張 瑚，李雨蔓，李 健，周 魁，張馮碩

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

大截面導(dǎo)線間隔棒最大次檔距分析

張 瑚1，李雨蔓2，李 健1，周 魁1，張馮碩1

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044)

論述次檔距振蕩對輸電線路的危害和國內(nèi)外常規(guī)的處理措施，對分裂導(dǎo)線最大次檔距取值的主要遵循的有關(guān)理論進行闡述，主要為抗扭轉(zhuǎn)和抑制次檔距振蕩。對±800 kV特高壓線路6×JL/G2A－1250/100大截面導(dǎo)線的次檔距振蕩特性進行算例分析，從覆冰和不覆冰兩種情況下的次檔距振幅進行計算，得出不同覆冰下滿足條件的最大次檔距取值，同時對導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性進行計算分析，得出扭轉(zhuǎn)恢復(fù)要求的次檔距不起控制作用。推薦±800 kV特高壓線路大截面導(dǎo)線間隔棒最大次檔距推薦取值。

±800 kV；特高壓；大截面導(dǎo)線；次檔距振蕩；間隔棒布置。

1 概述

目前，我國高壓輸電線路多采用分裂導(dǎo)線，主要是擴大導(dǎo)線束的等值外徑，減少線路的電暈，提高線路的輸送容量。但是，分裂導(dǎo)線在機械性能上卻比單根導(dǎo)線更加復(fù)雜，學(xué)者們通過對一系列輸電線路故障的研究分析，發(fā)現(xiàn)風力對分裂導(dǎo)線起控制作用。

風在架空輸電線路導(dǎo)線上振動主要有三種形式：微風振動、次檔距振蕩和舞動。其中，次檔距振蕩是指分裂導(dǎo)線上兩間隔棒之間的子導(dǎo)線振動，是采用相分裂導(dǎo)線的線路所特有的機械運動現(xiàn)象，極易發(fā)生。次檔距振蕩會造成各子導(dǎo)線的互撞和鞭擊，使導(dǎo)線線股磨損，同時會導(dǎo)致間隔棒夾頭處產(chǎn)生較大的動彎應(yīng)力，從而使間隔棒松動甚至損壞，嚴重時可造成導(dǎo)線斷股、短路等事故。我國次檔距振蕩比較的嚴重的區(qū)域主要發(fā)生在西北大風地區(qū)，在2008年，甘肅和寧夏相繼發(fā)生了導(dǎo)線次檔距振蕩事故，嚴重威脅輸電線路的運行安全。

在分裂導(dǎo)線中，對間隔棒進行合理布置是控制次檔距振蕩的重要措施，而進行間隔棒布置的首要問題就是確定間隔棒的最大次檔距對于最大次檔距，一般設(shè)計中都是依據(jù)經(jīng)驗進行。

根據(jù)抑制次檔距振蕩的經(jīng)驗，加拿大建議最大次檔距不超過68 m；根據(jù)子導(dǎo)線搖擺碰撞認為， 德國500 kV以下線路的次檔距限制在初40～50 m，而美國最大次檔距可放至76 m；加拿大Ander 公司規(guī)定的兩級最大次檔距：開闊地帶取68 m， 非開闊地帶取76 m；這些數(shù)據(jù)均有各自的試驗依據(jù)，但分散性太大，不易把握，且缺少理論依據(jù)。

隨著大截面導(dǎo)線在±800 kV特高壓直流輸電線路上的應(yīng)用，如何采取有效防振措施防止導(dǎo)線的次檔距振蕩研究顯得很有必要。

2 最大次檔距取值的相關(guān)理論

間隔棒的主要作用是支撐子導(dǎo)線，防止子導(dǎo)線相互碰撞和鞭擊，抑制次檔距振蕩。對于間隔棒的安裝距離及數(shù)量，除了考慮經(jīng)濟因素外，還必須從防止導(dǎo)線碰撞和翻轉(zhuǎn)，能達到最佳防振效果進行必要的研究和計算，主要考慮的因素有：

(1)對于平均風阻力和正常電流產(chǎn)生的電磁吸引力，間隔棒的安裝距離必須使子導(dǎo)線不接觸。

(2)對于尾流引起的次檔距振蕩，保證子導(dǎo)線不發(fā)生頻繁的鞭擊和金具的疲勞破壞。

(3)對于風和覆冰引起的扭轉(zhuǎn)，允許子導(dǎo)線接觸，但當覆冰和風等外力消失后，間隔棒的安裝距離必須能使扭轉(zhuǎn)自然恢復(fù)(稱扭轉(zhuǎn)復(fù)原理論)。

2.1 抗吸附條件下的次檔距要求

由于風吸引力和電磁吸引力的作用，子導(dǎo)線會接近，當電流增大到某值時，子導(dǎo)線會突然吸附而不能脫離，因此，須限制間隔棒的安裝距離，把子導(dǎo)線的接近率控制在一定的值。

對于輸送大容量電流的輸電線路，由于電磁力的作用，子導(dǎo)線相互吸附，如果風速加大，吸附將更容易。

因此有必要設(shè)定一個合適的間隔棒間隔距離，使得即使子導(dǎo)線吸附碰在一起，只要當外力消除，就可以自然地脫離開。

對于特高壓輸電線路而言，根據(jù)國外的研究，風壓和電磁吸引力相對次檔距振蕩對間隔棒安裝間距的影響而言要小得多。

2.2 次檔距導(dǎo)線振蕩特性

次檔距檔中子導(dǎo)線的振幅一般要求小于二分之一倍的子導(dǎo)線分裂間距，以避免子導(dǎo)線振蕩時發(fā)生碰撞。在尾流區(qū)的子導(dǎo)線，次檔距振蕩的輸入能量和衰減能量達到平衡時，就成為穩(wěn)定振蕩，由尾流中子導(dǎo)線的作用外力，可以推出間隔棒間距與次檔距振幅之間近似計算公式：

式中：X0'為次檔距振動幅值(m)；lc為最大次檔距(m)；T為導(dǎo)線張力(N)；W為導(dǎo)線重量(kg/m)；a為子導(dǎo)線間距(m)；D為子導(dǎo)線外徑(m)；E為振動幅值衰減率(0.05～0.1)，計算是一般取0.08。

2.3 扭轉(zhuǎn)恢復(fù)要求的次檔距要求

分裂導(dǎo)線不均勻覆冰時會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)力矩，加上風壓會使導(dǎo)線發(fā)生嚴重的扭轉(zhuǎn)。由于風壓和覆冰產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力的機理非常復(fù)雜，且覆冰厚度、形狀具有不規(guī)則、不確定性，因此確定它的大小和設(shè)計條件是極其困難的問題。扭轉(zhuǎn)設(shè)計中一般是按導(dǎo)線覆冰時發(fā)生的扭轉(zhuǎn)，在脫冰后能自然恢復(fù)來考慮的。導(dǎo)線一旦發(fā)生扭轉(zhuǎn)，為了使它自然復(fù)原，在任意扭轉(zhuǎn)角下，經(jīng)常有復(fù)原力在作用是必要的。為此，不論扭轉(zhuǎn)角的大小，導(dǎo)線重力、導(dǎo)線張力、導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度三種力引起的力矩總和，應(yīng)使其為正值。導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線計算主要步驟為：

(1) f1(λ)函數(shù)計算

先求等值線路常數(shù)M－，然后按照下式計算f1(λ)函數(shù)：式中：λ=S1/S；S1為為間隔棒距懸垂點的距離(m)；

S為為檔距(m)；M－為為線路機械常數(shù)。

(2)扭轉(zhuǎn)系數(shù)

多分裂導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)剛性常數(shù)的計算公式：

(3)扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線

結(jié)合前面算得的f1(λ)函數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)，可知：

式中：ηd為扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線的修正系數(shù)，一般取0.95；β為扭絞剛性常數(shù)；l為次檔距(m)；

3 大截面導(dǎo)線算例分析

目前，我國特高壓直流輸電線路已采用六分裂1250 mm2截面導(dǎo)線，下面以6×JL/G2A－1250/100鋼芯鋁絞線為例，導(dǎo)線參數(shù)見表1。

表1 導(dǎo)地線參數(shù)

國內(nèi)外相關(guān)研究表明，風壓和電磁吸引力相對次檔距振蕩對間隔棒安裝間距的影響較小，下面主要對大截面導(dǎo)線次檔距振蕩和扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性進行研究，計算分析27 m/s風，10 mm、15 mm、20 mm冰區(qū)的次檔距振蕩規(guī)律。

3.1 導(dǎo)線次檔距振蕩計算

(1)完善相關(guān)的法律法規(guī)體系。法律是保障金融市場穩(wěn)定的有力武器。我國資產(chǎn)證券化起步晚，與之相關(guān)的法律法規(guī)并不完善。擁有完備的法律體系會提高資產(chǎn)證券化發(fā)起人和投資人的安全感。同時，擁有完備的法律體系也會涉及其他領(lǐng)域的利益關(guān)系，對于經(jīng)濟發(fā)展十分有利。

結(jié)合國內(nèi)外其他學(xué)者的研究成果及運行經(jīng)驗，取次檔距大于40 m，核算次檔距振幅。次檔距振幅一般要求小于二分之一倍的子導(dǎo)線間距，以免子導(dǎo)線振蕩時發(fā)生碰撞。對大截面導(dǎo)線特高壓直流輸電線路，進行不考慮覆冰和考慮覆冰兩種工況的次檔距振幅核算。

(1)不考慮覆冰

不考慮覆冰時有：子導(dǎo)線外徑D=47.85 mm，子導(dǎo)線間距a=500 mm，風速V=16 m/s，導(dǎo)線張力T=7996 kg，導(dǎo)線重量W=4.25 kg/m。計算結(jié)果見表2。

表2 不考慮覆冰次檔距振幅計算結(jié)果

(2)考慮覆冰

當導(dǎo)線覆冰時，子導(dǎo)線的振動幅值將增大，間隔棒上所承受的荷載也將增大。按照設(shè)計覆冰分別為10 mm、15 mm、20 mm，計算大截面導(dǎo)線在不同覆冰下的次振蕩特性，計算結(jié)果見表3、表4、表5。

表3 考慮覆冰厚10 mm次檔距振幅計算結(jié)果

表4 考慮覆冰厚15 mm次檔距振幅計算結(jié)果

表5 考慮覆冰厚20 mm次檔距振幅計算結(jié)果

從表2計算結(jié)果可知，導(dǎo)線無冰時允許的次檔距比較大，滿足子導(dǎo)線振動幅值要求的最大次檔距達100 m。

從表3、表4、表5可知，10 mm、15 mm、20 mm覆冰時滿足子導(dǎo)線振動幅值要求的最大次檔距分別為83 m、77 m、71 m。

3.2 導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性

6×JL/G3A-1250/100鋼芯鋁絞線呈正六邊形排列，分裂間距a=500 mm，導(dǎo)線平均運行張力T=78.44 kN，導(dǎo)線重量W=4.25 kg/m，導(dǎo)線外徑D=47.85 mm，進行經(jīng)濟檔距510 m下的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線計算。

根據(jù)式(2)～(4)，即可得到六分裂導(dǎo)線耐張檔的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線函數(shù)：

分析本工程六分裂導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線，可以看出檔距中部間隔棒最大次檔距可取到115 m，可滿足自然恢復(fù)要求。

結(jié)合扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線的計算過程，一般情況下，抗扭恢復(fù)力對檔距中部間隔棒最大間距不起控制作用。

圖1 導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線

3.3 間隔棒最大次檔距取值

結(jié)合圖1導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)恢復(fù)特性曲線可知，6×JL/G2A－1250/100大截面在檔距510 m時，導(dǎo)線檔距中部間隔棒最大次檔距可取到115 m，可滿足自然恢復(fù)要求，抗扭恢復(fù)力對檔距中部間隔棒最大間距不起控制作用。

結(jié)合表2、表3、表4計算結(jié)果，大截面導(dǎo)線最大次檔距主要受覆冰下的次檔距振蕩影響，10 mm、15 mm、20 mm覆冰時理論條件下最大次檔距分別為83 m、77 m、71 m。

在實際工程中，結(jié)合運行經(jīng)驗，綜合考慮各種因素，6×JL/G2A-1250/100大截面導(dǎo)線輸電線路10 mm和15 mm冰區(qū)，一般地區(qū)檔距小于1000 m時，最大次檔距取66 m；檔距大于1000 m時，最大次檔距取60 m。20 mm冰區(qū)，最大次檔距取55 m。

4 總結(jié)

綜合以上對六分裂大截面導(dǎo)線次檔距的研究，可以得出以下結(jié)論：

(1)特高壓直流輸電線路由于分裂根數(shù)多，導(dǎo)線截面大，間隔棒最大次檔距應(yīng)按照滿足抗吸附、抗扭轉(zhuǎn)和抑制次檔距振蕩三方面要求進行具體分析計算，以區(qū)別于以往的經(jīng)驗取值。

(2)對于直流特高壓6×JL/G3A-1250/100導(dǎo)線而言，扭轉(zhuǎn)恢復(fù)要求的次檔距不作為控制條件，間隔棒最大次檔距主要由覆冰時次檔距振蕩幅值控制。

(3)在本文特定計算條件下，六分裂導(dǎo)線6×JL/G2A-1250/100，年平張力取25%的計算拉斷力時，不同覆冰區(qū)下導(dǎo)線間隔棒最大次檔距理論算值和工程實際取值見表6。

Analysis on the Maximum Subspan for Spacing Stick in Large Cross-section Conductors

ZHANG Hu1, LI Yu-man2, LI Jian1, ZHOU Kui1, ZHANG Feng-shuo1
(1.Central Southern China Electric Power Design Institute Co.Ltd. Of China Power Engineering Consulting Group, Wuhan 430071, China；2.School of Electrical Engineering,Chongqing University, Chongqing 400044, China )

In this paper,it introduce the characteristic of Subspan Oscillation and the theory of how to choose the maximum Subspan of Spacers.The maximum Subspan is calculate with considerding anti-adsorption conditions,the amplitude limitations of sub-conductors and requirements of the reverse recovery characteristics.Then,a example is given on the analysis characteristic of Subspan Oscillation on ±800 kV UHV Transmission Line with 6×JL/G2A-1250/100 Conductors. It calculate the vibration amplitude of sub-conductors with or without ice and the reverse recovery characteristics to determine the maximum Subspan between Spacers. At last,the paper recommend the maximum Subspan between Spacers for ±800 V UHV Transmission Line with 6×JL/G2A-1250/100 Conductors in diffent design ice.

±800 kV; UHV; large cross-section conductors; subspan oscillation; spacer configuration.

TM75

B

1671-9913(2016)06-0065-04

2015-11-18

張瑚(1984- )，男，湖北黃陂人，碩士，高級工程師，從事高壓輸電線路的設(shè)計研究工作。