风荷载对输电线路垂直档距的影响

黄良 吕黔苏 虢韬 魏延勋 卢金科

（1.贵州电力科学研究院 2.贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司 3.六盘水供电局 ）

风荷载对输电线路垂直档距的影响

黄良1吕黔苏1虢韬2魏延勋3卢金科3

（1.贵州电力科学研究院 2.贵州电网有限责任公司输电运行检修分公司 3.六盘水供电局 ）

风荷载是输电塔体系的重要外荷载，本文针对覆冰监测实际工况，在考虑了水平风力影响的基础上提出了大风工况下的垂直档距计算模型。通过数值仿真研究220kV输电线路在随机风荷载作用下垂直档距的变化特性，结合数值模拟结果，给出风荷载变化对垂直档距的影响程度分析。

垂直档距；风荷载；输电线路；覆冰

0 引言

风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度及建筑体型等诸因素有关[1]。风荷载可分为水平风荷载及垂向风荷载两个分量。研究表明垂直风速对输电线路垂向荷载的影响是相当小的，基本可以忽略不计。

输电线路在风荷载的作用下，其导线、绝缘子串以及跳线都会产生一定的风偏，其中导线会形成一个风偏面与垂直方向成一夹角。对于悬挂在架空线路杆塔上的导线也因风荷载的增加而引起弹性形变，使得导线长度发生变化。而垂直档距指的是杆塔两侧档导线最低点之间的水平距离，显然风荷载的作用会使垂直档距发生相应的动态变化。因此对于线路设计或覆冰厚度计算模型来说，确定和掌握垂直档距在风荷载影响下的变化情况，对于输电线路安全运行具有重要的意义。

1 风荷载对垂直档距的影响分析

1.1 存在横向风荷载时导线应力及垂直档距的计算公式

输电线路的实际运行环境一般为全天候工况，当有风气象条件时，作用于导线上的荷载发生变化，其悬挂中的弧线线长会发生变化，这是因为荷载不同时引起导线弹性伸长的不同而造成的[2]。档内悬线弧线长度的变化必然引起导线应力发生相应的变化。根据斜抛物线近似状态方程[3]可知：

式中，σ2、γ2为大风工况下导线顺线路方向水平应力分量和导线综合比载，单位为N/mm2、N/m·mm2；σ1、γ1为无风工况下导线顺线路方向水平应力分量和导线综合比载，单位为N/mm2、N/m·mm2；η为大风工况下绝缘子串风偏角，单位为°；β为无风工况下的高差角，单位为°；t2为大风工况下导线温度，单位为℃；t1为无风工况下导线温度，单位为℃；α为导线温度线膨胀系数，单位为（×10-6/℃）；E为导线弹性模量，单位为N/mm2。γ01为导线自重比载，单位为 N/m·mm2；γ02为覆冰时比载，单位为N/m·mm2；γ03为风压比载，单位为N/m·mm2。

本方程的成立有一个重要的假设，即覆冰的均匀性和风荷载的均匀性。但由于计算风荷载的理论公式存在本身不尽合理性、基础参数不够准确等原因，计算得到的结果与实际值会存在误差。幸运的是，目前的输电线路覆冰监测装置可以对绝缘子串拉力及风偏角进行实时监测。据此，可以利用这两个数据并通过下述公式计算得到风荷载比载的准确值，而不用再去探讨如何建立精确的模型来计算得到风荷载比载：

当有风荷载影响存在风偏角时，风偏角η可由角度传感器直接测得。风偏引起应力、档距、高度差、高差角以及悬垂角的变化，因此需要对应力、档距等参数进行修正，则式(2)中的综合比载变为：

式中，F为绝缘子串轴向拉力，单位为N；ψ为绝缘子串风偏角，单位为°；lH为水平档距，单位为m；S为导线截面积，单位为mm2；m0为导线单位长度重量，单位为kg/km；d为导线外径，单位为mm；b为覆冰厚度，单位为mm；lV为垂直档距，单位为m；lV1为大号侧垂直档距分量，单位为m；lV2为小号侧垂直档距分量，单位为m；σ01为大号侧导线水平应力，单位为N/mm2；σ02为小号侧导线水平应力，单位为N/mm2。h1、h2为计算杆塔导线悬点与前后两侧导线悬点间高差，单位为m；l1、l2为计算杆塔导线悬点与前后两侧导线悬点间的水平距离，单位为mm。

因此在输电线路覆冰监测实际应用中，通过导线状态方程可以计算出覆冰工况下导线应力的变化，进而可以对垂直档距参量进行计算。下面通过实例对悬挂点不等高情形下垂直档距随风荷载变化而变化的规律进行分析。

1.2 大风工况下垂直档距变化特性

某一220kV的线路，已知导线型号为LGJ300/40，大号侧档距和高差分别为540m和－21.5m（低塔），小号侧档距和高差分别为266m和－5m（低塔），导线温度为25℃时导线水平应力为120N/mm2，对其在覆冰工况下（温度为－5℃，覆冰厚度为10mm），风偏角为0°～40°时进行计算，结果如图1～2和下表所示。

图1 导线应力变化曲线

图2 垂直档距变化曲线

表 大风工况下导线应力和垂直档距值

通过上述的计算结果可得出如下结论。

1）悬挂点不等高情形下导线垂直档距随风荷载变化而变化遵循以下规律：对于低悬点，垂直档距随风荷载增加（应力增加）而减少，反之，对高悬点则垂直档距随风荷载增加（应力增加）而增加。

2）对于悬挂点不等高情形来说，垂直档距随风荷载变化的变化量是显著的。当风偏角由0°变化到40°（对应风速大约为20m/s）时，垂直档距的变化率约为10% 。

2 结束语

垂直档距作为覆冰厚度计算模型中的一个重要参量，它的精确度决定了覆冰监测终端监测结果的准确性。且对于线路设计中金具吨位的确定起着决定作用。导线应力及垂直档距会随风荷载的变化而变化的本质是由于导线因荷载增加而产生弹性形变。本文在考虑了水平风力影响的基础上提出了大风工况下的垂直档距计算模型，通过考虑风荷载影响从而对动态垂直档距精确取值，大大提高了数据采集的准确性，真正发挥出覆冰监测装置应有的预警效果，满足电力部门监测的要求。

[1]闵绚,邵瑰讳,文志科,蔡焕青,胡雾,曾云飞.国内外悬垂绝缘子串风偏设计参数对比与分析[J].电力建设,2013, 34(4): 19-26.

[2]赵先德.输电线路基础[M].北京：中国电力出版社,2010：28．

[3]邵天晓.架空送电线路的电线力学计算[M].北京：中国电力出版社,2003：115-116．

2017-07-18）