覆冰不平衡张力计算分析

2011-05-10程思勇薛志方

电网与清洁能源 2011年2期

程思勇，薛志方

（广西电力工业勘察设计研究院，广西南宁 530012）

2008年南方地区的冰雪灾害天气使广西境内大量输电线路断线倒塔，据不完全统计，截止2008年2月21日，广西电网500 kV线路地线断线1处；10条220 kV线路发生倒塔断线，其中倒塔56基，杆塔受损13基，断线39处；16条110 kV线路发生倒塔断线，其中倒塔66基，杆塔受损34基，断线45处。产生倒塔断线的一个很重要的原因是线路不均匀覆冰时所产生的不平衡张力，这点在重覆冰线路的技术规程上得到了很好的体现。当导地线覆冰严重时，因线路档距或高差不等或各档荷载不均匀，会引起各档电线的水平张力不等从而使直线杆塔上出现不平衡张力。当其值较大时，会对杆塔造成破坏甚至引起更严重的事故。规程上虽然规定了不同冰区的覆冰不平衡张力的一般性取值，但由于地形、冰区分布的复杂性，有时必须对其进行具体的计算才能得到更为经济合理的不平衡张力取值[1-4]。另外，目前不平衡张力仅限于计算其值，而线路各种参数对其产生影响的分析较为少见。本文对各种线路参数对不平衡张力产生的影响进行了详细分析，以期为实际线路工程设计与分析提供参考依据。

1 计算方法

根据南方电网企业标准（Q/CSG 11502-2008），不均匀覆冰按-5益，有不均匀冰、在10 m/s风速气象条件下计算。

本文采用的不平衡张力求解过程如下：

1）根据各档档距变化量△Li与张力Ti之间的关系：f（Ti，△Li）=0，i=1耀n；共n方程，f的表达式为[5-7]

2）各直线塔绝缘子串偏移量啄i与其前后2档张力Ti+1、Ti之间的关系：f（Ti+1，Ti，啄i）=0，i=1耀n；共n个方程[8-9]，即

3）各直线塔绝缘子串偏移量啄i与其后侧档距变化△Li、后侧直线临塔绝缘子串偏移量啄i-1之间共n各方程组[10]

以上共3n个方程组，3n个未知数，可以用非线性方程组的数值解法进行求解。

式中，n为耐张段内总的档数；Li为悬垂串处于中垂位置时第i档的档距，m；E为电线弹性系数，N/mm2；Ti为计算不均匀覆冰工况时第2档每根电线水平张力，N；Pi为计算不均匀覆冰工况时第2档每根单位荷载，N/m；△Li为不均匀覆冰工况时第i档档距变化量，档距增加取正，m；A0为一根电线的截面，mm2；啄i为不均匀覆冰工况下第2基直线塔的电线悬挂点偏移距离，m；姿i为第i基直线塔悬垂串长度，m；Gsi为不均匀覆冰工况时第2基直线塔悬垂串重量，N。

采用牛顿迭代法进行计算求解。牛顿法收敛较快，一般情况下，迭代10次左右即可得到满足精度要求的解。

2 计算实例

2.1 测试分析算例

本文算例取自《输电线路不平衡张力与断线张力取值测算分析报告》中不平衡张力计算部分，条件与其中所述相同。

2.2 计算条件

轻冰区采用LGJ-400/50钢芯率绞线，30 mm以上冰区采用A3/S3A-465/60钢芯铝合金绞线。悬垂串重2.79 kN，每根自导线最大使用张力Tp越46.89 kN（对应安全系数2.50）；

30 mm冰区，每根子导线最大使用张力为Tp越71.306 kN（安全系数为3.12）；

40 mm冰区，每根子导线最大使用张力为Tp越77.43 kN（安全系数为2.87）；

50 mm冰区，每根子导线最大使用张力为Tp越83.56 kN（安全系数为2.66）；

计算模型采用等7档，仅中间一基杆塔前后有高差，其余塔前后档无高差。前4档覆100豫冰，后3档取相关规定覆冰率，在第4档和第5档取15豫档距高差，计算不平衡张力。

根据以上条件，不同冰区下的不平衡张力如表1、表2所示。

表1 覆冰最大不平衡张力百分数（姿＝8.5 m;6分裂）%

表2 档距变化量、绝缘子串偏移量及各档应力（100豫/20豫）

从以上计算可知，采用本文所述方法计算的不平衡张力角规程计算结果稍大，但基本接近。可见本文方法的正确性。

3 覆冰不平衡张力影响因素分析

计算发现，导线安全系数、绝缘子串长、档距与高差等均会影响覆冰不平衡张力，分别分析它们对其的影响，对工程设计具有实际意义。

3.1 导线安全系数的影响

档距按等7档，第4档与第5档有15豫档距的高差。前4档100豫覆冰，后3档按规定覆冰。当其它条件均不变，仅改变安全系数时，覆冰不平衡张力的随安全系数变化见表3。

表3 覆冰不平衡张力与最大使用张力百分比%

从表3可知：当电线安全系数增大时，覆冰不平衡张力差百分比有增大的趋势，应力绝对值差亦有增大的趋势；随着覆冰厚度的增加，覆冰不平衡张力将随之增加，如10 mm冰区时，安全系数从2.5变至3.0时，覆冰不平衡张力百分比增加3豫，而20 mm冰区时则增加4.67豫。可见，当增大导地线安全系数时，不平衡张力将增加。

3.2 绝缘子串长的影响

档距仍取等7档，第4档与第5档有15豫的档距高差。前4档100豫覆冰，后3档按规定覆冰。当其他条件均不变，仅改变悬垂串绝缘子串长时，覆冰不平衡张力随串长变化见表4。

表4 覆冰不平衡张力百分数%

从表4可以看出：随着绝缘子串长的增加，覆冰不平衡张力逐渐减小；经计算，增加串长，在覆冰较严重的地区不平衡张力下降更加明显。串长每增加0.5 m，不平衡张力减少约0.8豫。因此，在冰区，通过适当增加串长能够有效缓解不平衡张力。

3.3 耐张段内档距数的影响

假设一耐张段长3.0 km，通过设置不同的档距数来改变每档的档距长度。覆冰率为前一半档距覆冰100豫，后一半档距覆冰20豫。当档距为奇数n时，按前档覆冰100豫、其余档覆冰20豫考虑。分析不同档距数对覆冰不平衡张力的影响，计算结果见表5。

表5 覆冰不平衡张力百分数%

当同一耐张段内档距数增多时，覆冰不平衡张力下降非常明显：档距数由4增至5时，对10 mm冰区，下降5.4豫；20 mm冰区则下降10.3豫。这是重冰区杆塔水平档距需较小的主要原因之一。但当档距数由7变为8时，不平衡张力减小并不明显，可见，当杆塔达到一定数量后，再增加，效果并不明显。对本例而言，杆塔数量为6时已无需继续增加。

由此可见，在覆冰的地区，通过适当增加耐张段内的档距数，也即适当减小档距，能明显改善覆冰不平衡张力，从而提高杆塔在覆冰地区的安全性。