城沐一線500kV線路取消架空地線力學性能分析

范松海，雷云澤，龔奕宇，王 言（．國網四川電力科學研究院，成都 60000； ．清華大學深圳研究生院，深圳 58055）

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城沐一線500kV線路取消架空地線力學性能分析

范松海1，雷云澤2，龔奕宇1，王 言2
（1．國網四川電力科學研究院，成都 610000； 2．清華大學深圳研究生院，深圳 518055）

摘要：架空地線的主要作用是防止雷電直擊導線，但在冬季，由于架空地線線徑較細，強度較低，多次因地線覆冰引發斷線、跳閘事故，因此提出了取消重冰區500 kV線路架空地線的做法。使用有限元仿真工具ANSYS Workbench，以城沐一線500 kV線路三基桿塔為對象進行建模，對取消地線前后城沐一線的力學性能做了仿真計算。計算結果表明，在不同的覆冰強度下，取消地線后桿塔塔頭及塔身主材所受拉力及應力都有所下降，提高了整個塔線體系在冬季運行的可靠性。結果可為冰區超高壓電網的運行維護工作提供指導。

關鍵詞：城沐一線；取消地線；有限元；覆冰；應力

引言

四川省西昌大箐梁子海拔約2 500 m，處于冷暖交匯分水嶺，有一條由南至北的峽谷，西北方向10 km的邛海為該地段輸電線路覆冰提供充足水汽源，是典型的微地形微氣象帶，同通道的線路有500 kV城沐一二線、500 kV月普一二線、±800 kV錦蘇線及其接地極線路。近三年，大箐梁子輸電通道共發生4起斷線（3次為斷地線）、2起倒塔故障，發生覆冰跳閘17次（其中已查明有11次由于覆冰引起導線和底線間距不夠導致跳閘）。架空地線覆冰已嚴重影響大箐梁子輸電通道線路安全穩定運行。

地線覆冰對輸電線路的危害主要有：導線對地線放電，當相鄰檔距間的覆冰分布不均衡，或者地線不同期脫冰引發跳躍時，地線和導線間的距離減小，引起導線對地線放電；地線斷裂，由于地線線徑明顯小于導線線徑，其覆冰厚度比導線大，同時強度低于導線，當覆冰達到一定厚度，超過地線承受能力時，將導致地線斷裂。

針對目前的現場狀況，考慮取消地線是一個可行的減少故障次數的手段。為了比較地線取消前后對線路受力的影響，需要借助有限元仿真軟件，通過對取消地線前后的塔線體系進行建模和力學仿真，得出桿塔主材和導線、地線的受力、應力等。從而對取消地線這一手段進行評估。

1 模型建立

1.1 線路選取

選取地線覆冰斷裂跳閘事故較為嚴重的城沐一線作為仿真對象，為了簡化仿真模型，選取三基桿塔及其間的導地線，建立三基塔線體系模型。這三基桿塔的關鍵參數見表1。

基于經緯度以及海拔高度，可以將三基桿塔的位置轉換為XYZ空間中的坐標，以便于建模。以050#桿塔的位置作為原點，得出三基桿塔的坐標見表2。

1.2 塔線體系建模

確定三基桿塔的位置后，為了在計算機計算能力的限制下盡可能提高精確度，需要對桿塔、絕緣子、導線等部件進行適當簡化。簡化原則如下：

1）桿塔只保留主材，主材桿件均用直徑10 cm的圓柱狀結構鋼材料進行建模，桿件之間連接處為緊密接觸，并進行圓角處理。

2）絕緣子用圓柱狀鋼材料進行建模，長度維持絕緣子原長度不變，直徑則以質量不變為原則進行調整。

3）導線、地線的建模，以有效橫截面積不變為原則，均簡化為單根橫截面為圓形的鋼質桿結構，其中，導線每相為四分裂，合并為單根導線，并保持與四根分裂導線總橫截面積相同，地線原本即為單根，保持橫截面積不變。

經過上述建模方法，建成了城沐一線050#～052#三基桿塔組成的塔線體系，如圖1所示。

其中細節如051#號全塔如圖2所示。

表1　三基桿塔關鍵參數

表2　三基桿塔XYZ坐標

圖1　城沐一線三基桿塔體系

圖2　城沐一線#051號桿塔模型

2 塔線體系力學仿真

2.1 覆冰程度模擬

根據城沐一線現場觀測經驗，按最大覆冰厚度20 mm計。考慮導地線的空間尺度遠大于桿塔，計算時僅考慮導地線上的覆冰。又由于覆冰在導地線表面附著，對導地線的強度沒有貢獻，可以認為是處處均勻分布的質量。將覆冰與導地線模型合并，提出等效密度的概念，即覆冰的附著導致導地線的質量增加，等效于導地線的密度隨之改變。不同覆冰程度下的導地線等效密度如表3所示。

其中，導線型號為JL/G1A-500/45鋼芯鋁絞線，地線型號為GJ-120鋼芯鋁絞線，可以看出，由于地線的線徑較細，隨著覆冰厚度的增加，其等效密度比導線要大很多，這從側面驗證了地線容易斷裂的實際現象，支持了取消地線的措施的必要性。

2.2 仿真結果

整個塔線體系在自重作用下的形變如圖3所示。

其中最大弧垂發生在050#號桿塔和051#號桿塔之間的中間相導線中部。桿塔塔頭部分均有輕微變形，絕緣子均朝著受力方向發生傾斜和彎曲，塔身相對形變較小，如圖4所示。

3 結果分析

3.1 導地線弧垂與覆冰厚度的關系

以城沐一線塔線體系的最大弧垂為觀測目標，分地線取消前后的情況，觀察導線和地線的最大弧垂隨覆冰厚度增加的變化情況。

導線、地線均覆冰的情況下，兩者的最大弧垂隨覆冰厚度的變化如表4所示。

可見隨著覆冰厚度的增加，導線和地線弧垂都在增大，如圖5所示。

表3　導地線在不同覆冰厚度下的等效密度

圖3　城沐一線塔線體系整體形變

圖4　城沐一線050#桿塔形變（放大到3.3倍）

從圖中可見，當未覆冰時，地線弧垂小于導線會吹，而當覆冰開始后，地線弧垂很快就大于導線，并且地線弧垂的增長速度大于導線，因此在覆冰嚴重時，地線可能與導線之間的間距過小，導致導線對地線放電引發事故。

取消地線后，導線的最大弧垂隨覆冰厚度增加的變化情況如表5所示，為便于比較，將取消地線前后導線的最大弧垂作于同一張圖中，如圖6所示。

從圖中可見，地線被取消后，導線的弧垂有所減小，但并不明顯，這是由于地線被取消后，減小了對桿塔的拉力，從而塔頭的形變減小，進而使導線弧垂減小，而桿塔相對于導地線來說是一個高剛性物體，形變范圍有限。但是，取消地線可以徹底消除導線對地線放電的可能性。

3.2 導地線應力與覆冰厚度的關系

導地線覆冰將使其所受載荷增大，反映在導地線本身上，使其承受更大的拉力，考慮到導線和地線的線徑不同，本文采用導地線最低點的拉應力來對其各自的負載情況進行表征。

取消地線前，導線和地線各自所承受的拉應力如表6和圖7所示。

從圖中可見，覆冰之前，導線和地線所承受拉應力比較接近，覆冰開始后，地線拉應力的增長速度遠快于導線，這使得地線在覆冰較厚的情況下有斷裂的危險。

地線取消后，導線所受應力隨覆冰厚度的變化情況如表7所示。

將取消地線前后導線所受拉應力畫在一張圖中，如圖8所示。

從圖中可見，地線取消后，導線所受拉應力有略微增加，其原因與地線取消后導線弧垂減小的原因類似，塔頭由于沒有了地線的拉力，從而使塔頭形變減小，進而增大了導線所承受的拉力。

表5　取消地線后導線在不同覆冰厚度下的最大弧垂

圖6　取消地線前后導線最大弧垂

表6　取消地線前導地線在不同覆冰厚度下的拉應力

圖7　取消地線前導地線拉應力

表7　取消地線后導線在不同覆冰厚度下的拉應力

圖8　地線取消前后導線所受拉應力

3.3 塔頭形變與覆冰厚度的關系

以中部桿塔即#051號桿塔塔頭橫擔處的最大形變為觀察指標，地線取消前后，此桿塔的最大形變如表8和圖9所示。

從表和圖中可見，地線取消后，由于減少了塔頭所受負載，因此桿塔的形變有所減小，從而減小了桿塔倒塌或者掉線的危險。不過桿塔受力主要還是由導線自重及其上的覆冰所致，因此取消地線對塔頭形變的影響幅度有限。

參考文獻:

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4 結論

由上文中的討論可知，隨著覆冰厚度的增加，地線所承受的拉應力增長速度遠大于導線，易于發生斷裂，因此取消地線可以消除地線斷裂的隱患。另外，覆冰時由于地線弧垂的增長速度大于導線弧垂，因此取消地線后也可以減少導線對地線放電的風險。另一方面，取消地線可以減小塔頭受力，從而減小塔頭形變，但影響幅度不大，還能略微增大導線弧垂和導線所受拉應力。總的來說，取消地線主要是可以防止地線斷裂和導線對地線放電，對導線和桿塔本身的受力情況影響不大。

中圖分類號：TM863

文獻標識碼：A

文章編號：1004-7204（2016）02-0041-05

作者簡介:

范松海(1977)，男，博士，高工，從事電網防災減災及狀態監測。

雷云澤(1991)，男，碩士研究生，主要從事外絕緣檢測方面的研究。

表8　取消地線前后#051號桿塔塔頭最大形變

圖9　桿塔的最大形變

Analysis on the Mechanical Performance of the 500 kV Chengmu No.1 Transmission Line After Removing the Overhead Ground Wires

FAN Song-hai1, Lei Yun-ze2, Gong Yi-yu1, Wang Yan2
(1. Sichuan Electric Power Research Institute, Qingyang District, Chengdu 610000; 2. Graduate School at Shenzhen, Tsinghua University, Shenzhen 518055)

Abstract：The overhead ground line can prevent the conduct line from direct lightning hit. But in winter, iced ground lines fracture and power supply interruptions happen for many times due to the thin diameter and the lower strength of the ground lines. Removing the overhead ground lines is a method to make a difference. In this paper, we use the finite element method (FEM) software, ANSYS Workbench, to simulate the mechanical performance of the 500 kV Chengmu No.1 transmission line with & without the ground wires based on the three towers model. The simulation result shows that the dragging force and the stress of the tower main material decrease after removing the ground Wires under different ice thickness. In this way, the reliability of the whole system of towers and lines is strengthened when running in winter. This paper can be an instruction on the daily job of the EHV transmission line in icing districts.

Key words：chengmu No.1 transmission line; removing ground line; FEM; icing; stress