架空輸電線路覆冰不平衡張力的計算與分析

張 健 秦志清

（安徽省宣城市供電公司，安徽 宣城 242000）

0 引言

因氣象條件變化在桿塔上產生的水平張力差，稱為架空線的不平衡張力。2008年，南方地區的冰雪災害天氣使電網大量輸電線路斷線倒塔，倒塔現象最終是因為桿塔承受了過大的不平衡張力。當導地線覆冰嚴重時，因線路檔距或高差不等或各檔荷載不均勻會引起各檔電線的水平張力不等，從而使直線桿塔上出現不平衡張力，懸垂絕緣子串偏移或導地線在線夾內滑動，嚴重時會造成倒塔事故。不均勻覆冰是引起縱向不平衡張力的主要原因，易造成大面積的倒塔斷線事故。因此，在進行輸電線路桿塔設計時，應使桿塔能夠承受一定的不平衡張力，避免因設計不當而造成倒塔事故。相關規程規范對覆冰縱向不平衡張力的取值做出了規定，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。本課題通過討論不同條件下輸電桿塔不平衡張力的大小變化，從中找出規律，進而給設計人員提供一些實際參考指導意見。

1 導線應力精確計算原理

不平衡張力的計算原理目前比較常用的是根據耐張段內串偏移量及檔距變化量建立非線性方程組，采用牛頓法求解輸電線路不均勻覆冰所產生的不平衡張力，并分析線路各種參數對其產生的影響。計算過程中假設架空線固定在線夾內，不發生滑動現象，主要為求解以下3組關系式：（1）各檔檔距增量與檔內張力之間的關系式；（2）各直線塔懸垂絕緣子串偏移量與其前后檔檔內張力之間的關系式；（3）各檔檔距增量與其兩側直線塔懸垂絕緣子串偏移量之間的關系式。通過試湊法即可求得滿足精度要求的解。

由上述導線不平衡張力計算原理可以看出，導線的不平衡張力與下列因素有關：（1）導線的氣象變化；（2）導線參數；（3）絕緣子串參數；（4）連續檔檔數；（5）連續檔檔距分布；（6）連續檔高差變化；（7）連續檔各檔覆冰量變化。

計算連續檔線路不平衡張力的過程是比較復雜的，然而在討論各項因素對不平衡張力的影響情況時，需要不斷改變線路的各項參數，這就需要不斷重復不平衡張力的計算過程。為了避免重復、繁瑣的計算，本文采用Visual Basic語言編程，編寫覆冰不平衡張力計算程序。這樣在計算線路不平衡張力時，只需輸入不同的線路參數即可獲得不同參數下的不平衡張力值，比較方便，大大提高了計算效率。本文主要討論覆冰情況下的線路最大不平衡張力隨覆冰率及高差等線路參數的變化而變化的情況。

2 導線不同參數下的不平衡張力分析

圖1 連續檔檔距分布簡圖

為了對導線不平衡張力進行精確分析，得出準確的規律，理論上需要將上述與導線不平衡張力有關的7種因素均考慮并且合理地交叉混合討論，但是鑒于需要考慮的因素較多，且較難合理選擇這些因素以及評估這些因素作用的共同效果，因此本文著重考慮以下2個方面：（1）由連續檔各檔覆冰量因素單獨作用時，導線不平衡張力變化的規律；（2）連續檔高差因素單獨作用時，導線不平衡張力變化的規律。由于皖南地區系屬丘陵地帶，輸電各桿塔之間高差變化較大，故以上因素基本上可以說明當地輸電線路連續檔導線不平衡張力的變化在皖南地區有一定的實際指導意義。

鑒于上述情況，現選擇一實例進行說明。其過程是：

（1）首先給出某電壓等級、導線型號、氣象參數、理想檔距數、理想檔距大小、理想檔距高差、絕緣子串長。

假定一連續檔檔數為6，其中檔距分布簡圖如圖1所示，該連續檔所經過的氣象區為典型氣象區Ⅷ區，電壓等級為220kV，導線選用LGJ-400/45型號。

（2）分別改變如下參數計算導線不平衡張力：1）改變覆冰率。假定連續檔各檔高差不變，改變連續檔各檔覆冰率，計算覆冰有風氣象條件下的連續檔最大不平衡張力，觀察最大不平衡張力的改變情況并得出變化規律。2）改變連續檔高差。假定各檔覆冰率不變，改變高差，計算覆冰有風氣象條件下的連續檔最大不平衡張力，觀察最大不平衡張力的改變情況并得出變化規律。

2.1 覆冰率因素單獨作用時導線不平衡張力分析

在覆冰率因素單獨作用時，以下幾種情況下覆冰率改變對導線不平衡張力變化的影響。連續檔中，選擇一檔覆冰率變化，如分別改變第1檔、第2檔、第3檔；不分析改變第4檔、第5檔、第6檔的覆冰率，原因是改變第4檔與改變第3檔變化相同，改變第5檔與改變第2檔變化相同，改變第6檔與改變第1檔變化相同，不用重復分析。

（1）導線最大不平衡張力變化規律。當各檔的覆冰厚度都為15 mm時，連續檔最大不平衡張力最小；覆冰厚度為70mm時，最大不平衡張力最大。

（2）導線最大張力變化規律。當各檔的覆冰厚度都為15 mm時，連續檔最大張力最小；當各檔的覆冰厚度都為70mm時，連續檔最大張力最大。

（3）6檔中，保持其中5檔覆冰厚度為15 mm不變，改變另外一檔覆冰厚度，其導線不平衡張力和導線最大張力變化趨勢相同：1）覆冰厚度在0～15 mm之間時，隨著覆冰量的增加，導線不平衡張力和導線最大張力減小。2）覆冰厚度大于15 mm以后，隨著覆冰量的增加，導線不平衡張力和導線最大張力增加。3）在改變一檔覆冰厚度情況下，改變檔越靠近連續檔的兩端，連續檔的最大不平衡張力與最大張力越大；改變檔越靠近連續檔的中央，連續檔的最大不平衡張力與最大張力越小。

2.2 高差因素單獨作用時導線不平衡張力分析

在高差因素單獨作用時，以下幾種情況下高差改變對導線不平衡張力的影響。改變連續檔中的一檔高差，如分別改變第1、2、3檔高差在0～200m之間變化，并討論其他檔高差分別為0、50m、100m時導線不平衡張力的變化情況。

2.2.1 改變第1檔高差，其他檔高差為100m

改變第1檔高差，改變檔高差在0～200m之間變化，其他檔高差都為100m，連續檔各檔檔距都為300m，覆冰厚度為15 mm，絕緣子串長為2.162 m，即h1=0～200m，h2=h3=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分別計算導線張力和不平衡張力的大小情況。

2.2.2 改變第2檔高差，其他檔高差為100m

改變第2檔高差，改變檔高差在0～200m之間變化，其他檔高差都為100m，連續檔各檔檔距都為300m，覆冰厚度為15 mm，絕緣子串長為2.162 m，即h2=0～200m，h1=h3=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分別計算導線張力和不平衡張力的大小情況。

2.2.3 改變第3檔高差，其他檔高差為100m

改變第3檔高差，改變檔高差在0～200m之間變化，其他檔高差都為100m，連續檔各檔檔距都為300m，覆冰厚度為15 mm，絕緣子串長為2.162 m，即h3=0～200m，h1=h2=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分別計算導線張力和不平衡張力的大小情況。

由計算結果可得：

（1）導線不平衡張力變化規律。改變檔的高差為100m時，連續檔最大不平衡張力值最小；改變檔的高差為200m時，連續檔最大不平衡張力值最大。

（2）導線張力變化規律。改變檔的高差為0時，連續檔最大張力值最大；改變檔的高差為200m時，連續檔最大張力值最小。

（3）其他檔高差為100m，第1、2、3檔高差分別在0～200m之間變化時，連續檔最大張力均未達到導線斷線張力。當改變檔越接近連續檔的中央位置時，最大不平衡張力越小，當改變檔越接近連續檔的兩端位置時，最大不平衡張力越大。

3 導線不平衡張力及最大張力的變化規律

3.1 各參數下不平衡張力的改變情況

通過改變線路覆冰率、高差等參數，分別計算連續檔最大不平衡張力的大小，通過比較分析可以得出以下變化規律：

（1）各檔覆冰厚度一致時，連續檔最大不平衡張力值最小；覆冰越厚，連續檔最大不平衡張力一般越大；改變一檔時，改變檔越靠近連續檔中央，連續檔最大不平衡張力越小。

（2）各檔高差一致時，連續檔最大不平衡力值最小；高差越大，最大不平衡張力一般越大；改變檔高差與其他檔高差相差越大，連續檔最大不平衡張力越大。

3.2 各參數下導線最大張力的改變情況

通過改變線路覆冰率、高差等參數，分別計算連續檔最大張力的大小，通過比較分析可以得出以下變化規律：

（1）覆冰厚度越大，連續檔最大張力一般越大；當各檔覆冰厚度一致時，連續檔最大張力值最小。總體而言，改變覆冰率，連續檔最大張力變化幅度較大。

（2）改變檔高差越小，連續檔最大張力越大；高差在0～200m之間變化時，連續檔最大張力都沒有超過導線斷線張力。改變高差情況下，連續檔最大張力的變化幅度并不大。

4 結語

通過對連續檔不平衡張力和導線張力的計算與分析，筆者給輸電線路運行維護單位提出以下建議：

（1）由于變化覆冰率，連續檔最大張力變化幅度較大，而改變檔越靠近連續檔兩端，導線最大不平衡張力越大，因此為防止線路斷線倒塔，應加大對冰災區輸電線路的巡視，著重巡視耐張段內兩端檔線路的覆冰情況。

（2）由于改變檔高差與其他檔高差相差越大，連續檔最大不平衡張力越大，因此為防止輸電桿塔因受導線不平衡張力過大而發生倒塔事故，應對線路連續檔內各檔高差相差較大的地段加大巡視力度。

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［2］周坤，彭建春.輸電線路不平衡和斷線張力計算與分析［J］.湖南電力，2009（3）

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