、表4、表5可知，10 mm、15 mm、20 mm覆冰時滿足子導線振動幅值要求的最大次檔距分別為83 m、77 m、71 m。

3.2 導線扭轉恢復特性

6×JL/G3A-1250/100鋼芯鋁絞線呈正六邊形排列，分裂間距a=500 mm，導線平均運行張力T=78.44 kN，導線重量W=4.25 kg/m，導線外徑D=47.85 mm，進行經濟檔距510 m下的扭轉恢復特性曲線計算。

根據式(2)～(4)，即可得到六分裂導線耐張檔的扭轉恢復特性曲線函數：

分析本工程六分裂導線的扭轉恢復特性曲線，可以看出檔距中部間隔棒最大次檔距可取到115 m，可滿足自然恢復要求。

結合扭轉恢復特性曲線的計算過程，一般情況下，抗扭恢復力對檔距中部間隔棒最大間距不起控制作用。

圖1 導線扭轉恢復特性曲線

3.3 間隔棒最大次檔距取值

結合圖1導線扭轉恢復特性曲線可知，6×JL/G2A－1250/100大截面在檔距510 m時，導線檔距中部間隔棒最大次檔距可取到115 m，可滿足自然恢復要求，抗扭恢復力對檔距中部間隔棒最大間距不起控制作用。

結合表2、表3、表4計算結果，大截面導線最大次檔距主要受覆冰下的次檔距振蕩影響，10 mm、15 mm、20 mm覆冰時理論條件下最大次檔距分別為83 m、77 m、71 m。

在實際工程中，結合運行經驗，綜合考慮各種因素，6×JL/G2A-1250/100大截面導線輸電線路10 mm和15 mm冰區，一般地區檔距小于1000 m時，最大次檔距取66 m；檔距大于1000 m時，最大次檔距取60 m。20 mm冰區，最大次檔距取55 m。

4 總結

綜合以上對六分裂大截面導線次檔距的研究，可以得出以下結論：

(1)特高壓直流輸電線路由于分裂根數多，導線截面大，間隔棒最大次檔距應按照滿足抗吸附、抗扭轉和抑制次檔距振蕩三方面要求進行具體分析計算，以區別于以往的經驗取值。

(2)對于直流特高壓6×JL/G3A-1250/100導線而言，扭轉恢復要求的次檔距不作為控制條件，間隔棒最大次檔距主要由覆冰時次檔距振蕩幅值控制。

(3)在本文特定計算條件下，六分裂導線6×JL/G2A-1250/100，年平張力取25%的計算拉斷力時，不同覆冰區下導線間隔棒最大次檔距理論算值和工程實際取值見表6。

Analysis on the Maximum Subspan for Spacing Stick in Large Cross-section Conductors

ZHANG Hu1, LI Yu-man2, LI Jian1, ZHOU Kui1, ZHANG Feng-shuo1
(1.Central Southern China Electric Power Design Institute Co.Ltd. Of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China；2.School of Electrical Engineering,Chongqing University, Chongqing 400044, China )

In this paper,it introduce the characteristic of Subspan Oscillation and the theory of how to choose the maximum Subspan of Spacers.The maximum Subspan is calculate with considerding anti-adsorption conditions,the amplitude limitations of sub-conductors and requirements of the reverse recovery characteristics.Then,a example is given on the analysis characteristic of Subspan Oscillation on ±800 kV UHV Transmission Line with 6×JL/G2A-1250/100 Conductors. It calculate the vibration amplitude of sub-conductors with or without ice and the reverse recovery characteristics to determine the maximum Subspan between Spacers. At last,the paper recommend the maximum Subspan between Spacers for ±800 V UHV Transmission Line with 6×JL/G2A-1250/100 Conductors in diffent design ice.

±800 kV; UHV; large cross-section conductors; subspan oscillation; spacer configuration.

TM75

B

1671-9913(2016)06-0065-04

2015-11-18

張瑚(1984- )，男，湖北黃陂人，碩士，高級工程師，從事高壓輸電線路的設計研究工作。