架空输电线路导线覆冰厚度计算

　第４０卷第１期华电技术Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．１ ２０１８年１月

ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｊａｎ．２０１８　

架空输电线路导线覆冰厚度计算

李桂铭

（湖南电力建设监理咨询有限责任公司，长沙　４１０００２）

摘　要：通过建立架空输电线路导线覆冰厚度的力学模型，推导出了导线覆冰厚度及导线弧垂计算公式。利用该公式计算±８００ｋＶ复奉线湖南区域导线覆冰厚度，与现场测试结果相比，计算误差为９．０２％，可为提前预测导线覆冰厚度提供参考，还可为导线覆冰防护提供预警。关键词：架空输电线路；导线；覆冰厚度；弧垂

中图分类号：ＴＭ７２６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－１９５１（２０１８）０１－００１０－０３

收稿日期：２０１７－０４－２０；修回日期：２０１７－１１－２２

０　引言

架空输电线路从低压到高压，乃至现在的超高压、特高压，经历了一个不断升压的过程。在电网电压等级不断升高的过程中，电网频繁受到了恶劣天气影响，发生大大小小的无数次电网事故，严重影响了电网安全运行。２００８年的冰灾事故导致大面积停电和部分电网解列，使得湘赣、云贵、江浙等地电网出现不同程度的冰闪跳闸和断线倒塔。这些事故往往都伴随着恶劣的天气、困难的交通，加之停电导致通信中断，抢修难度大，严重时甚至会造成区域电

网崩溃、长时间停电［１］，不仅给人们的生活带来极大

不便，而且给电网的建设、维护带来极大的经济损失。鉴于此，本文对导线覆冰的力学模型进行论述分析，并结合分析出的覆冰数据和在线监测系统所测数据对湖南地区已运行线路的抗冰、防护进行研究分析，从而为湖南电网的抗冰工作提供参考。

１　覆冰对输电线路力学特性的影响

通常情况下，随着覆冰量的增加，输电线路中承担主要输电任务的导线所受垂直荷载将会逐步倍增，从而使得导线拉伸变长、弧垂增大，导线对地距离及交叉跨越间距减小，当覆冰达到一定量后，将会引起电网发生闪络事故。另外，导线覆冰弧垂增大的同时，受风载荷的影响发生风偏，使得原先拥有安全距离的相导线间、导地线间出现放电，甚至发生相碰，从而造成短路跳闸，烧伤、烧断导线等各类事故，经过调查研究、分析，主要有以下几种情况

［２］

。

（１）架空导、地线因覆冰过载，垂直荷载过大，超过原有基础设计承载力，基础出现不同程度的下沉、倾斜或爆裂，进而破坏基础，引起塔身倾斜或者

杆塔倾倒。

（

２）随着覆冰程度加重，架空导、地线所受附加荷载逐步增大，达到一定程度后，将会发生导、地线直接从接头处压接管内抽出的事故，导线外层铝股被压接管口切断，钢芯抽出的事故，耐张线夹出口附近导线外层若干股被切断或整根导、地线直接拉断的事故。

（３）因一侧导、地线覆冰过载突然断开，使得输电杆塔的杆头单侧受力，引发顺线路方向杆塔头部折断的事故；或者原本平衡对称布置导、地线的杆塔，因导、地线相线间覆冰程度不同而形成不对称，引发垂直线路方向杆塔头部折断的事故。

（４）因导、地线覆冰后弧垂增大，导线对地距离及交叉跨越间距减小，从而引发输电线路发生闪络事故；或者导、地线弧垂增大后，因不同程度的风偏、舞动作用，使得导、地线放电或互碰，引发烧伤和烧断导、地线的事故。

（５）因导、地线覆冰过载，造成悬垂线夹船体受损，通常会在Ｕ型螺丝附近发生断裂，从而引发事故；另外，拉线电杆也会因为线路覆冰受到不均衡的作用力，导致拉线楔形线夹断裂，从而引发倒杆事故。

（６）因输电线路导线间覆冰不均匀，容易导致多分裂导线出现扭转，当覆冰达到一定程度时，导地线出现不同频率的脱冰跳跃，从而引发绝缘子串翻转、碰撞、炸裂等事故。

２　导线覆冰厚度模型及实例分析

２．１　导线覆冰厚度模型

目前，研究、应用较为广泛的是在输电线路上安装在线监测装置，对运行线路的运行状态、周边气候环境条件等进行监测，通过监测记录导、地线覆冰，导线舞动，导线及金具受力变化情况等相关数据资

　第１期李桂铭：架空输电线路导线覆冰厚度计算·１１·　

料，对输电线路的运行进行校验和预测。

理论模型：主杆塔的等效挡距假设为图１，将主杆塔绝缘子串上竖直方向的张力Ｆｖ与两侧导线某点到主杆塔Ａ点间导线上竖直方向荷载相互平衡

的点定义为平衡点［３］

。

图１　主杆塔等效挡距示意

ｌ１为主杆塔两侧对应的等效挡距，

在图１中分别表示为ｌＡＢ１和ｌＡＣ

１；Ｆ１，Ｆ２分别为主杆塔两侧导线覆

冰后的均布荷载。

悬点不等高情况下导线长度近似计算公式［

４］

Ｌ＝ｌ＋ｌ３ｑ０

２２４Ｆｈ

２＋ｈ２２ｌ，（１）

式中：Ｌ为悬点不等高导线近似长度，ｍ；ｌ为挡距（两悬挂点之间水平距离），ｍ；ｈ为高差（两悬挂点之间垂直距离），ｍ；ｑ０为导线自重载荷集度，Ｎ／ｍ；Ｆｈ为导线最低点的水平拉力，

Ｎ。利用公式（１）推导得出导线最低点水平拉力计算公式

Ｆｈ＝

ｌ

３ｑ０

２

２４Ｌ－ｌ－ｈ２

２(

)

槡ｌ

，（２）

代入现场数据，即可解出导线最低点水平拉力Ｆｈ

。悬点不等高情况下等效挡距计算公式［

５］

ｌ１

＝ｌ＋２Ｆｈｑ０ａｒｃｓｉｎｈｈｑ０

２Ｆｈ

ｓｉｎｈｌｑ０

２Ｆｈ

，（３）

式中：ｈ为主杆塔与单侧副杆塔悬挂点的高度差，若

主杆塔较高，则ｈ为正值，否则为负。

式（３）中：ｓｉｎｈｘ＝

ｅｘ－ｅ－ｘ２＝ｘ＋ｘ３３！＋ｘ５５！＋ｘ

７

７！

＋…，ｃｏｓｈｘ＝ｅｘ＋ｅ－ｘ２＝１＋ｘ２２！＋ｘ４４！＋ｘ

６

６！＋…。

用Ｌ１表示等效挡距为ｌ１时导线的长度

［６］

，则Ｌ１

＝２Ｆｈｑ０ｓｉｎｈｌ１ｑ０

２Ｆｈ

。（４）

考虑到主杆塔上绝缘子串均存在一定的倾斜角（设定为θ），使得主杆塔两侧导线上的水平拉力分

量可能不同，但由水平方向力的平衡可得出

ＦｈＡＢ＝ＦｈＡＣ

＋Ｆｖ

ｔａｎθ，（５）

式中：ＦｈＡＢ，Ｆｈ

ＡＣ

分别为ＡＢ，ＡＣ段导线在主杆塔悬挂点的水平拉力分量，Ｎ。

利用式（

５）所得结论，对式（４）进行推导可得主杆塔两侧导线长度Ｌ１ＡＢ，Ｌ１ＡＣ分别为

Ｌ１ＡＢ＝２（ＦｈＡＢ

＋Ｆｖｔａｎθ）Ｆ１×

ｓｉｎｈｌ１ＡＢＦ１

２（ＦｈＡＣ

＋Ｆｖｔａｎθ）Ｌ１ＡＣ＝２ＦｈＡＣＦ２ｓｉｎｈｌ１ＡＣＦ２２Ｆｈ

ＡＣ。（６）

根据理论模型所建立的平衡点，风载荷集度设

定为ｑｗ，覆冰载荷集度设定为ｑｉ，则同时有冰、风载荷共同作用时与只有自重载荷作用时杆塔上竖向载荷的差值ΔＦｖ表示为

ΔＦｖ＝（ｑｗ＋ｑｉ

）Ｌ１ＡＢ＋Ｌ１

ＡＣ

２

＝ｑｍ２

（Ｌ１ＡＢ＋Ｌ１ＡＣ

），（７）

式中：ｑｍ为风、覆冰的综合载荷集度，ｑｍ＝ｑｉ＋ｑｗ

，将式（７）进行推导可得

ｑｍ＝２ΔＦｖ

２ＦｈＡＣＦ２ｓｉｎｈｌ１ＡＣＦ２２Ｆｈ

ＡＣ＋２（ＦｈＡＣ

＋Ｆｖ

ｔａｎθ）Ｆ[

１×ｓｉｎｈｌ１ＡＢＦ１

２（ＦｈＡＣ

＋Ｆｖ

ｔａｎθ]

）－１

，（８）

覆冰载荷集度

ｑｉ＝ｑｍ－ｑｗ

，（９）

其中：风载荷集度ｑｗ可以通过风速传感器、导线直径和风夹角等算出；杆塔上竖向载荷的差值ΔＦｖ可

以通过拉力传感器测量、计算出。

结合覆冰的密度、导线直径等已知条件，利用导

线覆冰标准冰厚公式（１０），即可测算求得具体覆冰的厚度。式（１０）为电力系统线路设计导线覆冰标准冰厚公式，前提是假定覆冰形状为均匀的圆柱体（如图２所示）。

ｂ＝

１

２

４ｑｉ

９．８πγ

０

＋ｄ槡２

()－ｄ，（１０）

式中：ｂ为覆冰厚度；γ０为覆冰密度；ｄ为导线的计算等效直径。

按图３所示，

假设导线上任意一点距弧垂最低点Ｏ的距离为ｘ′，距主杆塔悬点Ａ的距离为ｘ，则有ｘ′＝

ｌ１

２

－ｘ。图中：ｌ１为主杆塔对应的等效挡距，ｍ；ｆ１为主杆塔对应的等效弧垂，

ｍ。该点距弧垂最低点Ｏ的垂直高度为