輸電線路“兩大兩微”排查及技術(shù)方案研究

池金明

（中國電建集團福建省電力勘測設(shè)計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

輸電線路工程距離長，沿線地形地貌及氣候環(huán)境差異大。由于微地形引起的局地小氣候?qū)旊娋€路工程設(shè)計風(fēng)速和覆冰的影響顯著，尤其是沿線所經(jīng)高山大嶺段的氣象條件極其復(fù)雜。為提高線路工程安全性和經(jīng)濟性，針對存在的微地形、微氣象區(qū)（簡稱“兩微”）進行專門的論證和分析，從而確定合理的設(shè)計氣象條件。針對存在的大檔距、大高差區(qū)（簡稱“兩大”）進行專門的論證和分析，從而提出可行的工程措施。

本文依托±800 kV 白浙線（浙江段）工程，從線路覆冰復(fù)核、“兩大“及“兩微”區(qū)段排查、地線系統(tǒng)校驗4 個方面，結(jié)合線路沿線地形地貌、氣候特點等綜合分析輸電線路工程 “兩微”排查及加強方案，提出合適的差異化工程措施。

1 工程概況

±800 kV 白浙線（浙江段）起自浙江省宣城市寧國市與湖州市安吉縣縣界（皖浙省界），止于浙江省臨平區(qū)浙北換流站，線路長度為113.943 km，其中與接地極共塔架設(shè)88.778 km。線路途經(jīng)浙江省湖州市、杭州市，海拔高程在0～750 m。沿線地形占比為：平地2.2%，河網(wǎng)泥沼24.3%，一般山地60.8%，高山大嶺12.7%。設(shè)計基本風(fēng)速為27、30 m/s，設(shè)計覆冰厚度為10、15、20 mm（重），最低氣溫-20 ℃。

2 氣象條件

2.1 線路沿線區(qū)域電網(wǎng)覆冰災(zāi)害故障情況

從年際變化上可知，浙江省內(nèi)2019 年發(fā)生了較為嚴(yán)重的區(qū)域性覆冰故障，2020—2022 年覆冰量級相對不大，區(qū)域未發(fā)生因覆冰而產(chǎn)生的故障。湖州、杭州區(qū)域內(nèi)500 kV 及以上線路覆冰故障點位置分布見圖1，500 kV 安仁、安和線某塔受損情況照片見圖2。從覆冰故障點的覆冰調(diào)查和實測覆冰資料分析：區(qū)域海拔高度618～720 m 海拔區(qū)間范圍內(nèi)的導(dǎo)線覆冰標(biāo)準(zhǔn)冰厚區(qū)間在18.1～23.0 mm 區(qū)間，該海拔區(qū)段內(nèi)鄰近線路多按照20 mm 重冰設(shè)計。

圖1 湖州、杭州區(qū)域內(nèi)500 kV 及以上線路覆冰故障點位置分布圖

圖2 500 kV 安仁、安和線某塔受損情況照片

白浙線設(shè)計冰厚確定過程充分吸取了鄰近線路設(shè)計及運行經(jīng)驗，與鄰近線路設(shè)計及改造情況相吻合。

2.2 線路設(shè)計冰厚取值與冰區(qū)圖的對比情況

根據(jù) 《國網(wǎng)浙江省電力有限公司關(guān)于印發(fā)浙江電網(wǎng)2019版冰區(qū)舞動區(qū)分布圖及冰區(qū)圖使用導(dǎo)則的通知》（浙電設(shè)備〔2020〕117 號）文件，線路所處的浙江中北部地區(qū)冰區(qū)劃分如表1。

表1 浙江省100 a 一遇設(shè)計冰厚劃分（中北部）

線路逐桿塔設(shè)計冰厚取值與冰區(qū)圖對比，表2 列舉不在冰區(qū)圖范圍內(nèi)的差異塔位。

表2 差異塔位桿塔設(shè)計冰厚取值與冰區(qū)圖對比情況表

桿塔設(shè)計冰厚取值差異原因如下：

（1）在安吉、德清山區(qū)段的不在冰區(qū)分布圖取值范圍內(nèi)的零星桿塔，多為冰區(qū)分界塔：如J3+1 為10 mm 與15 mm 的冰區(qū)分界塔；J11+2 為20 mm 與15 mm 的冰區(qū)分界塔；或為避免冰區(qū)過于零碎歸并考慮的原因。

（2）本線路平地段設(shè)計冰厚取值為10 mm，而冰區(qū)圖的取值為0～5 mm，設(shè)計冰厚成果不在冰區(qū)圖范圍內(nèi)。設(shè)計時主要取值依據(jù)有2 個：①參考浙江中北部海拔較低的城區(qū)氣象站如金華站（觀測場海拔高度62.6 m），實測電線積冰折算為標(biāo)準(zhǔn)冰厚值為5.1 mm；②鄰近與本擬建工程同處于湖州東部平原的向上、錦蘇特高壓100 a 一遇設(shè)計冰厚取值均為10 mm，投運多年運行良好。

（3）除了上述情況，其他桿塔設(shè)計冰厚取值均在冰區(qū)圖取值范圍內(nèi)，本線路桿塔設(shè)計冰厚取值綜合了區(qū)域覆冰調(diào)查計算成果、區(qū)域覆冰觀測成果、鄰近相似海拔相似地形條件的已建線路設(shè)計情況、運行情況和改造情況等。

3 “兩微”地區(qū)調(diào)查

覆冰地形分析應(yīng)將覆冰氣候背景與線路通道大地形位置、線路與山脈（嶺）走向關(guān)系相結(jié)合，判斷區(qū)域覆冰期的主導(dǎo)風(fēng)向，確定迎風(fēng)坡和背風(fēng)坡及其覆冰分布情況。判斷風(fēng)口、連續(xù)山嶺、獨立山體、山麓、山腰、山頂、河谷、山間平壩、山間盆地、大型水體附近等地形的覆冰空間分布差異，結(jié)合微地形微氣象區(qū)的特征，劃定可能存在微地形、微氣象影響的重點區(qū)段（圖3）。

圖3 線路沿線典型微地形微氣象分類示意圖

±800 kV 白浙線（浙江段）沿線附近5 km 范圍內(nèi)的微地形微氣象點主要有老石坎水庫（圖4）。庫區(qū)處于線路北向，線路于冷空氣來向水汽充足，冷空氣來向河谷盆地及丘陵地帶的海拔高度在10～300 m。J9～Z16 段塔位處于山脊線走線，海拔高度在700～730 m，當(dāng)風(fēng)開闊，存在易形成嚴(yán)重覆冰的地形條件，涉及塔位已按20 mm 重冰設(shè)計，并按照30 mm 覆冰進行了抗冰驗算。

圖4 線路沿線附近5 km 范圍內(nèi)的大型水體分布圖

4 “兩大”區(qū)段排查

根據(jù)脫冰時懸垂塔地線不平衡張力達到規(guī)程允許值時的檔距，作為“大檔距”定義的判據(jù)選取5 檔的耐張段，按前3 檔100%覆冰、后2 檔20%或0%覆冰考慮，對不同冰區(qū)的地線不平衡張力進行計算，計算結(jié)果如表3 所示。

表3 不同冰區(qū)脫冰時的不平衡張力計算

由表3 可知：10 mm 冰區(qū)在800 m 以上時、15 mm 冰區(qū)在600 m 以上超過設(shè)計規(guī)程限值 ［100%（一側(cè)）/20%（另側(cè)）］，20 mm 冰區(qū)檔距約500 m 時超過設(shè)計規(guī)程限值［100%（一側(cè)）/0%（另側(cè)）］。

大高差時，會造成地線懸垂角過大的情況，從而導(dǎo)致導(dǎo)地線損壞。參照本工程采用的導(dǎo)線型號，在最大使用張力安全系數(shù)為2.5 時，計算不同檔距下導(dǎo)線允許的最大高差與檔距比值，見圖5。

圖5 不同檔距下高差與檔距比值

通過對不同冰區(qū)脫冰時的不平衡張力、高差計算，初步確定大檔距按10 mm 冰區(qū)≥800 m、15 mm 冰區(qū)≥700 m、20 mm冰區(qū)≥500 m；大高差按高差與檔距比值≥20%考慮。經(jīng)復(fù)核，本線路涉及“兩大”共45 檔、76 基塔。

5 地線系統(tǒng)抗冰能力復(fù)核

在線路覆冰復(fù)核和“兩微”排查工作基礎(chǔ)上，對地線系統(tǒng)進行了校驗，主要包括導(dǎo)地線間隙校驗、桿塔強度校驗、地線雙懸垂線夾校驗、單預(yù)絞式耐張線夾校驗共4 方面。其中，導(dǎo)地線間隙和桿塔強度的校驗主要針對“兩大兩微”區(qū)段開展，懸垂線夾、耐張線夾等地線金具進行全線校驗。

5.1 導(dǎo)地線間隙

針對“兩大”“兩微”地區(qū)進行計算校核，“兩大”地區(qū)地線在導(dǎo)線基礎(chǔ)上+5 mm 校核，兩微地區(qū)地線在導(dǎo)線基礎(chǔ)上+10 mm校核。校驗方式為計算靜態(tài)、動態(tài)脫冰跳躍的導(dǎo)地線間隙。動態(tài)考慮覆冰風(fēng)速的影響，按工作電壓下的間隙控制。

本線路無兩微地區(qū)，“兩大”涉及45 檔，根據(jù)地線增加5 mm覆冰情況復(fù)核導(dǎo)地線間隙。經(jīng)校核，本線路光纜加5 mm 覆冰導(dǎo)地線間隙靜態(tài)接近、脫冰跳躍均滿足工作電壓下的間隙要求。

5.2 桿塔強度校驗

在常規(guī)設(shè)計中，地線增加覆冰5 mm 或10 mm 主要針對覆冰工況而言，不均勻覆冰工況和斷線工況仍采用設(shè)計最大使用張力。根據(jù)以往發(fā)生故障工程的情況，一側(cè)超過設(shè)計冰厚、一側(cè)100%脫冰是造成地線架彎折的主要原因。因此，在已發(fā)生超過設(shè)計冰厚的“兩微”“兩大”區(qū)域增加地線覆冰值，并考慮地線覆冰厚度增加值對不平衡張力和斷線張力的影響，可減少因地線冰載不均勻過負荷造成桿塔損壞的情況。

“兩微”區(qū)段按地線比導(dǎo)線增加10 mm 覆冰校驗，“兩大”區(qū)段按地線比導(dǎo)線增加5 mm 覆冰校驗。校驗方式：對于不均勻覆冰工況，應(yīng)同時考慮覆冰厚度對垂直荷載、水平荷載和不平衡張力的影響；對于覆冰斷線工況，僅考慮地線冰厚增加對垂直荷載和水平荷載的影響；桿塔地線支架結(jié)構(gòu)強度校驗的荷載效應(yīng)設(shè)計值按荷載基本組合，不均勻覆冰和斷線工況的可變荷載調(diào)整系數(shù)均取0.9，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

本線路“兩大”涉及鐵塔76 基，經(jīng)復(fù)核驗算，桿件無需加強。

5.3 地線雙懸垂線夾校驗

“兩微”區(qū)段地線覆冰比導(dǎo)線增加10 mm 計算地線和光纜的雙懸垂線夾出口角及套殼強度安全系數(shù)；一般地區(qū)及 “兩大”區(qū)段按地線覆冰比導(dǎo)線增加5 mm 計算地線和光纜的雙懸垂線夾出口角及套殼強度安全系數(shù)。

對于鍛造的光纜套殼，考慮三角聯(lián)板轉(zhuǎn)動、但不考慮懸垂線夾自適應(yīng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)含光纜線夾出口角超過套殼出口角時：①若套殼安全系數(shù)＞1.5，則不更換地線金具；②若套殼安全系數(shù)＜1.5，當(dāng)兩側(cè)懸垂角都為正值且未超過原設(shè)計原則規(guī)定的地線開斷為耐張的角度時改為懸垂耐張串；當(dāng)任意一側(cè)懸垂角出現(xiàn)負值或超過原設(shè)計原則規(guī)定的開斷為耐張的角度時改為耐張串，并修改地線支架。對于鑄造的光纜套殼，考慮旋轉(zhuǎn)情況下，光纜懸垂角是否超過喇叭口角-2°，對于不滿足要求的改為鍛造工藝的大喇叭口角懸垂線夾。

本線路光纜懸垂線夾套殼喇叭口角均為19°。一般地區(qū)光纜覆冰+5 mm，考慮旋轉(zhuǎn)情況下，光纜懸垂角沒有超17°。“兩大”地區(qū)光纜覆冰+5 mm，考慮旋轉(zhuǎn)情況下，光纜懸垂角有7 基14 串超17°，不涉及“兩微”地區(qū)。對單側(cè)光纜懸垂角超過17°的塔位，計算套殼強度，考慮旋轉(zhuǎn)情況下，套殼安全系數(shù)有3 基6 串＜1.5。

5.4 單預(yù)絞式耐張線夾校驗

本線路浙江段20 mm 重冰區(qū)光纜全部改為雙預(yù)絞式耐張線夾，20 mm 中及以下冰區(qū)校驗：按照地線覆冰比導(dǎo)線+5 mm和+10 mm 兩種情況進行計算。

“兩大” 及一般地區(qū)按地線覆冰比導(dǎo)線+5 mm 考慮，“兩微”地區(qū)按地線覆冰比導(dǎo)線+10 mm 考慮。對于懸點應(yīng)力與水平應(yīng)力比值超過1.1 的單預(yù)絞式光纜耐張串，建議改為雙預(yù)絞式光纜耐張串。

本線路20 mm 以下冰區(qū)光纜增加5 mm 覆冰時，“兩大”區(qū)段有3 基塔光纜耐張線夾處懸點應(yīng)力大于相應(yīng)過載工況水平應(yīng)力的1.1 倍。

6 改造措施建議及費用估算

本線路涉及2 項改造：①本線路光纜懸垂角超19°且安全系數(shù)＜1.5 涉及Z14、Z15、Z71G 共3 基，建議將光纜懸垂串改為雙預(yù)絞式耐張串并對地線支架進行改造；②20 mm 重冰區(qū)光纜全部改為雙預(yù)絞式耐張串，本線路涉及重冰區(qū)14 基56 串更換雙預(yù)絞式耐張串；針對20 mm 中及以下冰區(qū)以懸點應(yīng)力與弧垂最低點應(yīng)力比＞1.1 為判定條件，涉及3 基6 串更換雙預(yù)絞式耐張串。

這2 項改造涉及工程量見表4，工程靜態(tài)投資15.78 萬元。

表4 “兩大兩微”改造工程量

7 結(jié)語

線路工程沿線地形地貌及氣候環(huán)境差異大，由于微地形引起的局地小氣候?qū)€路工程設(shè)計風(fēng)速和覆冰的影響顯著。為提高本線路工程安全性和經(jīng)濟性，針對存在的微地形、微氣象區(qū)進行專門的論證和分析，從而確定合理的設(shè)計氣象條件，提出可行的工程措施。本文依托±800 kV 白浙線（浙江段）工程，從線路覆冰復(fù)核、“兩大”和“兩微”區(qū)段排查、地線系統(tǒng)校驗等4 個方面探討分析，并提出了差異化的工程措施。