不均勻覆冰不平衡張力計算及分析

譚笛

（云南送變電工程有限公司，昆明 650216）

0 前言

重冰區輸電線路在不均勻覆冰及不同期脫冰情況下的不平衡張力計算，是重冰區輸電線路特有的荷載形式之一，是桿塔強度設計及導、地線配合計算的基礎。導線覆冰首先是由氣象條件決定的,是受溫度、濕度、冷暖空氣對流、環流以及風速等因素決定的綜合物理現象[6]。不平衡張力是危害輸電線路安全穩定運行的重要因素之一，不平衡張力主要由不均勻覆冰造成[7]。運行中常見的有覆冰不均勻和脫冰不均勻兩種主要類型。不均勻覆冰荷載持續時間相對較長，導、地線具有同期性，對桿塔產生很大的縱向彎矩；不均勻脫冰荷載持續時間相對較短，其不均勻性與冰凌性質密切相關，雨凇類冰凌不均勻程度很小，霧凇分為軟霧凇和硬霧凇2種。導線上積覆霧凇時,常常是兩者并存。風攜帶霧中或云中的過冷卻小水滴一個接一個不斷與導線表面碰撞并凍結而產生霧凇[9]。霧凇及粘附雪不均勻程度較大，會使桿塔受到最大彎矩和扭矩。

不均勻覆冰荷載主要是由于各檔所處的地形、高程、風速、風向等不同，而使各檔覆冰厚度不同或冰凌崩潰期出現不同期脫冰現象，從而產生不平衡張力差。

當出現不均勻覆冰或不同期脫冰情況時，懸垂絕緣子串產生偏移，覆冰較重的檔距中導線弧垂增大，在桿塔兩側產生不平衡張力差。不平衡張力隨著覆冰率、檔距組合、安全系數、電線型號、絕緣子串長度、桿塔型式、耐張段長度、檔距的高差及計算圖式的不同而變化。當導線已脫冰而地線仍有覆冰時，可能在檔距中間發生導、地線接近以致閃絡事故；不均勻覆冰或不同期脫冰產生的不平衡張力差，可能使塔身、塔頭、橫擔遭受破壞或造成導線對塔身、橫擔閃絡放電事故。文獻[4]認為當架空線路處于連續上下山地段，以及分水嶺、埡口、風道等微地形、微氣象點時，由于不均勻覆冰或不同期脫冰，使懸垂絕緣子串偏移，導、地線跳躍舞動，會造成頻繁的閃絡跳閘及懸垂絕緣子串翻上橫擔等事故，故對上述線段應認真校驗不均勻覆冰情況下懸垂絕緣子串偏移后的電氣間隙。氣象條件是輸電線路設計的關鍵境因素，氣象條件的選擇是否合理直接關系到輸電線路的建設投資和安全運行。在新建線路設計時，路徑方案選擇應盡量避讓重冰區地段，有利于減少線路建設投資，提高線路運行安全性[10-12]。

文獻[1]對覆冰縱向不平衡張力的取值作出了規定,為輸電線路設計人員提供了設計依據,但當氣象條件比較惡劣、計算條件不同于規程規范時,設計人員仍需對條件惡劣的耐張段進行不平衡張力的校核和分析,對可能存在較大不平衡張力的地段采取桿塔加強或避讓等處理措施[5]。

1 不均勻覆冰不平衡張力計算

不均勻覆冰不平衡張力計算采用試湊圖解法[2-3]。根據文獻[1]的規定，重冰區線路不均勻覆冰荷載情況按未斷線、-5℃、有不均勻冰、同時風速10m/s計算。不平衡張力覆冰率，按線路等級，取一側覆冰100%，另一側覆冰20%～40%。

不均勻覆冰所導致的直線桿塔兩側產生不平衡張力主要來自于相鄰檔覆冰率差異以及同檔內各相導線覆冰量的差異[8]。直線桿塔不均勻覆冰不平衡張力計算的檔距組合及圖式見圖1和圖2。當出現不平衡張力時，懸垂絕緣子串會向張力大的一側偏移，直至新的平衡狀態，隨著耐張段內檔數增加，最大不平衡張力逐漸增加，6檔以下不平衡張力增加較快，6檔以上增加較為緩慢[5]。檔距對不平衡張力的影響最為顯著，其次是高差[13]。隨著耐張段內連續檔數量的增加，導線不平衡張力也隨之增大，但很快便趨向飽和[14]。隨著檔數的增加，其導線脫冰縱向不平衡張力變大，但縱向不平衡張力的增加幅度越來越小，當連續檔數為5檔時，其最大縱向不平衡張力基本趨于穩定[15]。

本文計算中設耐張段中有5個等檔，各檔檔距相等，懸掛點等高。覆冰重的檔距在一側（圖1①②③檔覆冰100%，圖2①②③④檔覆冰100%），而覆冰輕的檔距在另一側（圖1④⑤檔覆冰40%，圖2⑤檔覆冰40%）。

圖1 不平衡張力的計算組合圖式（一）

圖2 不平衡張力的計算組合圖式（二）

計算方法采用下述圖解法：

1.1 繪制圖解曲線

以安裝情況的應力σ0作為起始條件，然后判斷不均勻覆冰時哪些檔是檔距縮短，哪些檔是檔距伸長。利用狀態方程計算檔距縮短或伸長后各檔的應力。

曲線Ⅰ：T=f1(Δl)表示檔距伸長量與電線應力（或張力）的變化關系。

式中σn、gn、tn—待求情況下電線的應力、比載、溫度；

σ0、g0、t0—安裝情況下電線的應力、比載、溫度；

Δl—檔距伸長量（取正值），m；

E—電線的彈性系數，10Mp；

α—電線的溫度膨脹系數，1/℃；

l—檔距，m。

式中Δl′—檔距縮短量（取負值），m。

其它符號意義與（1）式相同。

式中δ—懸垂線夾的順線偏移值，m；

λ—懸垂絕緣子串長度，m；

ΔT—不平衡張力差，kg；

Gn—導線覆冰后的重量kg；

S—導線截面積，mm2

g7—導線覆冰時綜合比載，10MPa/m；

G2（冰）—懸垂絕緣子覆冰后的重量，kg。

1.2 圖解步驟

圖3 不均勻覆冰不平衡張力圖解

用試湊圖解法，開始于耐張段的#1號塔，任選T1。

圖解的最后一點應恰好在曲線Ⅰ上，否則應重選T1重復以上試湊過程。最后解得的δ與ΔT即為各直線桿塔上線夾偏距及兩側張力差。在等檔等高情況下，在覆冰不均勻分界桿上的不平衡張力值可能最大。

采用試湊圖解法（參見圖3），從耐張段#1號塔開始，任選T1。

在工程設計中宜采用圖1的計算組合圖式。

2 結束語

1）不均勻覆冰工況下的導線不平衡張力，20mm冰區為導線最大使用張力的5.65%—6.5%，30mm冰區為導線最大使用張力的10.1%；計算值遠小于文獻[1]中不平衡張力的取值，即20mm冰區為最大使用張力的25%，30mm冰區為最大使用張力的29%；計算結果表明，隨著覆冰厚度的增大，不均勻覆冰不平衡張力也隨之增加。一般情況下不需要按覆冰率進行繁瑣的計算，可偏安全地按文獻[1]中最大設計張力的百分數選取不均勻覆冰不平衡張力；但對連續上下山及頻繁出現不均勻覆冰的微地形、微氣象點，仍需按覆冰率用試湊圖解法進行不均勻覆冰不平衡張力計算。

2）不均勻覆冰不平衡張力受檔距組合、覆冰率、安全系數、電線型號、懸垂絕緣子串長度、桿塔型式、耐張段長度及各檔距的高差等因素的影響。上述因素的影響是分散的，一般無規律可循。本計算按耐張段內有5個等檔、懸點等高的假設條件進行計算，其結果只是近似值。

3）重冰區線路都處于山區，線路高差起伏較大，地形、地貌復雜，造成檔距之間導、地線覆冰條件的差異，設計時應校驗導線和地線不同期脫冰時靜態接近距離，此距離不應小于線路操作過電壓的間隙值，以防止導、地線閃絡事故。

4）線路設計時應認真調查搜集氣象資料及鄰近線路的運行經驗，對頻繁出現不均勻覆冰或不同期脫冰的微地形、微氣象點，需校驗不均勻覆冰或不同期脫冰情況下的電氣間隙及桿塔強度。尤其是對霧凇及濕雪覆冰線路段，在冰雪脫落時，導線先脫冰，地線仍有覆冰，地線弧垂落于導線弧垂之下，更易造成電氣閃絡及桿塔損壞事故，這種校驗更加必要。