不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算及分析

譚笛

（云南送變電工程有限公司，昆明 650216）

0 前言

重冰區(qū)輸電線路在不均勻覆冰及不同期脫冰情況下的不平衡張力計(jì)算，是重冰區(qū)輸電線路特有的荷載形式之一，是桿塔強(qiáng)度設(shè)計(jì)及導(dǎo)、地線配合計(jì)算的基礎(chǔ)。導(dǎo)線覆冰首先是由氣象條件決定的,是受溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流以及風(fēng)速等因素決定的綜合物理現(xiàn)象[6]。不平衡張力是危害輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，不平衡張力主要由不均勻覆冰造成[7]。運(yùn)行中常見的有覆冰不均勻和脫冰不均勻兩種主要類型。不均勻覆冰荷載持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長，導(dǎo)、地線具有同期性，對(duì)桿塔產(chǎn)生很大的縱向彎矩；不均勻脫冰荷載持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，其不均勻性與冰凌性質(zhì)密切相關(guān)，雨凇類冰凌不均勻程度很小，霧凇分為軟霧凇和硬霧凇2種。導(dǎo)線上積覆霧凇時(shí),常常是兩者并存。風(fēng)攜帶霧中或云中的過冷卻小水滴一個(gè)接一個(gè)不斷與導(dǎo)線表面碰撞并凍結(jié)而產(chǎn)生霧凇[9]。霧凇及粘附雪不均勻程度較大，會(huì)使桿塔受到最大彎矩和扭矩。

不均勻覆冰荷載主要是由于各檔所處的地形、高程、風(fēng)速、風(fēng)向等不同，而使各檔覆冰厚度不同或冰凌崩潰期出現(xiàn)不同期脫冰現(xiàn)象，從而產(chǎn)生不平衡張力差。

當(dāng)出現(xiàn)不均勻覆冰或不同期脫冰情況時(shí)，懸垂絕緣子串產(chǎn)生偏移，覆冰較重的檔距中導(dǎo)線弧垂增大，在桿塔兩側(cè)產(chǎn)生不平衡張力差。不平衡張力隨著覆冰率、檔距組合、安全系數(shù)、電線型號(hào)、絕緣子串長度、桿塔型式、耐張段長度、檔距的高差及計(jì)算圖式的不同而變化。當(dāng)導(dǎo)線已脫冰而地線仍有覆冰時(shí)，可能在檔距中間發(fā)生導(dǎo)、地線接近以致閃絡(luò)事故；不均勻覆冰或不同期脫冰產(chǎn)生的不平衡張力差，可能使塔身、塔頭、橫擔(dān)遭受破壞或造成導(dǎo)線對(duì)塔身、橫擔(dān)閃絡(luò)放電事故。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為當(dāng)架空線路處于連續(xù)上下山地段，以及分水嶺、埡口、風(fēng)道等微地形、微氣象點(diǎn)時(shí)，由于不均勻覆冰或不同期脫冰，使懸垂絕緣子串偏移，導(dǎo)、地線跳躍舞動(dòng)，會(huì)造成頻繁的閃絡(luò)跳閘及懸垂絕緣子串翻上橫擔(dān)等事故，故對(duì)上述線段應(yīng)認(rèn)真校驗(yàn)不均勻覆冰情況下懸垂絕緣子串偏移后的電氣間隙。氣象條件是輸電線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵境因素，氣象條件的選擇是否合理直接關(guān)系到輸電線路的建設(shè)投資和安全運(yùn)行。在新建線路設(shè)計(jì)時(shí)，路徑方案選擇應(yīng)盡量避讓重冰區(qū)地段，有利于減少線路建設(shè)投資，提高線路運(yùn)行安全性[10-12]。

文獻(xiàn)[1]對(duì)覆冰縱向不平衡張力的取值作出了規(guī)定,為輸電線路設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)依據(jù),但當(dāng)氣象條件比較惡劣、計(jì)算條件不同于規(guī)程規(guī)范時(shí),設(shè)計(jì)人員仍需對(duì)條件惡劣的耐張段進(jìn)行不平衡張力的校核和分析,對(duì)可能存在較大不平衡張力的地段采取桿塔加強(qiáng)或避讓等處理措施[5]。

1 不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算

不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算采用試湊圖解法[2-3]。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，重冰區(qū)線路不均勻覆冰荷載情況按未斷線、-5℃、有不均勻冰、同時(shí)風(fēng)速10m/s計(jì)算。不平衡張力覆冰率，按線路等級(jí)，取一側(cè)覆冰100%，另一側(cè)覆冰20%～40%。

不均勻覆冰所導(dǎo)致的直線桿塔兩側(cè)產(chǎn)生不平衡張力主要來自于相鄰檔覆冰率差異以及同檔內(nèi)各相導(dǎo)線覆冰量的差異[8]。直線桿塔不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算的檔距組合及圖式見圖1和圖2。當(dāng)出現(xiàn)不平衡張力時(shí)，懸垂絕緣子串會(huì)向張力大的一側(cè)偏移，直至新的平衡狀態(tài)，隨著耐張段內(nèi)檔數(shù)增加，最大不平衡張力逐漸增加，6檔以下不平衡張力增加較快，6檔以上增加較為緩慢[5]。檔距對(duì)不平衡張力的影響最為顯著，其次是高差[13]。隨著耐張段內(nèi)連續(xù)檔數(shù)量的增加，導(dǎo)線不平衡張力也隨之增大，但很快便趨向飽和[14]。隨著檔數(shù)的增加，其導(dǎo)線脫冰縱向不平衡張力變大，但縱向不平衡張力的增加幅度越來越小，當(dāng)連續(xù)檔數(shù)為5檔時(shí)，其最大縱向不平衡張力基本趨于穩(wěn)定[15]。

本文計(jì)算中設(shè)耐張段中有5個(gè)等檔，各檔檔距相等，懸掛點(diǎn)等高。覆冰重的檔距在一側(cè)（圖1①②③檔覆冰100%，圖2①②③④檔覆冰100%），而覆冰輕的檔距在另一側(cè)（圖1④⑤檔覆冰40%，圖2⑤檔覆冰40%）。

圖1 不平衡張力的計(jì)算組合圖式（一）

圖2 不平衡張力的計(jì)算組合圖式（二）

計(jì)算方法采用下述圖解法：

1.1 繪制圖解曲線

以安裝情況的應(yīng)力σ0作為起始條件，然后判斷不均勻覆冰時(shí)哪些檔是檔距縮短，哪些檔是檔距伸長。利用狀態(tài)方程計(jì)算檔距縮短或伸長后各檔的應(yīng)力。

曲線Ⅰ：T=f1(Δl)表示檔距伸長量與電線應(yīng)力（或張力）的變化關(guān)系。

式中σn、gn、tn—待求情況下電線的應(yīng)力、比載、溫度；

σ0、g0、t0—安裝情況下電線的應(yīng)力、比載、溫度；

Δl—檔距伸長量（取正值），m；

E—電線的彈性系數(shù)，10Mp；

α—電線的溫度膨脹系數(shù)，1/℃；

l—檔距，m。

式中Δl′—檔距縮短量（取負(fù)值），m。

其它符號(hào)意義與（1）式相同。

式中δ—懸垂線夾的順線偏移值，m；

λ—懸垂絕緣子串長度，m；

ΔT—不平衡張力差，kg；

Gn—導(dǎo)線覆冰后的重量kg；

S—導(dǎo)線截面積，mm2

g7—導(dǎo)線覆冰時(shí)綜合比載，10MPa/m；

G2（冰）—懸垂絕緣子覆冰后的重量，kg。

1.2 圖解步驟

圖3 不均勻覆冰不平衡張力圖解

用試湊圖解法，開始于耐張段的#1號(hào)塔，任選T1。

圖解的最后一點(diǎn)應(yīng)恰好在曲線Ⅰ上，否則應(yīng)重選T1重復(fù)以上試湊過程。最后解得的δ與ΔT即為各直線桿塔上線夾偏距及兩側(cè)張力差。在等檔等高情況下，在覆冰不均勻分界桿上的不平衡張力值可能最大。

采用試湊圖解法（參見圖3），從耐張段#1號(hào)塔開始，任選T1。

在工程設(shè)計(jì)中宜采用圖1的計(jì)算組合圖式。

2 結(jié)束語

1）不均勻覆冰工況下的導(dǎo)線不平衡張力，20mm冰區(qū)為導(dǎo)線最大使用張力的5.65%—6.5%，30mm冰區(qū)為導(dǎo)線最大使用張力的10.1%；計(jì)算值遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[1]中不平衡張力的取值，即20mm冰區(qū)為最大使用張力的25%，30mm冰區(qū)為最大使用張力的29%；計(jì)算結(jié)果表明，隨著覆冰厚度的增大，不均勻覆冰不平衡張力也隨之增加。一般情況下不需要按覆冰率進(jìn)行繁瑣的計(jì)算，可偏安全地按文獻(xiàn)[1]中最大設(shè)計(jì)張力的百分?jǐn)?shù)選取不均勻覆冰不平衡張力；但對(duì)連續(xù)上下山及頻繁出現(xiàn)不均勻覆冰的微地形、微氣象點(diǎn)，仍需按覆冰率用試湊圖解法進(jìn)行不均勻覆冰不平衡張力計(jì)算。

2）不均勻覆冰不平衡張力受檔距組合、覆冰率、安全系數(shù)、電線型號(hào)、懸垂絕緣子串長度、桿塔型式、耐張段長度及各檔距的高差等因素的影響。上述因素的影響是分散的，一般無規(guī)律可循。本計(jì)算按耐張段內(nèi)有5個(gè)等檔、懸點(diǎn)等高的假設(shè)條件進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果只是近似值。

3）重冰區(qū)線路都處于山區(qū)，線路高差起伏較大，地形、地貌復(fù)雜，造成檔距之間導(dǎo)、地線覆冰條件的差異，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)校驗(yàn)導(dǎo)線和地線不同期脫冰時(shí)靜態(tài)接近距離，此距離不應(yīng)小于線路操作過電壓的間隙值，以防止導(dǎo)、地線閃絡(luò)事故。

4）線路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)認(rèn)真調(diào)查搜集氣象資料及鄰近線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)頻繁出現(xiàn)不均勻覆冰或不同期脫冰的微地形、微氣象點(diǎn)，需校驗(yàn)不均勻覆冰或不同期脫冰情況下的電氣間隙及桿塔強(qiáng)度。尤其是對(duì)霧凇及濕雪覆冰線路段，在冰雪脫落時(shí)，導(dǎo)線先脫冰，地線仍有覆冰，地線弧垂落于導(dǎo)線弧垂之下，更易造成電氣閃絡(luò)及桿塔損壞事故，這種校驗(yàn)更加必要。