架空输电线路覆冰不平衡张力的计算与分析

张 健 秦志清

（安徽省宣城市供电公司，安徽 宣城 242000）

0 引言

因气象条件变化在杆塔上产生的水平张力差，称为架空线的不平衡张力。2008年，南方地区的冰雪灾害天气使电网大量输电线路断线倒塔，倒塔现象最终是因为杆塔承受了过大的不平衡张力。当导地线覆冰严重时，因线路档距或高差不等或各档荷载不均匀会引起各档电线的水平张力不等，从而使直线杆塔上出现不平衡张力，悬垂绝缘子串偏移或导地线在线夹内滑动，严重时会造成倒塔事故。不均匀覆冰是引起纵向不平衡张力的主要原因，易造成大面积的倒塔断线事故。因此，在进行输电线路杆塔设计时，应使杆塔能够承受一定的不平衡张力，避免因设计不当而造成倒塔事故。相关规程规范对覆冰纵向不平衡张力的取值做出了规定，为输电线路设计人员提供了设计依据，但当气象条件比较恶劣、计算条件不同于规程规范时，设计人员仍需对条件恶劣的耐张段进行不平衡张力的校核和分析，对可能存在较大不平衡张力的地段采取杆塔加强或避让等处理措施。本课题通过讨论不同条件下输电杆塔不平衡张力的大小变化，从中找出规律，进而给设计人员提供一些实际参考指导意见。

1 导线应力精确计算原理

不平衡张力的计算原理目前比较常用的是根据耐张段内串偏移量及档距变化量建立非线性方程组，采用牛顿法求解输电线路不均匀覆冰所产生的不平衡张力，并分析线路各种参数对其产生的影响。计算过程中假设架空线固定在线夹内，不发生滑动现象，主要为求解以下3组关系式：（1）各档档距增量与档内张力之间的关系式；（2）各直线塔悬垂绝缘子串偏移量与其前后档档内张力之间的关系式；（3）各档档距增量与其两侧直线塔悬垂绝缘子串偏移量之间的关系式。通过试凑法即可求得满足精度要求的解。

由上述导线不平衡张力计算原理可以看出，导线的不平衡张力与下列因素有关：（1）导线的气象变化；（2）导线参数；（3）绝缘子串参数；（4）连续档档数；（5）连续档档距分布；（6）连续档高差变化；（7）连续档各档覆冰量变化。

计算连续档线路不平衡张力的过程是比较复杂的，然而在讨论各项因素对不平衡张力的影响情况时，需要不断改变线路的各项参数，这就需要不断重复不平衡张力的计算过程。为了避免重复、繁琐的计算，本文采用Visual Basic语言编程，编写覆冰不平衡张力计算程序。这样在计算线路不平衡张力时，只需输入不同的线路参数即可获得不同参数下的不平衡张力值，比较方便，大大提高了计算效率。本文主要讨论覆冰情况下的线路最大不平衡张力随覆冰率及高差等线路参数的变化而变化的情况。

2 导线不同参数下的不平衡张力分析

图1 连续档档距分布简图

为了对导线不平衡张力进行精确分析，得出准确的规律，理论上需要将上述与导线不平衡张力有关的7种因素均考虑并且合理地交叉混合讨论，但是鉴于需要考虑的因素较多，且较难合理选择这些因素以及评估这些因素作用的共同效果，因此本文着重考虑以下2个方面：（1）由连续档各档覆冰量因素单独作用时，导线不平衡张力变化的规律；（2）连续档高差因素单独作用时，导线不平衡张力变化的规律。由于皖南地区系属丘陵地带，输电各杆塔之间高差变化较大，故以上因素基本上可以说明当地输电线路连续档导线不平衡张力的变化在皖南地区有一定的实际指导意义。

鉴于上述情况，现选择一实例进行说明。其过程是：

（1）首先给出某电压等级、导线型号、气象参数、理想档距数、理想档距大小、理想档距高差、绝缘子串长。

假定一连续档档数为6，其中档距分布简图如图1所示，该连续档所经过的气象区为典型气象区Ⅷ区，电压等级为220kV，导线选用LGJ-400/45型号。

（2）分别改变如下参数计算导线不平衡张力：1）改变覆冰率。假定连续档各档高差不变，改变连续档各档覆冰率，计算覆冰有风气象条件下的连续档最大不平衡张力，观察最大不平衡张力的改变情况并得出变化规律。2）改变连续档高差。假定各档覆冰率不变，改变高差，计算覆冰有风气象条件下的连续档最大不平衡张力，观察最大不平衡张力的改变情况并得出变化规律。

2.1 覆冰率因素单独作用时导线不平衡张力分析

在覆冰率因素单独作用时，以下几种情况下覆冰率改变对导线不平衡张力变化的影响。连续档中，选择一档覆冰率变化，如分别改变第1档、第2档、第3档；不分析改变第4档、第5档、第6档的覆冰率，原因是改变第4档与改变第3档变化相同，改变第5档与改变第2档变化相同，改变第6档与改变第1档变化相同，不用重复分析。

（1）导线最大不平衡张力变化规律。当各档的覆冰厚度都为15 mm时，连续档最大不平衡张力最小；覆冰厚度为70mm时，最大不平衡张力最大。

（2）导线最大张力变化规律。当各档的覆冰厚度都为15 mm时，连续档最大张力最小；当各档的覆冰厚度都为70mm时，连续档最大张力最大。

（3）6档中，保持其中5档覆冰厚度为15 mm不变，改变另外一档覆冰厚度，其导线不平衡张力和导线最大张力变化趋势相同：1）覆冰厚度在0～15 mm之间时，随着覆冰量的增加，导线不平衡张力和导线最大张力减小。2）覆冰厚度大于15 mm以后，随着覆冰量的增加，导线不平衡张力和导线最大张力增加。3）在改变一档覆冰厚度情况下，改变档越靠近连续档的两端，连续档的最大不平衡张力与最大张力越大；改变档越靠近连续档的中央，连续档的最大不平衡张力与最大张力越小。

2.2 高差因素单独作用时导线不平衡张力分析

在高差因素单独作用时，以下几种情况下高差改变对导线不平衡张力的影响。改变连续档中的一档高差，如分别改变第1、2、3档高差在0～200m之间变化，并讨论其他档高差分别为0、50m、100m时导线不平衡张力的变化情况。

2.2.1 改变第1档高差，其他档高差为100m

改变第1档高差，改变档高差在0～200m之间变化，其他档高差都为100m，连续档各档档距都为300m，覆冰厚度为15 mm，绝缘子串长为2.162 m，即h1=0～200m，h2=h3=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分别计算导线张力和不平衡张力的大小情况。

2.2.2 改变第2档高差，其他档高差为100m

改变第2档高差，改变档高差在0～200m之间变化，其他档高差都为100m，连续档各档档距都为300m，覆冰厚度为15 mm，绝缘子串长为2.162 m，即h2=0～200m，h1=h3=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分别计算导线张力和不平衡张力的大小情况。

2.2.3 改变第3档高差，其他档高差为100m

改变第3档高差，改变档高差在0～200m之间变化，其他档高差都为100m，连续档各档档距都为300m，覆冰厚度为15 mm，绝缘子串长为2.162 m，即h3=0～200m，h1=h2=h4=h5=h6=100m，li=300m，bi=15 mm，λ=2.162 m。分别计算导线张力和不平衡张力的大小情况。

由计算结果可得：

（1）导线不平衡张力变化规律。改变档的高差为100m时，连续档最大不平衡张力值最小；改变档的高差为200m时，连续档最大不平衡张力值最大。

（2）导线张力变化规律。改变档的高差为0时，连续档最大张力值最大；改变档的高差为200m时，连续档最大张力值最小。

（3）其他档高差为100m，第1、2、3档高差分别在0～200m之间变化时，连续档最大张力均未达到导线断线张力。当改变档越接近连续档的中央位置时，最大不平衡张力越小，当改变档越接近连续档的两端位置时，最大不平衡张力越大。

3 导线不平衡张力及最大张力的变化规律

3.1 各参数下不平衡张力的改变情况

通过改变线路覆冰率、高差等参数，分别计算连续档最大不平衡张力的大小，通过比较分析可以得出以下变化规律：

（1）各档覆冰厚度一致时，连续档最大不平衡张力值最小；覆冰越厚，连续档最大不平衡张力一般越大；改变一档时，改变档越靠近连续档中央，连续档最大不平衡张力越小。

（2）各档高差一致时，连续档最大不平衡力值最小；高差越大，最大不平衡张力一般越大；改变档高差与其他档高差相差越大，连续档最大不平衡张力越大。

3.2 各参数下导线最大张力的改变情况

通过改变线路覆冰率、高差等参数，分别计算连续档最大张力的大小，通过比较分析可以得出以下变化规律：

（1）覆冰厚度越大，连续档最大张力一般越大；当各档覆冰厚度一致时，连续档最大张力值最小。总体而言，改变覆冰率，连续档最大张力变化幅度较大。

（2）改变档高差越小，连续档最大张力越大；高差在0～200m之间变化时，连续档最大张力都没有超过导线断线张力。改变高差情况下，连续档最大张力的变化幅度并不大。

4 结语

通过对连续档不平衡张力和导线张力的计算与分析，笔者给输电线路运行维护单位提出以下建议：

（1）由于变化覆冰率，连续档最大张力变化幅度较大，而改变档越靠近连续档两端，导线最大不平衡张力越大，因此为防止线路断线倒塔，应加大对冰灾区输电线路的巡视，着重巡视耐张段内两端档线路的覆冰情况。

（2）由于改变档高差与其他档高差相差越大，连续档最大不平衡张力越大，因此为防止输电杆塔因受导线不平衡张力过大而发生倒塔事故，应对线路连续档内各档高差相差较大的地段加大巡视力度。

［1］程思勇，薛志方.覆冰不平衡张力计算分析［J］.电网与清洁能源，2011（2）

［2］周坤，彭建春.输电线路不平衡和断线张力计算与分析［J］.湖南电力，2009（3）

［3］孟遂民.架空输电线路设计［M］.中国电力出版社，2007

［4］卢本初，程思勇，何民.纵向不平衡张力计算与分析［J］.广西电力，2009（6）