±800 kV直流輸電線路重冰區導、地線脫冰沖擊敏感因素淺析

劉翔云，何松洋，黃 興，宋玲林

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

冰災一直是威脅中國電網安全運行最為嚴重的自然災害之一，一旦發生，可能引起輸電線路倒塌產生大面積停電，給國民生活造成巨大影響。災后調查報告顯示，倒塌的輸電鐵塔中90%是由于不均勻覆冰和不均勻脫冰的不平衡張力造成的。對于±800 kV特高壓直流輸電線路，由于輸送距離長，途經重覆冰區較多，其脫冰不平衡張力對于線路的安全運行存在較大的威脅。

架空輸電線路導線和地線在脫冰時，其張力會發生突然變化，由于非平衡力的出現，會對桿塔產生不可忽視的沖擊作用，沖擊力的大小與線路的結構、覆冰以及脫冰有關，因而有必要研究在不同線路結構和覆冰厚度條件下，導線和地線脫冰產生的沖擊作用。目前，學者們對線路脫冰的影響已經做了一些研究，主要集中在脫冰振動響應分析[1-4]和脫冰不平衡張力計算[5-7]等方面。目前關于脫冰的沖擊作用研究較少，相關設計規范[8-10]也沒有具體要求，脫冰沖擊作為一種偶然荷載，對線路的影響不可忽略，因此有必要對脫冰沖擊荷載展開研究。

1 脫冰數值計算理論

在計算導地線覆冰后的平衡狀態時，可以通過等效密度來模擬導地線的載荷。覆冰后導地線的等效密度可由式(1)計算。

(1)

式中：ρe為覆冰后導、地線的等效密度；W1和W2分別為單位長度導、地線的自重和覆冰重量；A為其截面積。

在進行脫冰荷載計算時，假定脫冰率為β，則脫冰后殘留在單位長度導、地線上的覆冰重量為W2(1-β)，脫冰后導、地線的等效密度為

(2)

導線脫冰前的等效密度可以分解為兩部分：

(3)

脫冰前導、地線運動慣性力可以分解為兩部分：

(4)

由于假定脫冰前后導、地線的慣性力保持不變，脫冰后的慣性力按照式(5)計算。

(5)

結合式(2)至式(5)可以得到脫冰后的等效重力加速度為

(6)

式中，g′為脫冰后導、地線的等效重力加速度。

2 模型建立

為了研究導線和地線脫冰對桿塔的沖擊作用，采用有限元方法研究不同線路結構、覆冰厚度和脫冰條件下導線脫冰時對絕緣子串掛點的沖擊作用。±800 kV特高壓直流線路采用LGJ-1250/100六分裂導線，地線為GJ-150，參數見表1。

表1 ±800 kV六分裂導線和地線參數

其中，導線與直線塔連接的懸垂絕緣子串采用V型絕緣子串，其肢長為17.32 m，V串夾角為75°，總質量為5850 kg。導線與耐張塔連接采用雙聯耐張絕緣子串，長度為17.32 m，質量為11 130 kg。地線與直線塔連接的懸垂絕緣子串為I型雙聯懸垂絕緣子串，長度為1.00 m，重量為36.40 kg。地線與耐張桿塔連接采用雙聯耐張絕緣子串，其長度為6.31 m，重455.66 kg。

地線為I型絕緣子串模型時，導線為V型絕緣子串，絕緣子串的彈性模量和泊松比分別取為2.0×105MPa和0.3，采用理想彈塑性模型。絕緣子串的數值模型見圖1所示。

圖1 絕緣子串有限元模型

各線路段有限元模型兩端均為耐張絕緣子串，耐張絕緣子串一端與導線連接，另一端為固定約束。V型懸垂絕緣子串上端的兩個懸掛點采用線位移約束，但可以繞Z軸轉動。導線和絕緣子串均采用空間梁單元模擬。

檔距L和高差H的組合如表2所示。覆冰厚度分別為20 mm、30 mm；脫冰率均取100%。

表2 ±800 kV六分裂線路檔距和高差組合

±800 kV六分裂線路導線安裝的初始應力見表3。

表3 ±800 kV六分裂線路導線安裝的初始應力

以連續三檔脫冰對絕緣子的沖擊為研究對象，詳細分析了脫冰對V型串、I型串的沖擊效應，連續三檔導線模型見圖2所示。

圖2 ±800 kV連續三檔導線模型

3 參數分析

針對建立的有限元模型，研究不同檔數、不同檔距和高差組合時，各檔導地線分別脫冰時對懸垂絕緣子串和耐張絕緣子串掛點的沖擊效應。通過對導線脫冰過程的數值模擬，對比分析V型懸垂絕緣子和耐張絕緣子串掛點在導線脫冰前的反力和導線脫冰過程中的反力，得到脫冰效應的控制因素。

如圖3所示，導線在XY平面內。FH表示作用于絕緣子串掛點水平方向(X方向)的分力，FV表示作用于絕緣子串掛點垂直方向(Y方向)分力。

圖3 作用于懸垂絕緣子串和耐張絕緣子串點的反力

3.1 導線脫冰對V型串的沖擊作用

數值模擬研究表明，當檔距為800 m、高差為400 m、第3檔脫冰時，圖2中V2串的沖擊效應最大。V2串水平和垂直沖擊力隨檔距和高差的變化如圖4所示。

圖4 各檔脫冰V2串水平和垂直沖擊力隨高差的變化

圖4表明，第3檔脫冰時對V串的水平沖擊效應較第1檔和第2檔分別脫冰時的大；在第2檔脫冰時， V串掛點的垂直沖擊效應最大。

3.2 導線脫冰對耐張串的沖擊作用

數值模擬研究表明，當檔距為800 m、高差為400 m、第3檔脫冰時，作用于圖2中TR耐張串上的水平沖擊力最大，為581.94 kN；此時，作用于TR耐張串上的垂直沖擊力也最大，為550.46 kN；合力的最大變化值為800.34 kN。

各檔脫冰對TR耐張串水平和垂直沖擊力隨檔距和高差的變化如圖5所示。

圖5表明，導線脫冰時，TR耐張串水平沖擊載荷會隨著檔距的增大而增大，但受高差的影響不大；垂直沖擊載荷會隨著檔距的增大而增大，也隨高差的增大而增大。

圖5 各檔脫冰TR耐張串水平和垂直沖擊力隨高差的變化

3.3 導線模態分析

模擬分析了典型三檔六分裂導線覆冰模型的固有頻率和模態。模型見圖2，模型各檔檔距為800 m，高差為100 m，覆冰厚度為30 mm。覆冰導線的其他物理參數見表1。

計算得到線路模型的前10階固有頻率見表4。

表4 連續三檔低階固有頻率

前4階模態變形云圖如圖6所示。

圖6 模態云圖

圖6表明，連續三檔導線模型的模態以單檔局部水平撓曲變形為主，四階模態發展為豎向撓曲變形。

分析連續三檔六分裂導線脫冰后的振動模式時，對其典型位置(第2檔中點)的位移時程響應進行頻譜分析。第2檔脫冰時其導線中點的垂直位移時程曲線如圖7所示，頻譜見圖8。

圖7 第2檔脫冰時導線中點垂直位移時程曲線

圖8 第2檔脫冰時導線中點的位移頻譜

由圖8可知，第2檔脫冰時頻率為0.068 9 Hz，接近于其三階固有頻率0.066 77 Hz，該固有頻率對應的振動模態為單半波，即脫冰時導線的主振動為單半波形。

4 地線脫冰沖擊參數分析

輸電線路不同結構參數和脫冰參數條件下，地線脫冰對桿塔的沖擊作用不同。以連續三檔模型進行數值分析，導線V串處的地線采用I串，地線選用GJ-150，覆冰厚度30 mm，脫冰率為100%。不同檔距下地線安裝的初始應力見表5。

表5 GJ-150地線不同檔距安裝的初始應力

4.1 地線脫冰對I型串的沖擊作用

研究表明：當檔距為800 m、第2檔地線脫冰時，地線I串的水平沖擊效應最大，圖2中V2串處地線絕緣子I2串上的最大水平沖擊力為87.87 kN；當檔距800 m、高差為400 m、第2檔脫冰時，I串的垂直沖擊效應最大， I2串上的最大垂直沖擊力為64.16 kN。

各檔脫冰時I2串垂直沖擊力隨檔距和高差的變化如圖9所示。

圖9 各檔脫冰I2串垂直沖擊力隨高差的變化

圖9表明，不同檔距條件下，高差越大，I2串垂直沖擊力就越大。

4.2 地線脫冰對耐張串的沖擊作用

當檔距為800 m、第3檔脫冰時，圖2中TR耐張串的水平沖擊效應最大，其最大水平沖擊力為77.30 kN。當檔距為800 m、高差為400 m、第3檔脫冰時，TR耐張串的垂直沖擊效應最大，其最大垂直沖擊力為60.78 kN。

各檔脫冰TR耐張串垂直沖擊力隨高差的變化如圖10所示。

圖10表明，不同檔距條件下，高差越大，TR耐張串垂直沖擊力就越大。

圖10 各檔脫冰TR耐張串垂直沖擊力隨高差的變化

5 結 語

上面基于脫冰計算理論，通過數值模擬方法研究了六分裂導線在檔數、檔距、高差等復合因素影響下導、地線的脫冰動力響應，分析不同參數條件下導線和地線脫冰對懸垂絕緣子串和耐張絕緣串的沖擊效應和最不利控制因素。主要結論如下：

1)各種檔距高差組合中，導、地線檔距和高差均最大時，其沖擊效應最大。

2)對于連續三檔六分裂線路，懸垂絕緣子串掛點上的水平沖擊作用在第3檔脫冰時對V2串的沖擊作用較第1檔和第2檔分別脫冰時的大；在第1檔脫冰時，作用于V1串掛點的垂直沖擊效應最大。

3)對于連續三檔六分裂線路，導線脫冰過程中作用于耐張絕緣子串掛點上的沖擊效應在最大號檔脫冰時對右端(高位端)耐張絕緣子串掛點的沖擊最大，水平沖擊作用會隨著檔距的增大而增大，高差的影響較弱；垂直沖擊作用會隨著檔距的增大而增大，也隨高差的增大而增大。

4)地線脫冰過程中作用于耐張絕緣子串掛點上的沖擊效應在最大號檔脫冰時對右端(高位端)耐張絕緣子串掛點的沖擊最大；脫冰時水平沖擊作用會隨著檔距的增大而增大；垂直沖擊作用會隨著檔距的增大而增大，也隨高差的增大而增大。