20mm重冰区500kV同塔双回输电线路设计_张海平
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1 20 mm 重冰区输电线路脱冰动力响应
1.1 输电线路有限元模型 1.1.1 线路元件
导线由强度较高的钢芯和外包铝线扭绞而成， 具有一定的抗弯性能和抗扭能力，不能简单地作为 索单元考虑，因此采用空间梁 Beam4 单元可以更加 真实地模拟导线的受力状态。
绝缘子串也采用 Beam4 单元模拟，对于盘型绝 缘子，通过每隔 0.17 m 释放节点角位移耦合的方式 考虑其连接构造。间隔棒简化为单元节点各向自由 度的耦合和一个由间隔棒重量换算出的集中力。
通过在单元节点施加集中力的方式模拟风荷载。集
中力按下式计算：
F = PLp
(2)
式中：F 为单元节点集中力；Lp 为单元长度。 1.2 脱冰跳跃高度公式
为便于工程设计，工程界一直致力于研究得到
导线冰跳高度的简化计算公式。文献[16]给出了基 于导线脱冰前后 2 种静止状态弧垂差 D 的工程简化 公式，而对于多档输电线路，无法直接计算得到 D ，
KEY WORDS: heavy icing area; design of double-circuit transmission line on the same tower; numerical simulation; dynamic response of the transmission lines under ice-shedding cases
张海平，张驰，王江涛，赵庆斌，任德顺，敬捷
（四川电力设计咨询有限责任公司，四川省 成都市 610016）
Design of 500 kV AC Double-Circuit Transmission Line on the Same Tower Located at 20 mm Heavy Icing Area
关键词：重冰区；同塔双回线路设计；数值模拟；脱冰动力 响应 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.01.019
0 引言
西部川、滇、藏地区蕴藏着丰富的水电资源，
基金项目：国家电网公司基建新技术科技项目(SXYM2012-FS2-03)。 Project Supported by Capital Construction New Technology Project of State Grid Corporation of China(SXYM2012-FS2-03).
第 39 卷 第 1 期 2015 年 1 月
文章编号：1000-3673（2015）01-0123-07
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 77 文献标志码：A
Vol. 39 No. 1 Jan. 2015
学科代码：470·4051
20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回输电线路设计
tower-line coupling model
1.1.2 线路荷载
鉴于缺少覆冰的力学参数，因此采用质量法来
模拟，即增加导线的密度模拟覆冰：
rci
=
rc Ac + Ac
ri Ai
(1)
式中： rci 为覆冰后导线的等效密度； rc 、 Ac 为导
线的密度和截面面积；ri 、Ai 为覆冰的密度和截面
经表 2 验算可知，公式(3)计算误差在 8%以内， 能满足工程应用要求，且该公式可根据不同参数取 值实现良好的可扩展性。
表 2 冰跳高度数值模拟试验值与公式计算值对比 Tab. 2 Difference of ice-shedding jump height between
numerical simulation value and calculated pressure
表 4 冰跳横摆距离数值模拟试验值与公式计算值对比 Tab. 4 Difference of ice-shedding swing distance between
numerical simulation value and calculated pressure
冰厚/ mmຫໍສະໝຸດ Baidu
20
风速/ 档距/m 串型
表 3 m,t 的取值 Tab. 3 Value of m and t
导线型号及串型 LGJ-500/45(I 串) LGJ-500/45(V 串)
m 0.010 0
t -1.966 5 -1.582 5
经表 4 验算可知，式(4)计算误差在 9%以内， 能满足工程应用要求，且该公式可根据不同参数取 值实现良好的可扩展性。
ZHANG Haiping, ZHANG Chi, WANG Jiangtao, ZHAO Qingbin, REN Deshun, GOU Jie
(Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., LTD., Chengdu 610016, Sichuan Province, China)
重冰区同塔双回线路在国内尚无应用先例，其 主要技术瓶颈在于重冰区同塔双回铁塔设计。由于 无法准确把握不同工况下导线脱冰动力响应规律， 因而缺乏重冰区同塔双回线路铁塔塔头尺寸和内 应力设计的指导原则。近年来，国内外学者通过模 拟试验和数值分析等方法对导线脱冰动力响应进 行了大量研究[1-17]，得出了一些具有工程实用价值 的结论。特别是 2008 年中国南方冰灾事故后，国 内学者为探究冰灾事故机理，对导线脱冰动力响应 规律进行了更为深入的研究：陈科全等[14]采用 ABAQUS 软件建立 500 kV 输电线路的有限元模型， 得到了不同因素对导线脱冰跳跃高度的影响规律； 易文渊[15]利用 ABAQUS 软件分析研究了特高压 8 分裂导线脱冰动力响应，并给出了冰跳高度和横摆 的简化公式；严波等[16]采用数值模拟方法对各种脱 冰工况下导线动力响应数值结果进行分析，得出了 导线脱冰跳跃最大高度工程实用简化计算公式；杨 风利等[17]建立了重冰区特高压线路脱冰跳跃分析 模型，重点对悬垂型杆塔脱冰动力响应规律进行研 究，得出了重冰区特高压线路悬垂型杆塔不平衡张 力及垂直荷载推荐取值。上述模型均采用忽略导线 抗弯和抗扭刚度的 3 自由度杆系简化模型，且多
但这些地区自然环境恶劣、人文社会环境复杂。随 着水电送出线路的增多，线路走廊资源日渐稀缺， 以至于传统上采用单回路架设的高海拔、重覆冰 线路也有了采用同塔双回架设的要求。已投运的 茂县—茂县Ⅱ500 kV 双回线路(简称茂茂 500 kV 线 路)是国内首条 20 mm 重冰区同塔双回线路。受茂 县茅香坪工业开发区、宝顶山国家级自然保护区和 已建或规划高压线路走廊等因素限制，翻越土地 岭段 20 mm 重冰区线路路径通道唯一，须按同塔双 回设计。
124
张海平等：20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回输电线路设计
Vol. 39 No. 1
数未考虑杆塔约束的影响，但其研究方法和思路 为系统把握导线脱冰动力响应规律奠定了良好的 基础。
本文结合茂茂 500 kV 重冰区线路工程实际情 况，利用 Ansys 软件建立包括铁塔、导地线、绝缘 子串、间隔棒、覆脱冰荷载、风荷载等在内的精细 化有限元模型，通过数值模拟方法研究重冰区输电 线路脱冰动力响应规律，进而开展 20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回线路路径选择、绝缘配置和铁塔设 计等方面的研究工作。
(m/s) 400 500 I 串 600
15 400 500 V 串 600
导线冰跳横摆距离
试验值/m 公式值/m
误差/%
4.51
4.58
1.45
7.41
只能得到覆冰前后的弧垂差 d 。通过大量仿真计算
得出：导线的冰跳高度正比于覆冰厚度、档距、脱
冰率，反比于导线截面，并根据计算结果拟合出连
续 5 档耐张段模型基于 d 的脱冰高度计算公式[19]。
H = 24(-w2 + 2w + g +h)d
(3)
式中：d 为覆冰前后的弧垂差；w 为脱冰率；g 为
导线型号系数，取值见表 1；h 为档距修正系数，
厚度、风速、水平档距和脱冰率，反比于导线截面，
且与绝缘子串型有关，并拟合出 20 mm 重冰区连续
5 档耐张段模型导线 100%脱冰时的横摆公式。
B = (v 10)2 (ml + t )
(4)
式中：B 为导线横摆距离；v 为脱冰同时风速；l 为
第 39 卷 第 1 期
电网技术
125
水平档距；m,t 为与导线型号与绝缘子串型式有关 的系数，其取值见表 3。
h = [(L - 500) / 100] ´ 0.06 ，其中 L 为档距。
导线型号 LGJ-500/45
表 1 g 的取值 Tab. 1 Value of g
覆冰厚度/mm 20
g -0.08
(a) 绝缘子Ｉ串及Ｖ串模型
(b) 间隔棒及多档塔线耦合模型
图 1 绝缘子串、间隔棒及多档塔线耦合模型 Fig. 1 Insulator string, spacing rods and muti-span
冰厚/ 脱冰率/ mm %
20 100
覆冰前后 弧垂差/m
0.95 1.40 1.82
档距/
导线冰跳高度
m 试验值/m 公式值/m 误差/%
400 21.23 20.84 1.84
500 31.41 30.91 1.59
600 43.91 40.45 7.88
1.3 脱冰跳跃横摆距离公式
仿真结果表明：导线脱冰横摆距离正比于覆冰
ABSTRACT: During the construction of the first 500 kV AC double-circuit transmission line on the same tower located at 20 mm heavy icing area in China, the dynamic response of the transmission lines under various ice-shedding cases are analyzed by numerical simulation, the engineering formula for calculating ice-shedding jump height and swing distance are obtained, and also variation of dynamic load on the tower. Based on those conclusion, routing, insulation coordination, tower head design, tower load and tower type of 500 kV AC double-circuit transmission line on the same tower located at 20 mm heavy icing area are researched. The summarized design method and thought can provide an important reference for the double-circuit transmission line on the same tower located at heavy icing area.
摘要：以国内首条 20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回线路—— 茂茂线为依托，利用数值模拟方法对各种脱冰工况下导线脱 冰动力响应进行研究，得出了导线脱冰跳跃高度和横摆距离 工程实用化公式，并总结出脱冰过程中杆塔动力荷载变化规 律。在此基础上对 20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回线路路径 选择、绝缘配置、塔头尺寸控制条件、铁塔荷载和铁塔型式 等方面进行研究，基本理清了重冰区同塔双回线路的设计方 法和思路，可为后续重冰同塔双回线路设计提供重要参考。
铁塔杆件亦采用 Beam4 单元模拟，按两端耐张 塔，中间直线塔方式建立多档塔线耦合模型。上述 元件模型如图 1 所示。
面积。
通过改变密度法模拟脱冰荷载，即在脱冰瞬间，
将导线密度由覆冰后的等效密度改为导线的实际
密度，同时通过控制改变密度单元的范围来控制导
线脱冰范围和脱冰率。
按《110 kV~750 kV 架空输电线路设计规范》 (简称设计规范)[18]中方法计算导地线水平风荷载，
1.1 输电线路有限元模型 1.1.1 线路元件
导线由强度较高的钢芯和外包铝线扭绞而成， 具有一定的抗弯性能和抗扭能力，不能简单地作为 索单元考虑，因此采用空间梁 Beam4 单元可以更加 真实地模拟导线的受力状态。
绝缘子串也采用 Beam4 单元模拟，对于盘型绝 缘子，通过每隔 0.17 m 释放节点角位移耦合的方式 考虑其连接构造。间隔棒简化为单元节点各向自由 度的耦合和一个由间隔棒重量换算出的集中力。
通过在单元节点施加集中力的方式模拟风荷载。集
中力按下式计算：
F = PLp
(2)
式中：F 为单元节点集中力；Lp 为单元长度。 1.2 脱冰跳跃高度公式
为便于工程设计，工程界一直致力于研究得到
导线冰跳高度的简化计算公式。文献[16]给出了基 于导线脱冰前后 2 种静止状态弧垂差 D 的工程简化 公式，而对于多档输电线路，无法直接计算得到 D ，
KEY WORDS: heavy icing area; design of double-circuit transmission line on the same tower; numerical simulation; dynamic response of the transmission lines under ice-shedding cases
张海平，张驰，王江涛，赵庆斌，任德顺，敬捷
（四川电力设计咨询有限责任公司，四川省 成都市 610016）
Design of 500 kV AC Double-Circuit Transmission Line on the Same Tower Located at 20 mm Heavy Icing Area
关键词：重冰区；同塔双回线路设计；数值模拟；脱冰动力 响应 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2015.01.019
0 引言
西部川、滇、藏地区蕴藏着丰富的水电资源，
基金项目：国家电网公司基建新技术科技项目(SXYM2012-FS2-03)。 Project Supported by Capital Construction New Technology Project of State Grid Corporation of China(SXYM2012-FS2-03).
第 39 卷 第 1 期 2015 年 1 月
文章编号：1000-3673（2015）01-0123-07
电网技术 Power System Technology
中图分类号：TM 77 文献标志码：A
Vol. 39 No. 1 Jan. 2015
学科代码：470·4051
20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回输电线路设计
tower-line coupling model
1.1.2 线路荷载
鉴于缺少覆冰的力学参数，因此采用质量法来
模拟，即增加导线的密度模拟覆冰：
rci
=
rc Ac + Ac
ri Ai
(1)
式中： rci 为覆冰后导线的等效密度； rc 、 Ac 为导
线的密度和截面面积；ri 、Ai 为覆冰的密度和截面
经表 2 验算可知，公式(3)计算误差在 8%以内， 能满足工程应用要求，且该公式可根据不同参数取 值实现良好的可扩展性。
表 2 冰跳高度数值模拟试验值与公式计算值对比 Tab. 2 Difference of ice-shedding jump height between
numerical simulation value and calculated pressure
表 4 冰跳横摆距离数值模拟试验值与公式计算值对比 Tab. 4 Difference of ice-shedding swing distance between
numerical simulation value and calculated pressure
冰厚/ mmຫໍສະໝຸດ Baidu
20
风速/ 档距/m 串型
表 3 m,t 的取值 Tab. 3 Value of m and t
导线型号及串型 LGJ-500/45(I 串) LGJ-500/45(V 串)
m 0.010 0
t -1.966 5 -1.582 5
经表 4 验算可知，式(4)计算误差在 9%以内， 能满足工程应用要求，且该公式可根据不同参数取 值实现良好的可扩展性。
ZHANG Haiping, ZHANG Chi, WANG Jiangtao, ZHAO Qingbin, REN Deshun, GOU Jie
(Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., LTD., Chengdu 610016, Sichuan Province, China)
重冰区同塔双回线路在国内尚无应用先例，其 主要技术瓶颈在于重冰区同塔双回铁塔设计。由于 无法准确把握不同工况下导线脱冰动力响应规律， 因而缺乏重冰区同塔双回线路铁塔塔头尺寸和内 应力设计的指导原则。近年来，国内外学者通过模 拟试验和数值分析等方法对导线脱冰动力响应进 行了大量研究[1-17]，得出了一些具有工程实用价值 的结论。特别是 2008 年中国南方冰灾事故后，国 内学者为探究冰灾事故机理，对导线脱冰动力响应 规律进行了更为深入的研究：陈科全等[14]采用 ABAQUS 软件建立 500 kV 输电线路的有限元模型， 得到了不同因素对导线脱冰跳跃高度的影响规律； 易文渊[15]利用 ABAQUS 软件分析研究了特高压 8 分裂导线脱冰动力响应，并给出了冰跳高度和横摆 的简化公式；严波等[16]采用数值模拟方法对各种脱 冰工况下导线动力响应数值结果进行分析，得出了 导线脱冰跳跃最大高度工程实用简化计算公式；杨 风利等[17]建立了重冰区特高压线路脱冰跳跃分析 模型，重点对悬垂型杆塔脱冰动力响应规律进行研 究，得出了重冰区特高压线路悬垂型杆塔不平衡张 力及垂直荷载推荐取值。上述模型均采用忽略导线 抗弯和抗扭刚度的 3 自由度杆系简化模型，且多
但这些地区自然环境恶劣、人文社会环境复杂。随 着水电送出线路的增多，线路走廊资源日渐稀缺， 以至于传统上采用单回路架设的高海拔、重覆冰 线路也有了采用同塔双回架设的要求。已投运的 茂县—茂县Ⅱ500 kV 双回线路(简称茂茂 500 kV 线 路)是国内首条 20 mm 重冰区同塔双回线路。受茂 县茅香坪工业开发区、宝顶山国家级自然保护区和 已建或规划高压线路走廊等因素限制，翻越土地 岭段 20 mm 重冰区线路路径通道唯一，须按同塔双 回设计。
124
张海平等：20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回输电线路设计
Vol. 39 No. 1
数未考虑杆塔约束的影响，但其研究方法和思路 为系统把握导线脱冰动力响应规律奠定了良好的 基础。
本文结合茂茂 500 kV 重冰区线路工程实际情 况，利用 Ansys 软件建立包括铁塔、导地线、绝缘 子串、间隔棒、覆脱冰荷载、风荷载等在内的精细 化有限元模型，通过数值模拟方法研究重冰区输电 线路脱冰动力响应规律，进而开展 20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回线路路径选择、绝缘配置和铁塔设 计等方面的研究工作。
(m/s) 400 500 I 串 600
15 400 500 V 串 600
导线冰跳横摆距离
试验值/m 公式值/m
误差/%
4.51
4.58
1.45
7.41
只能得到覆冰前后的弧垂差 d 。通过大量仿真计算
得出：导线的冰跳高度正比于覆冰厚度、档距、脱
冰率，反比于导线截面，并根据计算结果拟合出连
续 5 档耐张段模型基于 d 的脱冰高度计算公式[19]。
H = 24(-w2 + 2w + g +h)d
(3)
式中：d 为覆冰前后的弧垂差；w 为脱冰率；g 为
导线型号系数，取值见表 1；h 为档距修正系数，
厚度、风速、水平档距和脱冰率，反比于导线截面，
且与绝缘子串型有关，并拟合出 20 mm 重冰区连续
5 档耐张段模型导线 100%脱冰时的横摆公式。
B = (v 10)2 (ml + t )
(4)
式中：B 为导线横摆距离；v 为脱冰同时风速；l 为
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电网技术
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水平档距；m,t 为与导线型号与绝缘子串型式有关 的系数，其取值见表 3。
h = [(L - 500) / 100] ´ 0.06 ，其中 L 为档距。
导线型号 LGJ-500/45
表 1 g 的取值 Tab. 1 Value of g
覆冰厚度/mm 20
g -0.08
(a) 绝缘子Ｉ串及Ｖ串模型
(b) 间隔棒及多档塔线耦合模型
图 1 绝缘子串、间隔棒及多档塔线耦合模型 Fig. 1 Insulator string, spacing rods and muti-span
冰厚/ 脱冰率/ mm %
20 100
覆冰前后 弧垂差/m
0.95 1.40 1.82
档距/
导线冰跳高度
m 试验值/m 公式值/m 误差/%
400 21.23 20.84 1.84
500 31.41 30.91 1.59
600 43.91 40.45 7.88
1.3 脱冰跳跃横摆距离公式
仿真结果表明：导线脱冰横摆距离正比于覆冰
ABSTRACT: During the construction of the first 500 kV AC double-circuit transmission line on the same tower located at 20 mm heavy icing area in China, the dynamic response of the transmission lines under various ice-shedding cases are analyzed by numerical simulation, the engineering formula for calculating ice-shedding jump height and swing distance are obtained, and also variation of dynamic load on the tower. Based on those conclusion, routing, insulation coordination, tower head design, tower load and tower type of 500 kV AC double-circuit transmission line on the same tower located at 20 mm heavy icing area are researched. The summarized design method and thought can provide an important reference for the double-circuit transmission line on the same tower located at heavy icing area.
摘要：以国内首条 20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回线路—— 茂茂线为依托，利用数值模拟方法对各种脱冰工况下导线脱 冰动力响应进行研究，得出了导线脱冰跳跃高度和横摆距离 工程实用化公式，并总结出脱冰过程中杆塔动力荷载变化规 律。在此基础上对 20 mm 重冰区 500 kV 同塔双回线路路径 选择、绝缘配置、塔头尺寸控制条件、铁塔荷载和铁塔型式 等方面进行研究，基本理清了重冰区同塔双回线路的设计方 法和思路，可为后续重冰同塔双回线路设计提供重要参考。
铁塔杆件亦采用 Beam4 单元模拟，按两端耐张 塔，中间直线塔方式建立多档塔线耦合模型。上述 元件模型如图 1 所示。
面积。
通过改变密度法模拟脱冰荷载，即在脱冰瞬间，
将导线密度由覆冰后的等效密度改为导线的实际
密度，同时通过控制改变密度单元的范围来控制导
线脱冰范围和脱冰率。
按《110 kV~750 kV 架空输电线路设计规范》 (简称设计规范)[18]中方法计算导地线水平风荷载，