500kV輸電線路相間間隔棒對覆冰導線脫冰跳躍的研究

熊浩然 龔玉德

（國網江西省電力公司檢修分公司，江西 南昌330043）

0 引言

我國是世界上輸電線路覆冰最為嚴重的國家之一，其中在湖南、湖北、江西等南方省份尤為嚴重。在覆冰導線脫冰時，導線會產生跳躍性的劇烈運動，從而導致臨相導線間空隙間隙減小，嚴重時造成導線間閃絡或短路，造成線路跳閘；此外，導線脫冰時會產生較大的沖擊力，使得絕緣子串掛點處受到較大不平衡張力，嚴重時造成塔身塔材破壞、倒塔斷線等機械事故。

國內外學者對導線脫冰跳躍及抑制問題進行了研究。加拿大的Janez學者通過建立有限元模型，對110kV線路的脫冰問題進行研究，研究表明脫冰跳躍使導線產生很大振幅。中國電力科學研究院的楊風利等人通過建立塔線體系模型，進行導線脫冰跳躍的動力響應分析，得出了不同工況下導線跳躍高度、掛點荷載及塔材桿件內力的變化規律。華中科技大學的李黎、張行等學者針對大跨越輸電線路脫冰跳躍進行控制研究，重點在鐵塔的塔頭處加裝粘彈鉛芯阻尼器，研究表明：阻尼器的加裝對于導線的脫冰跳躍有較好的減震效果。

1 塔線-相間間隔棒體系的有限元理論

1.1 導線懸鏈線理論

根據DL/T 5092-1999P《110-500kV架空送電線路設計技術規程》，導線的懸鏈線方程為如式1所示：

式中：σ0為架空線最低點處的應力，γ為沿架空線的均布比載。

1.2 導線覆冰脫冰模擬方法

目前，模擬輸電線路導線覆冰脫冰的方法有如下四種：質量塊法、單元生死法、Tamas模型法和等效荷載法。本文采用等效荷載法進行導線覆冰脫冰模擬，等效荷載法即先計算出一檔導線覆冰的自重，然后把冰的自重均勻分散到導線單元的節點上。實際線路中，導線脫冰是一個復雜和隨機的過程，導線脫冰可分為均勻脫冰和非均勻脫冰，均勻脫冰和不均勻脫冰的形式如圖1所示，本文脫冰方式選用非均勻脫冰。

圖1 脫冰模擬方法示意圖

2 塔線-相間間隔棒體系有限元模型

建立輸電塔線-相間間隔棒體系的有限元模型，輸電塔為5D-SZ1型雙回路直線塔，導線為4×LGJ-100/35型四分裂鋼芯鋁絞線，地線為JLB1A-120-19型鋁包鋼絞線，絕緣子為FXB4-500/160棒形懸式復合絕緣子。檔距布置為連續3檔，檔距均為500m，不考慮高差的影響，且在有限元模型中，將四分裂導線簡化成單根導線進行數值模擬。兩塔三線輸電塔線-相間間隔棒體系的有限元模型如圖2所示。

在有限元模型中，鐵塔主材用BEAM189單元模擬，鐵塔輔材用LINK8單元模擬；導、地線用LINK10單元模擬；懸垂絕緣子、相間間隔棒用LINK8單元模擬。本文中，選取物理特性為半剛性相間間隔棒進行研究，即相間間隔棒兩端為球鉸結構，可沿任意方向轉動，保證間隔棒在外界工況下只承受軸向力。根據現場實際經驗，本文將相間間隔棒安裝在0.47檔距處、0.53檔距處（1×2），相間間隔棒布置圖如圖3所示。

圖2 塔線-相間間隔棒體系有限元模型圖

圖3 一檔內相間間隔棒布置圖

3 不同脫冰相下相間間隔棒對塔頂水平位移的抑制研究

在研究導線脫冰跳躍對鐵塔的影響這一問題時，首先要對其影響部位進行分析。當導線在不同工況下發生脫冰跳躍時，首先影響的是導線掛點處，由于該掛點在受到不平衡張力作用時會出現傾斜，嚴重時會出現斷線、倒塔，故對輸電塔塔頂位移的分析十分重要。

本節通過選取不同脫冰相組合，研究安裝相間間隔棒前后，導線脫冰跳躍時對塔頂位移的影響，所得數據經過MATLAB處理，繪制出其波形圖。選用非均勻脫冰的形式模擬脫冰,其中三檔全部覆冰中間檔脫冰，間隔棒的棒芯直徑取30mm，覆冰厚度為30mm，脫冰量為50%脫冰，脫冰相分別選取以下三種方案：

1）中間檔左側中相

2）中間檔右側下相和左側中相

3）中間檔左側上、下相和右側上、下相

在線路中加裝相間間隔棒前、后，塔頂水平位移如圖4所示：

圖4一側中相脫冰塔頂位移時程曲線

圖5 左側中相、右側下相脫冰塔頂位移時程曲線

圖6兩側上下相+上下相脫冰塔頂

圖7方案1位移時程曲線

在不同脫冰相組合下，導線脫冰跳躍時，相間間隔棒的安裝對輸電塔塔頂水平位移起到抑制作用。當中間檔一側中相脫冰時，在無間隔棒時，塔頂水平位移為12mm,加裝間隔棒時，塔頂水平位移為7mm。當兩側兩相脫冰時，加裝間隔棒塔頂水平位移的改變較小，只減少了5mm。

4 相間間隔棒合適的布置方案

根據實際經驗，塔線體系脫冰跳躍時，選取幾種不同的相間間隔棒布置方案，建立模型進行數值模擬，布置方案如下：

方案 （1）：0.47、0.53 檔距處 （2）； 方案 （2）：2/9、1/2、7/9 檔距處（3）； 方案（3）：1/4、1/3、2/3、3/4 檔距處。 三種方案的有限元模型如圖7、8、9 所示。

圖8 方案2

圖9 方案3

分別計算30mm覆冰，三檔檔距都為500m，三檔全部覆冰，都加裝相間間隔棒，只有中間檔脫冰，脫冰量為100%脫冰，相間間隔棒的棒芯直徑為30mm，采用不同相間間隔棒布置方案，進行分析研究不同的相間間隔棒布置方案對塔線體系脫冰跳躍的抑制效果。由于多相同時脫冰的幾率相對比較小，所以本文只考慮單相脫冰，選取中間檔的一側中相脫冰的情況。對比不同相間間隔棒的布置方案，對塔線體系脫冰跳躍的抑制效果。通過有限元軟件ANSYS進行數值模擬分析得出數據，所得數據經過MATLAB處理，繪制出其波形圖。下面繪出在不同的相間間隔棒布置方案時，脫冰檔導線跨中點的脫冰跳躍最大位移和導線水平張力圖進行對比分析。

圖10 不同相間間隔棒布置方案的導線最低點位移時程曲線

圖11 不同相間間隔棒布置方案的導線水平張力時程曲線

從圖10可以看出，不同的相間間隔棒布置方案，對導線跳躍位移的抑制效果影響不一樣。方案2能夠更好的抑制導線中點最大跳躍位移。從圖11可以看出，不同的相間間隔棒布置方案，對導線水平張力的抑制效果影響不一樣。方案1能很好的抑制導線水平張力的最大值，但是緩減振動沖擊時間的相對較長。方案2和方案3對抑制導線水平張力的最大值幾乎差別不大，但較方案1能在更短的時間內緩減振動沖擊。

5 展望

由于脫冰跳躍的實際過程極其復雜，本文只考慮了輸電塔線體系均勻覆冰、不均勻脫冰的情況；也沒有對地線、塔腿等部分進行分析；把分裂導線等效成一根導線，忽略了分裂導線之間的脫冰跳躍情況，所以對分裂導線和三相整體塔線體系的脫冰跳躍問題還有待進一步研究。

［1］蔣興良，馬俊，王少華，等.輸電線路冰害事故及原因分析[J].中國電力，2005，38(11)：27－30.

［2］Kalman T，Far zaneh M，McClure G.Numerical analysis of the dynamic effects of shock-load-inducedice shedding on overhead ground wires [J].Computers&Structures，2007，85：375－383

［3］尹鵬，李黎，張行.輸電線路脫冰跳躍反應控制研究[J].電網與水力發電進展，2008，24(3)：3－7.

［4］楊風利，楊靖波，李正，等.覆冰輸電線路脫冰跳躍及抑制方法研究[J].振動與沖擊，2010，5(29)：20－26.

［5］孔偉，孟遂民.架空送電線路設計[M].北京：中華電力出版社，2007，8：57－63.

［6］沈世釗.懸索結構設計[M].2 版.北京：中國建筑工業出版社，2006，1：159－175.

［7］王新敏.ANSYS 工程結構數值分析[M].北京：人民交通出版社，2007，10：467－471.

［8］張宏志，歐珠光.緊湊型線路相間間隔棒的動力分析[J].武漢理工大學學報，2001，23(1)：81－84.

［9］王黎明，范欽珊，薛家麒，陳正新.相間合成絕緣間隔棒大撓度屈曲研究及應用[J].清華大學學報：自然科學版，1997，37(1)：9－12.