胡海洋,張歡,伍曉紅,張穎,張恒,張亮,馬金燕
(1.北京電力經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司,北京 100107;2.西安交通大學航天航空學院,陜西西安 710049)
在我國西南和華中地區(qū),每年的嚴冬和初春季節(jié),北方的強冷氣團與南海副熱帶暖濕氣團交匯,形成“南嶺準靜止鋒”及其延伸的“昆明準靜止鋒”[1]。在這種情況下,輸電線路導線和桿塔上容易覆冰,也最容易因為導線各檔不均勻覆冰而產(chǎn)生不平衡張力影響線路的安全運行。2008 年冰災后設計人員對事故倒塔段進行計算分析,發(fā)現(xiàn)倒塔主要發(fā)生在大檔距、大高差處,覆冰造成的桿塔縱向張力差大于設計耐受值[2-6],進一步分析發(fā)現(xiàn)倒塔事故多發(fā)生在直線塔上,主要是因為直線塔在規(guī)劃階段所要求承受的縱向張力較小,不均勻冰引起的縱向不平衡張力更容易超過限值。因?qū)У鼐€的不平衡張力引起多處倒塔斷線事故,輸電線路設計時應對重冰區(qū)的不平衡張力格外重視。
隨著我國電力系統(tǒng)全國聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互供工程的實施,以及國家特高壓骨干電網(wǎng)的建設,我國已建設多條特高壓直流輸電線路。特高壓直流輸電線路路徑長度幾千公里,所經(jīng)地區(qū)氣象條件復雜,存在多種冰區(qū),輸電線路經(jīng)過重冰區(qū)時更易產(chǎn)生不平衡張力,容易造成各種事故。
特高壓沿線各省檢修公司通過對向上、錦蘇、溪浙、哈鄭、靈紹、酒湖等已建工程地線金具故障情況整體統(tǒng)計,共發(fā)生地線故障57 次,其中37 次為地線預絞式線夾故障,其余為地線支架變形、地線散股和防振錘等其他故障。地線線夾故障中,耐張串故障5 次,懸垂串故障32 次,懸垂串更容易出現(xiàn)故障,且事故大部分出現(xiàn)在重冰區(qū),初步分析主要因地線不平衡張力超限導致。
國內(nèi)外學者采用有限元法對不均勻覆冰進行分析計算[7-11],該方法能考慮到影響不均勻脫冰的多種因素,得出精確的結(jié)果,但針對具體工程存在計算量大、耗費時間長、不夠簡便等問題,不適用工程中的批量計算。目前在實際工程中一般采用傳統(tǒng)等線長法計算不均勻冰的不平衡張力[12-13],針對等線長法不平衡張力計算存在的收斂速度慢、收斂于非正確解等問題各位學者提出了不同的解決辦法[14-17]。本文對傳統(tǒng)等線長計算法的初始取值和收斂判據(jù)進一步優(yōu)化,提高收斂速度和結(jié)果的準確性。
目前,針對特高壓重冰區(qū)直線塔不平衡張力的研究主要集中在導線部分[18-24],對特高壓重冰區(qū)直線塔地線不平衡張力的研究較少。本文采用數(shù)值計算法對±800 kV 特高壓輸電線路直線塔地線不平衡張力進行計算分析,并結(jié)合工程實際情況,提出降低新建工程和已建工程地線不平衡張力的措施。
電線架設時,耐張段內(nèi)各檔導地線水平應力相等,直線塔的懸垂絕緣子串垂直。當外界氣象條件變化時(非架線工況),由于檔距及高差不等或者外力(冰、風等)荷載在各檔的不均勻分布,造成耐張段內(nèi)各檔應力有差別,使電線上出現(xiàn)縱向不平衡張力,致使懸垂絕緣子串出現(xiàn)偏移或?qū)У鼐€在線夾內(nèi)滑動現(xiàn)象[12-13]。懸垂串偏移情況如圖1 所示。
圖1 懸垂絕緣子串受力偏移Fig.1 Force deviation of suspension insulator string
圖1中σi,σi+1為第i檔、i+1檔不均勻冰時應力;Gi為絕緣子串串重;δi為絕緣子串偏移量;A為電線的截面積;Wci為第i檔電線垂直比載。
根據(jù)線長等長原理,不平衡張力計算模型[12-13]為:
式中:li為第i檔檔距;hi為第i檔高差;βi為第i檔高差角;α為電線的熱膨脹系數(shù);E為電線的彈性模量;tm為電線架線時氣溫;σm為架線時應力;Δtm為初伸長降溫值;γm為架線時電線單位長度比載;t為不均勻冰時氣溫;γi,Δli分別為第i檔不均勻冰時比載、檔距增量;n為耐張段檔數(shù);λi為絕緣子串串長;δn為絕緣子串偏移量。
等線長法中經(jīng)常存在高次方程組不收斂情況,耐張段越長方程組越多,越容易出現(xiàn)這種情況,經(jīng)分析主要因為初始值給定不合理、收斂結(jié)果判斷引起的。初始值設置過小,需要迭代較多次數(shù),收斂時間長,且可能導致第一個收斂結(jié)果為非正確解;初始值設置過大,則無法得到解。
考慮到不均勻冰工況的初始工況為安裝工況,安裝工況下懸垂串垂直,耐張段內(nèi)各檔張力相同,之后因地線不均勻覆冰導致懸垂串偏移,因此在計算時選取初始σ0為安裝工況張力,采用“二分法”計算。張力計算迭代中1N 的張力精度已完全滿足使用要求,因此收斂判斷條件為|σn+1-σn|≤1。通過優(yōu)化措施能保證所有情況均能求出正確解。
根據(jù)已建和在建±800 kV 特高壓直流輸電線路,20 mm 覆冰厚度區(qū)典型導線為6×JL1/G2A-1250/100 鋼芯鋁絞線,地線一根為JLB20A-150 鋁包鋼絞線,另一根采用OPGW-150;30 mm,40 mm覆冰厚度區(qū)典型導線為6×JLHA4/G2A-1250/100 鋼芯鋁合金絞線,地線一根為JLB20A-240 鋁包鋼絞線,另一根地線推薦采用OPGW-240。同截面的鋁包鋼地線與光纜機械性能差異不大,因此僅對鋁包鋼絞線地線進行計算。
在滿足導地線配合情況下,20 mm 冰區(qū)地線安全系數(shù)取3.6,對應地線最大使用張力為49 603 N;30 mm;40 mm 冰區(qū)地線安全系數(shù)取4.0,對應地線最大使用張力為72 223 N。典型地線串串長0.5 m,串重20 kg。
參考《重覆冰架空輸電線路設計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5440—2009)和《±800 kV 直流架空輸電線路設計規(guī)范》(GB50790—2013),±800 kV 輸電線路電壓等級為一類,直線塔導地線不平衡張力計算覆冰率一側(cè)取100%,另一側(cè)取20%[25-28]。
地線覆冰20 mm,檔距均取400 m,高差取0 m,比較不同檔數(shù)對地線不平衡張力的影響。分別計算檔數(shù)為2,3,4,5,6,7 時的地線不平衡張力,結(jié)果如表1 所示。
表1 不同檔數(shù)地線不平衡張力Table 1 Unbalance tension of ground wire with different span number
由表1 可以看出,檔距一定時,隨著檔數(shù)的增加,直線塔的最大不平衡張力快速增加,當檔數(shù)增加到一定程度后,檔數(shù)對不平衡張力的影響逐步減小,最后達到一個極限值。因此重冰區(qū)降低不平衡張力的有效方法是減少耐張段的檔數(shù)。
地線覆冰20 mm,檔數(shù)3 檔,高差取0 m,比較不同檔距對地線不平衡張力的影響。分別計算檔距為200 m,300 m,400 m,500 m,600 m 和700 m 時的地線不平衡張力,結(jié)果如表2 所示。
由表2 可以看出,檔數(shù)一定時,隨著檔距的增加,直線塔的最大不平衡張力快速增加,當檔距增加到一定程度后,直線塔的最大不平衡張力已超過DL/T 5440 規(guī)范允許值,在運行時會帶來各種故障。因此重冰區(qū)可通過減少檔距來降低直線塔的不平衡張力。根據(jù)DL/T 5440 規(guī)范,并結(jié)合表2 計算結(jié)果,20 mm 重冰區(qū)檔距盡量控制在500 m 以下。
表2 不同檔距地線不平衡張力Table 2 Unbalance tension of ground wire with different span lengths
地線覆冰20 mm,檔數(shù)取2 檔,檔距取400 m,比較不同高差對地線不平衡張力的影響。分別計算高差為0 m,100 m,200 m,300 m,400 m 和500 m時的地線不平衡張力,結(jié)果如表3 所示。
表3 不同高差地線不平衡張力Table 3 Unbalance tension of ground wire with different height differences
由表3 可以看出,檔距、檔數(shù)一定時,隨著高差的增加,直線塔的最大不平衡張力先增加后減小。因此重冰區(qū)可通過減少高差來降低直線塔的不平衡張力。
檔距400 m,檔數(shù)3 檔,高差取0 m,比較不同冰厚對地線不平衡張力的影響。分別計算冰厚為20 mm,30 mm,40 mm,50 mm,60 mm 和80 mm 時的地線不平衡張力,結(jié)果如表4 所示。
表4 不同冰厚地線不平衡張力Table 4 Unbalance tension of ground wire with different icing thickness
由表4 可以看出,檔數(shù)、檔距一定時,隨著冰厚的增加,直線塔的最大不平衡張力快速增加,40mm冰區(qū)時直線塔的最大不平衡張力已超過DL/T 5440規(guī)范允許值,在運行時會帶來各種故障。因此重冰區(qū)可通過優(yōu)化路徑來降低地線冰厚,降低直線塔的不平衡張力。除此之外還可通過增大地線的安全系數(shù),降低地線的最大使用張力來降低不平衡張力。
地線覆冰20 mm,檔數(shù)3 檔,高差取0 m,比較不同串長對地線不平衡張力的影響。分別計算串長為0.3 m,0.4 m,0.5 m,0.6 m,0.7 m,0.8 m 時的地線不平衡張力,結(jié)果如表2 所示。
由表5 可以看出,檔距、高差一定時,隨著串長的增加,直線塔的最大不平衡張力快速降低,地線串長0.8 m 時直線塔的最大不平衡張力僅有16.62%。因此重冰區(qū)可通過增加地線懸垂串長度來降低直線塔的不平衡張力。
表5 不同串長地線不平衡張力Table 5 Unbalance tension of ground wire with different string lengths
地線覆冰20 mm,耐張段總長度1 200 m,檔數(shù)取3 檔,高差取0 m,比較不同檔距對地線不平衡張力的影響。分別計算檔距為100 m/400 m/700 m,200 m/400 m/600 m,300 m/400 m/500 m,400 m/400 m/400 m時的地線不平衡張力,結(jié)果如表6 所示。
表6 大小檔地線不平衡張力Table 6 Unbalance tension of ground wire with large and small span
由表6 可以看出,相同耐張段長度、相同檔數(shù),檔距的不同分布對直線塔不平衡張力影響較大。檔距均勻分布時不平衡度22.48%,檔距分布為100/400/700 時不平衡度40.05%,兩者相差18%。因此重冰區(qū)可通過優(yōu)化排位來降低直線塔的不平衡張力,檔距分布越均勻,直線塔不平衡張力差越小。
根據(jù)第3 節(jié)的分析,對于新建工程可以從減少耐張段檔數(shù)、縮小檔距、降低高差、路徑選擇中盡量避開冰區(qū)較重的地方、增加地線懸垂串長度、排位時盡量使檔距均勻分布等6 個方面優(yōu)化以降低直線塔的不平衡張力。
對于改造工程,桿塔位置、桿塔型式均已確定,如果改造鐵塔,則費用很高,一般單公里將達到百萬,且停電周期長,停電損失費高。為降低改造費用,根據(jù)第3 節(jié)分析,推薦采用調(diào)整地線懸垂串長度來降低地線不平衡張力。
加長地線懸垂串可以降低地線不平衡張力。針對不同氣象區(qū),具體工程情況,選擇如表7 所列典型耐張段,對普通地線懸垂串和加長地線懸垂串分別進行不平衡張力計算,懸垂串加長長度分別按400,600,800,1 000 mm。計算結(jié)果如表8 所示。
表7 典型耐張段Table 7 Typical tension section
表8 不同串長地線不平衡張力Table 8 Unbalance tension of ground wire with different string lengths
由表8 可見,地線懸垂串加長400 mm,縱向不平衡張力顯著降低,可有效抑制重覆冰后地線滑移或脫落,而地線懸垂串分別加長600,800,1 000 mm后,雖然可以進一步降低縱向不平衡張力,但相對降幅較小,效果不明顯,同時考慮地線懸垂串長對導地線線間距的影響,推薦地線懸垂串按加長400 mm考慮。采用加長地線懸垂串的方式改造費用低,一般單公里僅有幾萬,且停電時間短。
采用數(shù)值計算法對±800 kV 特高壓輸電線路直線塔地線不平衡張力進行計算分析,得出如下結(jié)論:
1)重冰區(qū)耐張段不同的檔數(shù)、檔距、高差、冰厚、串長和同一耐張段的大小檔均會對地線不平衡張力造成影響。
2)對于新建線路,可以從減少耐張段檔數(shù)、縮小檔距、降低高差、路徑選擇中盡量避開冰區(qū)較重的地方、增加地線懸垂串長度、排位時盡量使檔距均勻分布等6 個方面優(yōu)化以降低直線塔的不平衡張力。
3)對于已建線路,工程的桿塔位置、桿塔型式均已確定,為降低改造費用,推薦采用調(diào)整地線懸垂串長度來降低地線不平衡張力,對于20 mm 冰區(qū),推薦地線懸垂串按加長400 mm 考慮。