中重冰區架空輸電線路地線選擇的探討和建議

譚志慶

摘要：

介紹了地線選擇的原則.通過分析導線、地線不平衡張力桿塔受力情況發現，較短的地線金具應力調節能力差是嚴重覆冰中架空輸電線路地線支架和地線受損的重要原因.通過對不同截面和強度的地線在不同覆冰情況下與導線的配合計算，以及對不同強度但相同截面地線的抗振分析，得出了在導線和塔頭不變情況下增加地線截面和增加地線強度的可能性和優劣.最后得出，在中重冰區可以通過增加地線截面、增加設計覆冰、增加不均勻覆冰工況、提高地線鋼絲強度等方式選擇地線，并對實際輸電線路設計中地線的選擇提出了建議.

關鍵詞：

地線； 不平衡張力； 過載能力； 覆冰厚度； 防振

中圖分類號： TM 75文獻標志碼： A

Abstract：

Principles of ground line selection were introduced.By analyzing the unbalanced tension of conductor and ground line in pole tower，bad regulation ability of short ground lines and fittings played an important role in the damage of ground line and its stand in overhead transmission lines.Antivibration analysis of ground line with different intensities and same cross section as well as calculation of conductor and icing ground line with different crosssection or intensities showed the possibilities and merits of increasing the crosssection and intensity of the ground line without changes of conductor and tower head.At last，it could be concluded that the ground line could be selected in medium/heavy icing areas by increasing cross section，adding design icing，adding uneven icing，increasing the intensity of ground line.Suggestions were provided for the design of actual transmission line.

Keywords：

ground line； unbalanced tension； overload capacity； ice thickness； antivibration

2008年冬季，由于持續的雨雪冰凍天氣，我國南方送電線路大面積覆冰，鐵塔不堪重負倒塌斷線，電力設施遭到前所未有的破壞，送電線路大范圍中斷.送電線路受災現象表現為：地線及復合光纜馳度異常、直線絕緣子金具串線夾滑移、金具串損壞、地線或導線斷線、光纜斷芯線、塔材扭曲變形、鐵塔地線尖子折斷、導線橫擔折斷和鐵塔倒塌[1].但從送電線路受損的統計情況來看，每次冰災天氣，特別是2005年和2008年大冰凍時，地線支架和塔頭損壞較多[2].

《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[3]對地線的選擇作了明確的規定，即按導線截面大小選配鍍鋅鋼絞線作為地線.設計中無需進行地線選擇，只有懸掛OPGW（通信光纜兼作地線）的工程地線要作分流線時才需進行良導體地線的選擇.由于地線金具串的長度很短，一般只有0.2～0.3 m，調節不平衡張力的能力很差，當檔距稍大時，與耐張串的調節能力差別不是很大，即桿塔兩側的張力差絕大部分會直接作用于桿塔.不平衡張力絕大多數是出現在覆冰（不均勻覆冰或脫冰），特別是脫冰情況時，因為各個檔距按相同的比例同時脫冰幾乎是不可能的.換言之，只要有覆冰，必然會產生不平衡張力.這也是每次冰災天氣時地線支架和塔頭損壞較多的主要原因.

1導線、地線不平衡張力以及地線和地線支架受損原因分析

本節舉例說明不均勻脫冰時產生不平衡張力的情況.110 kV線路設計冰厚為20 mm，導線為LGJ300/50，最大使用應力為112.8 MPa.按照《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[3]選擇地線為GJ80，最大使用應力為372 MPa，導線絕緣子串長度為1.7 m，地線金具串長度為0.25 m.耐張段共有7檔，檔距均為400 m，不考慮高度差，正中間一檔脫冰（無風、0℃）.不同脫冰率時作用于桿塔的張力差如表1所示，括號中的數值為張力差占最大使用張力的百分比.

從表1可看出，絕緣子串長度對張力差影響很大.脫冰率為100%時，直線塔導線張力差僅為耐張塔24%，而直線塔地線張力差卻為耐張塔的85%.這說明短的地線金具串調節不平衡張力的能力不如較長的導線串，這也是嚴重覆冰時架空輸電線路地線支架和地線受損的重要原因.

2不同截面和強度的地線與導線的配合計算

以220 kV 線路ZBC31塔和110 kV線路ZM2塔為例進行導線、地線的配合計算.塔頭尺寸及導線參數如表2所示.

從表3可看出，如果地線設計冰厚比導線設計冰厚增加10 mm，則GJ80最大使用應力安全系數小于《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[3]中規定的2.5.因此，兩種塔型均不能采用GJ80，而必須采用GJ100.

在導線和塔頭尺寸不變時，提高地線的設計冰厚，地線最大使用應力也隨之加大，地線

弧垂的變化不是很大.例如：LGJ300/40導線在正常應力、設計冰厚15 mm、無風、0℃、檔距為400 m 時弧垂為15.94 m.相同條件下選配的GJ80地線（ZBC31塔）在設計冰厚為15 mm時弧垂為14.43 m；在設計冰厚為20 mm時弧垂為15.1 m，只增加了0.67 m.在上述條件下，即使導線脫冰率為50%，導線、地線間的垂直距離仍能滿足220 kV線路操作過電壓的間距要求.

3不同強度相同截面的地線抗振能力分析

提高地線型號會提高地線的安全系數，例如，ZM2塔導線設計冰厚15 mm，地線設計冰厚20 mm，采用GJ80時地線安全系數為2.79（鋼絲抗拉強度為1 207 MPa），采用GJ100時地線安全系數為3.22，比采用GJ80時提高了15.8%，作用于桿塔的張力增加了4.36 kN，比采用GJ80時增加了13.5%.因此，桿塔特別是地線支架的選材強度需加大，但實際荷載也增加了.在鋼材強度相同的情況下，桿塔的安全度并沒有得到實質性的提高.

較為合理的辦法是提高地線的抗拉強度.如果將鋼絲抗拉強度由1 270 MPa提高至1 370 MPa或1 470 MPa，則地線安全系數變為3.01或3.23；當鋼絲抗拉強度為1 270 MPa時，地線破壞應力為1 143 MPa；當鋼絲強抗拉強度為1 370 MPa時，地線破壞應力為1 233 MPa.鋼絲抗拉強度提高后作用于桿塔的荷載并沒有增加，但鋼絲會變得更硬，抗振能力會稍差.

從表4可看出，設計冰厚分別為15、20 mm時的年平均運行應力遠比設計冰厚為10 mm時小，這對抗振十分有利.經計算設計冰厚為10 mm，地線鋼絲強度分別為1 270、1 370 MPa時，所有檔距地線平均運行應力占破壞應力的百分比均大于12%；而設計冰厚為20 mm，地線鋼絲強度分別為1 270、1 370 MPa時，大部分代表檔距下地線年平均運行應力占破壞應力的百分比均小于12%.《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》[3]中規定地線是否需要進行防振是根據其年平均運行應力占破壞應力的百分比是否超過上限值（12%），按該規定進行地線的防振設計.因此，設計冰厚10 mm時，地線全部檔距均需采取防振措施；設計冰厚15 mm時，地線部分檔距需防振，部分檔距不需防振；設計冰厚20 mm及以上地區絕大多數不需采取防振措施.

高強度的地線需采取防振措施時的年平均運行應力大于強度較低的地線的年平均運行應力，故抗振效果會稍差.但如果按照年平均運行應力的絕對值進行防振設計，那兩者抗振效果應相近.因此，采用高強度的鋼絞是可行的，也是經濟的.

提高鋼絲強度對提高地線的覆冰過載能力有利.表5為ZM2塔地線設計冰厚為20 mm、檔距為500 m，地線應力達到破壞應力的70%[3]時的允許冰厚（若考慮非線性變形的情況，允許冰厚會略有增加）.

從表5可看出，將GJ80鋼絲強度從1 270 MPa提高到1 470 MPa時，其允許冰厚與GJ100鋼絲強度1 270 MPa時的允許冰厚一致.

4結論及建議

經分析可得出主要結論為：

（1） 加大地線截面可提高地線的安全系數，增加地線的過載能力.由于它作用于桿塔的荷載增加，使桿塔變重，但桿塔的安全度沒有提高.

（2） 在導線和塔頭尺寸不變的情況下，加大地線的設計冰厚，地線的實際應力沒有改變，故地線的安全系數沒有提高.但將原來的超載工況變為正常工況，增加了桿塔地線支架的荷載，致使桿塔需要得到加強.

（3） 增加地線不均勻冰的工況，并將該工況下的荷載組合系數提高，這樣增加了作用于地線支架上的荷載，致使桿塔需要得到較大的加強.

（4） 提高地線的抗拉強度，可以提高地線的安全系數，提高了地線過載能力.

綜合上述情況提出幾點建議：

（1） 在設計冰厚為15 mm地區，LGJ300/40導線可選用GJ80地線，導線、地線配合也能滿足要求.設計冰厚為20 mm及以上的地區，導線往往選用較大鋼芯的鋼芯鋁絞線，地線型號也可以加大一級，如果導線鋼芯不加大，地線規格也可以不加大.

（2） 地線支架設計驗算時設計冰厚比導線的增加5 mm為宜.增加太多會使地線截面增大，地線規格加大，加重了桿塔的荷載，使桿塔加重，但桿塔的安全度并沒有提高，故增加5 mm已足夠.

（3） 建議地線的鋼絲抗拉強度采用1 470 MPa，以提高地線的安全系數.如在設計冰厚為15 mm的地區，選用強度為1 470 MPa的GJ80地線安全系數可達4.2.而作用于桿塔上的荷載前者要比后者小.

關于提高鋼絲的抗拉強度后的防振問題，建議作一次振動疲勞試驗，以確定不需防振的應力值.在無試驗結果的前提下，建議仍按強度為1 270 MPa的地線年平均運行應力進行防振設計.

參考文獻：

[1]陸佳政，將正龍.湖南電網2008年冰災事故分析[J].電力系統自動化，2008，2（3）：2931.

[2]黃劍波，吳開賢.輸電線路雨雪冰凍災害研究[J].電網與清潔能源，2008，24（3）：2428.

[3]GB 50545—2010.110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范[S].北京：人民出版社，2010.

[4]國家電力公司東北電力設計院.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].2版.北京：中國電力出版社，2003.

[5]DL/T 5440—2009.重覆冰架空輸電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，2009.