直线杆塔两侧导线覆冰厚度的改进称重法

2015-05-25董德杰

电气技术 2015年4期

董德杰

（辽宁职业学院，辽宁铁岭 112099）

覆冰造成输电线路事故在国内外时有发生，电力设施因覆冰会遭受多种损害，如冰闪、线路跳闸、断线、导线舞动和倒塔等事故，且严重威胁电网安全运行。美国、加拿大、俄罗斯、法国、冰岛和日本都曾发生过严重的冰雪事故。2008年我国南方部分地区遭受了历史罕见的冰雪灾害，输电线路发生大面积倒杆断线等事故[1-4]。

如今测量输电线路覆冰厚度的方法大致分为五种，即称重法、导线倾角法、图像检测法、覆冰速率计算法和模拟导线法[5-8]。其中图像检测法和覆冰速率计算法有很多弊端，如图像检测法冬季结冰后影响摄像头观测[9-10]；覆冰速率计算法仅反映环境覆冰，与高电压、大电流运行的导线覆冰不符。模拟导线法虽用法简单，但覆冰观测哨所多建在崇山峻岭之中，使得该方法成本高，危险性大，而且检测结果和实际出入大。

基于力学的称重法和导线倾角法在国内应用较为广泛。导线倾角法测量的准确性还有待提高，而影响称重法准确性的因素也有很多，如高差角过大、绝缘子串自重、前后杆塔档距相差较大、对风压比载的理想化等[11]。

本文通过改进称重法，采用覆冰前后导线长度的变化，加以主杆塔两侧倾斜角度的测量，建立新的力学模型，以此避免前后杆塔档距、高差角相差过大造成的误差，实现分档距求解直线杆塔两侧导线的覆冰质量与厚度。

1 直线杆塔导线覆冰静力学计算模型

1.1 垂直平面计算模型

在不考虑风压比载的情况下，导线覆冰后，气象条件由0 变为气象条件n，温度的变化为Δt=tn-t0，使导线由于热胀冷缩，由原长L0变为Ln[12]；此时应力的改变也相应的影响了导线的长度，但应力的改变对导线长度的变化影响极小，在此忽略不计，即

式中，Ln为覆冰时导线长度；L0为导线无覆冰时长度；α为线温度线膨胀系数；tn为覆冰时环境温度；t0为无覆冰时温度。

通过导线悬链式方程[13-14]，可根据两杆塔间的档距与高差角得到一个档距内导线实际长度，导线长L为

式中，l为档距；γ0为导线自重比载；φ为高差角；σ0为导线无覆冰时最低点水平应力。

将式（2）带入式（1）整理可得

式中，γn为导线自重比载加冰重比载；σn为覆冰时导线最低点水平应力。

式（3）中只有γn、σn、σ0三个未知量，只要求得σ0就可得到γn与σn的比值。为分别求解左右档距的覆冰质量，要分别求出左右档距内导线最低点水平应力σ0AB与σ0AC，可以通过正弦定理求出。输电线路模拟图如图1所示。

图1 输电线路示意图

式中，σ0AB为杆塔AB 间导线无覆冰时最低点水平应力；σ0AC为杆塔AC 间导线无覆冰时最低点水平应力；T0为无覆冰时绝缘子串拉力；G为绝缘子串重力；θ0为绝缘子串无覆冰时倾斜角；β0AB为AB段导线无覆冰时在杆塔A 处的倾斜角；β0AC为AC段导线无覆冰时在杆塔A 处的倾斜角；S为导线的横截面积。

将式（4）带入式（3）即可分别得到主杆塔左右档距γn与σn的比值，根据求得的比值和覆冰时各数据的测量，即可得出覆冰后每公里导线的质量mn。

式中，mnAB为AB 段导线覆冰后每公里质量；mnAC为AC 段导线覆冰后每公里质量；Tn为覆冰时绝缘子串拉力；θn为覆冰时绝缘子串倾斜角；βnAB为覆冰时AB 段导线在杆塔A 处的倾斜角；βnAC为覆冰时AC 段导线在杆塔A 处的倾斜角。

因为导线每公里自重可知，从而得到一个档距内导线覆冰质量mi，即

式中，m0为每公里导线的质量。

假设导线的覆冰均匀附着在导线四周，形成空心圆柱[15]，通过体积即可求解覆冰后度b，即

式中，ρ为覆冰的密度；d为导线直径。

1.2 风偏平面计算模型

当考虑风压比载时，为简化计算，假设绝缘子串、导线随风飘起，在同一风偏平面内。图2为导线风偏平面示意图。

图2 风偏平面内示意图

求解风偏平面内导线覆冰质量与厚度的方法与垂直平面内的方法相同，只需排除风压比载的影响后，按垂直平面内的方法进行求解即可。因此考虑风压比载且导线无覆冰时，最低点水平应力为

式中，T′0为无覆冰有风时绝缘子串的拉力；η0为无覆冰时的风偏角；θ0、β0AB、β0AC均为风偏平面转化为垂直平面内的偏角。

其中，偏移后绝缘子串与与导线方向垂直的平面的夹角与绝缘子串倾斜角与风偏角的关系如图3所示[16]。偏移后主杆塔两侧导线倾斜角与导线垂直平面内的倾斜角、风偏角的关系同理。

覆冰后的导线最低点水平应力求解方法与无覆冰时相同，同样排除风压比载的影响，转化为垂直平面进行求解，于是求得导线每公里覆冰质量为

即可根据垂直平面的公式得出相应的覆冰质量mi与厚度b。

图3 绝缘子串偏角关系示意图

2 实验验证

2.1 模拟实验设计

由于架空输电线路档距一般在几十米到几百米之间，难以通过实际测量来验证力学模型的准确性，因此采用模拟实验。模拟实验搭建4 个档距输电线路，如图4所示。其中A、B、C 为模拟直线杆塔，D、E 为模拟耐张杆塔，即导线固定在D、E 处。

图4 模拟实验示意图

AB 档距3m，AC 档距5m，BD、CE 档距均为4m。B 杆塔与A 杆塔高差0.2m，C 杆塔与A 杆塔高差0.3m。采用LGJ-95/20 型号钢芯铝绞线进行模拟实验，导线外径为 13.87mm ，单位质量0.4089kg/m。由于采用模拟实验，档距较小，不便于设计模拟绝缘子串，但在主杆塔A 处需要悬挂拉力传感器，因此使用拉力传感器来充当模拟绝缘子串。拉力传感器长度15cm，质量为0.9kg，加以拉力传感器在杆塔处和导线处固定的距离，总长度约为20cm。因此在B、C 杆塔处悬挂首尾链接的0.1kg砝码9 个，并调整其固定长度为20cm，充当模拟绝缘子串。D、E 为模拟耐张杆塔，因此将导线直接固定即可。

2.2 数据采集与结果分析

本文分档距测量覆冰厚度模型中，首先需要测量出导线的覆冰质量。实际导线覆冰时，由于覆冰种类多，并不都是等厚空心圆柱体冰柱，因此测量覆冰厚度时误差很大，所以测量出导线的覆冰质量也有很大的意义。

模拟实验时，将相应的厚度的覆冰折算成覆冰质量，使用多个质量1mg 砝码从导线最大弧垂处开始均匀向导线两侧分部，将砝码粘贴在导线上充当覆冰。实际线路覆冰时，主杆塔两侧导线所处环境条件基本一致，其覆冰后度也大致相同，因此模拟实验时也假设主杆塔两侧导线的覆冰厚度相同。输电线路设计时，一般设计最大承受覆冰厚度为10mm，因此本模拟实验设计10 组，即分别模拟导线覆冰厚度1～10mm，每组实验采集三次数据并取平均值，通过测量计算，将计算数据与实际值进行对比。