呂中賓，葉中飛，田 瑞，祝志磊

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南 鄭州 450052；2.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003)

1 引言

隨著輸電線路的建造數(shù)量在不斷地增加，不可避免的使得跨越高速鐵路、高速公路和重要輸電通道的重要交叉跨越(三跨)線路不斷地增多[1，2]，在交叉跨越線路上的事故也頻頻發(fā)生，例如已發(fā)生事故的線路有220kV肖辛線(跨高鐵)和500kV瓦海二線(跨高速公路)。重要交叉跨越線路的安全性不僅關(guān)系到該條跨越輸電線路的運(yùn)行，也影響著被跨越線路或交通的安全運(yùn)行，因此提高重要交叉跨越線路的安全性對電力線路運(yùn)行和交通安全保障具有重要意義。

現(xiàn)階段關(guān)于重要交叉跨越線路的研究，主要體現(xiàn)在線路正常運(yùn)行時交叉跨越線路周圍工頻電磁場的計算[3-9]、交叉跨越距離的測量[10，11]和發(fā)生事故時交叉跨越線路故障電流的計算[12，13]三個方面。文獻(xiàn)[3]基于模擬電荷法和畢奧-薩瓦定律分別計算了交叉跨越導(dǎo)線下方產(chǎn)生的工頻電場和工頻磁場。文獻(xiàn)[10]利用機(jī)器視覺測量技術(shù)和數(shù)字圖像處理方法，對交叉跨越線路的跨越距離進(jìn)行了測量。文獻(xiàn)[12]提出了一種交叉跨越線路故障短路電流的計算方法。但是目前對于分析交叉跨越線路的力學(xué)特性，以防止事故發(fā)生的研究則很少。

隨著輸電線路運(yùn)行時間的增加，線路金具中的球頭掛環(huán)和碗頭掛板處往往會發(fā)生腐蝕、磨損或者嚴(yán)重變形等情況，使得連接處不能轉(zhuǎn)動，而傾向于剛性連接。針對于長期運(yùn)行線路的這一特點，研究長期運(yùn)行條件下的交叉跨越線路中，結(jié)構(gòu)不對稱特性(交叉跨越線路中跨越檔和鄰檔的檔距或高差不同)對大風(fēng)工況下的懸垂串張力特性的影響規(guī)律，以防止線路懸垂串上的連接金具在大風(fēng)工況下發(fā)生受力破壞情況(掉串事故)的發(fā)生。

本文以某220kV“耐-直-耐”形式的獨立耐張段交叉跨越線路實際工程為背景，建立其三塔四線有限元模型，利用線性濾波法模擬大風(fēng)工況下的脈動風(fēng)時程曲線。通過改變交叉跨越線路段的鄰檔檔距和高差，研究在大風(fēng)工況下線路自身結(jié)構(gòu)不對稱特性對長期運(yùn)行的交叉跨越線路導(dǎo)地線懸垂串最大動張力的影響規(guī)律，旨在為提高交叉跨越線路長期運(yùn)行的安全水平提供參考。

2 大風(fēng)工況風(fēng)速時程模擬

大氣邊界層風(fēng)的瞬時風(fēng)速U(t)可看成是平均風(fēng)速U和脈動風(fēng)速u(t)的疊加。

2.1 平均風(fēng)速U

平均風(fēng)速隨離地高度z的變化曲線被稱為平均風(fēng)速剖面(Mean Wind Speed Profile)。平均風(fēng)速剖面的指數(shù)律計算公式如下

U(z)=U10(z/10)α

(1)

式中，U(z)為離地z米高度處的平均風(fēng)速，m/s；U10為離地10m高度處的基本風(fēng)速，m/s；α為地面粗糙度指數(shù)。本文對交叉跨越線路的大風(fēng)工況進(jìn)行數(shù)值仿真計算，其大風(fēng)工況的基本風(fēng)速為28.81m/s，地面粗糙度類別為B類，則對應(yīng)的地面粗糙度指數(shù)α為0.15。

脈動風(fēng)速可看作是一種零均值的各態(tài)歷經(jīng)的高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程[14，15]。我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB50009-2012)使用的風(fēng)速功率譜為Davenport譜[16]，其表達(dá)式為

(2)

(3)

式中，k為地面粗糙度系數(shù)；U10為離地10m高度處的基本風(fēng)速，m/s；f為脈動風(fēng)頻率，Hz。本文采用線性濾波法對Davenport譜進(jìn)行脈動風(fēng)速時程的模擬[17，18]，模擬主要參數(shù)見表1。

表1 脈動風(fēng)速時程模擬主要參數(shù)

利用線性濾波法且考慮脈動風(fēng)的空間相關(guān)性，模擬出的酒杯型直線塔頂部的脈動風(fēng)速時程曲線如圖1(a)所示，其脈動風(fēng)速功率譜如圖1(b)所示。由圖可知，模擬出的脈動風(fēng)速的功率譜曲線和目標(biāo)譜(Davenport譜)基本重合，證明了利用線性濾波法模擬脈動風(fēng)速的正確性。

圖1 脈動風(fēng)速時程曲線及其功率譜曲線

3 交叉跨越線路有限元模型的建立

3.1 220kV交叉跨越線路實際參數(shù)

本文模擬的交叉跨越線路的實際結(jié)構(gòu)如圖2所示，由三基輸電塔組成，線路結(jié)構(gòu)為“耐-直-耐”形式，耐張塔A和耐張塔C均為干字型鐵塔，直線塔B為酒杯型鐵塔。耐張塔A和直線塔B之間為跨越檔，另一檔線路為其鄰檔。圖中①、②和③分別為順線路方向的右相、中相和左相導(dǎo)線懸垂絕緣子串，④和⑤分別為右地線懸垂串和左地線懸垂串。該段交叉跨越線路的主要參數(shù)列于表2中。

圖2 “耐-直-耐”交叉跨越線路結(jié)構(gòu)

表2 交叉跨越輸電線路主要參數(shù)

3.2 結(jié)構(gòu)不平衡交叉跨越線路有限元模型建立

對交叉跨越輸電線路建立三塔四線模型，利用BEAM188單元模擬輸電塔中的主材和橫隔材，用LINK8單元模擬輸電塔中的斜材。為模擬長期運(yùn)行線路中的懸垂絕緣子串，由于在連接處發(fā)生腐蝕、磨損或者嚴(yán)重變形等缺陷使得不能轉(zhuǎn)動而傾向于剛性連接情況，本文用BEAM188單元模擬懸垂絕緣子串。由于導(dǎo)地線為柔索結(jié)構(gòu)，用LINK10索單元模擬，實際線路導(dǎo)地線的主要參數(shù)列于表3中。

表3 導(dǎo)地線主要參數(shù)

本文基于實際線路結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1)，通過改變鄰檔的檔距和高差，研究交叉跨越線路自身結(jié)構(gòu)不對稱特性對大風(fēng)工況下導(dǎo)地線懸垂串最大動張力的影響規(guī)律。鄰檔檔距在300m至400m之間每隔100m取一個值，總共包括實際線路(鄰檔檔距350m)在內(nèi)共11個不同的檔距；通過改變耐張塔C的呼高改變鄰檔的高差，耐張塔C的呼高在16m至26m之間每米取一個值，總共包括實際線路(耐張塔C呼高21m)在內(nèi)取了11個不同的呼高，對這21種線路結(jié)構(gòu)的交叉跨越輸電線路分別進(jìn)行有限元建模。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 大風(fēng)工況下交叉跨越線路懸垂串張力響應(yīng)

對實際交叉跨越輸電線路進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，得到右相導(dǎo)線懸垂絕緣子串張力的時程曲線(如圖4所示)。將直線塔上導(dǎo)地線懸垂串的動態(tài)響應(yīng)最大張力和利用靜態(tài)分析得出的結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果列于表5中。脈動放大比為動態(tài)分析中懸垂串動張力的最大值與靜態(tài)分析結(jié)果的比值。從表5中可以看出，在考慮脈動風(fēng)的影響下，相比于靜態(tài)分析結(jié)果，導(dǎo)線懸垂串張力增大了12%左右，地線懸垂串張力增大了35%左右。雖然導(dǎo)線懸垂串張力的增大百分比要小于地線懸垂串，但導(dǎo)線懸垂串實際張力增大值(1.7kN左右)要大于地線懸垂串(0.8kN)，因此導(dǎo)地線懸垂串張力在脈動風(fēng)作用下產(chǎn)生的脈動放大效應(yīng)均不容忽視。

圖3 直線塔右相導(dǎo)線懸垂串張力時程曲線

圖4 懸垂串最大動張力隨鄰檔檔距變化的規(guī)格化曲線

表4 懸垂串張力動靜態(tài)分析結(jié)果對比

4.2 線路結(jié)構(gòu)不平衡對懸垂串動張力特性的影響

4.2.1 鄰檔檔距變化的影響規(guī)律

對11種不同鄰檔檔距的交叉跨越輸電線路進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，對動態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對比分析。表5為不同鄰檔檔距下的懸垂串最大動張力匯總表。從表中可看出，隨著鄰檔檔距的增大，在大風(fēng)工況下導(dǎo)地線的5個懸垂串最大動張力均在逐漸增大。相比于350m的實際鄰檔檔距，400m鄰檔檔距情況下，導(dǎo)線懸垂串最大動張力增大1kN左右，地線懸垂串最大動張力增大0.3kN，可知鄰檔檔距對導(dǎo)線懸垂串張力的影響幅度要大于對地線懸垂串張力的影響。

表5 各鄰檔檔距下的懸垂串最大動張力(單位:kN)

圖5為懸垂串最大動張力隨鄰檔檔距變化的規(guī)格化曲線?？v坐標(biāo)為每種檔距下的懸垂串最大動張力與350m實際檔距時的最大動張力的比值，即F/F350。由圖可知，導(dǎo)線懸垂串張力規(guī)格化值F/F350隨鄰檔檔距的變化情況與地線懸垂串幾乎一致。當(dāng)鄰檔檔距從300m增至400m時，導(dǎo)地線懸垂串的F/F350值從0.90增大到1.10，且五條F/F350曲線隨檔距的變化幾乎均成線性變化。

圖5 懸垂串最大動張力隨塔C呼高變化的規(guī)格化曲線

4.2.2 鄰檔高差變化的影響規(guī)律

對11種不同鄰檔高差的交叉跨越輸電線路進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析，對動態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對比分析。表6為不同塔C呼高下的懸垂串最大動張力匯總表。從表中可看出，隨著塔C呼高的增大，在大風(fēng)工況下導(dǎo)地線的5個懸垂串最大動張力均在逐漸減小。相比于21m的實際塔C呼高，當(dāng)塔C呼高增為26m時，導(dǎo)線懸垂串最大動張力減小0.73kN左右，地線懸垂串最大動張力減小0.2kN左右。

表6 不同塔C呼高下的懸垂串最大動張力(單位:kN)

圖6為懸垂串最大動張力隨塔C呼高變化的規(guī)格化曲線?？v坐標(biāo)為每種呼高下的懸垂串最大動張力與21m塔C實際呼高時的最大動張力的比值，即F/F21。由圖可知，導(dǎo)地線懸垂串張力規(guī)格化值F/F21隨塔C呼高的變化曲線幾乎均成線性變化，且地線懸垂串的F/F21值變化斜率要略大于導(dǎo)線懸垂串。當(dāng)塔C呼高從16m增至26m時，導(dǎo)線懸垂串的F/F21值從1.05減小到0.94，地線懸垂串的F/F21值從1.09減小到0.93。

綜合對比分析鄰檔檔距和鄰檔高差對導(dǎo)地線懸垂串最大動張力的影響，可以發(fā)現(xiàn)，鄰檔檔距增加50m(從350m增至400m)使得大風(fēng)工況下的導(dǎo)地線懸垂串最大動張力增大10%左右，而塔C呼高增大5m(從21m增至26m)使得導(dǎo)地線懸垂串最大動張力減小6%左右，由此可得導(dǎo)地線懸垂串最大動張力對鄰檔高差值的改變更為敏感。

5 結(jié)論

本文通過改變交叉跨越線路中的鄰檔檔距和高差，建立不同線路結(jié)構(gòu)的交叉跨越線路有限元模型，并分別對其進(jìn)行大風(fēng)工況下的動態(tài)仿真分析，研究線路自身結(jié)構(gòu)不對稱特性對大風(fēng)工況下的導(dǎo)地線懸垂串最大動張力的影響規(guī)律，可得如下結(jié)論：

1)對于實際交叉跨越線路，在考慮脈動風(fēng)的動態(tài)分析下，導(dǎo)線懸垂串的最大動張力比靜態(tài)分析結(jié)果增大了12%，地線懸垂串最大動張力增大了35%，因此在線路抗風(fēng)設(shè)計時不能忽視導(dǎo)地線懸垂串張力在脈動風(fēng)作用下的脈動放大效應(yīng)。

2)隨著鄰檔檔距的增大，大風(fēng)工況下的導(dǎo)地線懸垂串最大動張力在不斷增大。且導(dǎo)地線懸垂串張力規(guī)格化值F/F350隨鄰檔檔距的變化曲線幾乎成線性增大變化。

3)隨著耐張塔C呼高的增大(鄰檔高差是在不斷的減小)，大風(fēng)工況下的導(dǎo)地線懸垂串最大動張力在逐漸減小。且導(dǎo)地線懸垂串張力規(guī)格化值F/F21隨塔C呼高的變化曲線幾乎成線性減小變化。

4)為防止長期運(yùn)行的交叉跨越線路在大風(fēng)工況下發(fā)生掉串事故，在設(shè)計線路時應(yīng)適當(dāng)減小鄰檔檔距，以及減小鄰檔的高差值(即增大塔C呼高)，從而減小大風(fēng)工況下導(dǎo)地線懸垂串的最大動張力，提高線路的安全運(yùn)行水平。并且導(dǎo)地線懸垂串最大動張力對鄰檔高差值的改變更為敏感，所以在交叉跨越線路的設(shè)計時應(yīng)重點注意鄰檔高差的取值。