220kV输电线路分裂导线运行应力分析

220kV输电线路分裂导线运行应力分析

魏航

广西广晟电力设计有限公司

摘要：导线是架空输电线路的主要元件之一．在架空输电线路建设投资中，双分裂导线相碰或十分靠近是出现粘连的先决条件，采用加装间隔棒的方法，虽然施工较为简单，但一般需停电作业，且不太适用于处理连续多档，尤其导线对地距离较大时，施工难度非常大，施工安全系数也比较低。目前处理分裂导线电磁力基于导线平行的状态，没有很好处理导线在受外力如电磁力、拉应力等情况下导线处于曲线状态的电磁力的求解，其中使用平行状态计算电磁力就会出现较大误差，并且导线间使用间隔棒和电流随电压出现波动也会使导线受力发生较大变化，以及导线在电磁力发生改变时导线长度的变化。因此，对220kV输电线路分裂导线运行应力分析具有重要意义。

关键词：220KV架空；分裂导线；动态模型

架空输电线路日常消缺工作经常需要检修人员出导线进行检修，如更换绝缘子、导地线防震锤的捉回和补装、导线间隔棒的调整、麻股和断股导线的修补、导地线上异物的拆除等。根据这些工作作业量的大小和作业的复杂程度，工作人员会选择不同的作业方式、方法来完成检修工作。通过建立输电线路模型，利用模型计算分裂子导线的影响。继而利用数值计算出不同状态导线间距，并分析不同电流对导线距离的影响，建立过电流下导线伸长动态模型。基于分析可知:各种因素对导线伸长和间距在影响，伸长与电磁力相互促进;动态模型显示导线伸长过程中各种参数变化，并提出相应预防粘连的措施。

一、架空输电线路的组成

地线：地线即避雷线，挂在铁塔最上部的两根金属线，我们在设计的时候通常会选用良导体的地线，这需要通过潜供电流与过电压、光缆、通信线、运行通信、系统通信的要求来确定。

导线：导线的作用是传输电流，导线通过绝缘子串和金具挂靠在铁塔上。在设计时应该考虑导线的一些物理特性，包括截面积与分裂型式，还有子导线的间距。以及导线的电气特性与机械特性。而且防腐导线适用于污秽的地区。

绝缘子：绝缘子串用来绝缘导线与铁塔、地线与铁塔的作用，送电线路的绝缘强度按清洁地区和污秽地区来划分，以污秽性质、附盐密度、污源距离、气候条件及已有线路运行经验来确定。

线路金具：输电线路上面金属部件的总称为线路金具，我们在选用金具的时候都是查阅通用设计模块来选取。特殊金具特殊设计。

铁塔：铁塔是高压送电线路上最常用的支持物，国内外大多采用热轧等肢角钢制造、螺栓组装的空间架结构，也有少数国家采用冷弯型钢或钢管混凝土结构。根据结构型式和受力特点，铁塔可分为拉线塔和自立塔两大类。

接地装置：接地装置是把铁塔上面的电流传导给大地的良导体，按照地质、地貌情况，说明采用接地装置的主要型式和要求的接地电阻值。

铁塔基础：铁塔基础是稳固铁塔于大地上的结构部分，其形式应根据杆塔形式、沿线地形、工程地质、水文以及施工、运输等条件进行综合考虑确定。

二、220kV架空分裂导线模型

1. 水平分裂导线模型

导线受电磁力和间隔棒存在受力如图1所示。

图1受力分析图

根据图可知导线在受电磁力和间隔棒支撑的作用，水平分裂导线各个子导线呈抛物线分布，设其抛物线如下:

（y-a/2）=kx²

根据公式在a=0m时，即是子导线相互粘连的临界状态，即是在此刻导线的电流，电磁力都达到了临界值。为预防导线粘连，必须严格准确把握导线临界状态，就是控制导线的电流，最小间距，导线电磁力，导线伸长度。综合因素理解导线相互接近动态过程及导线接近过程中各个因素参数的改变，考虑导线粘连各因素，才能把握考虑导线粘连机理。

2. 水平分裂导线的电磁力计算模型

鉴于分析过电流对导线受力的影响，分别从过电流与导线电磁力，电磁力的改变影响导线拉应力，拉应力与导线弹性伸长关系，弹性伸长对导线间距改变，反过来间距变化对导线电磁力进一步影响;由于导线受力平衡处于静止状态，即导线受力水平方向为0;即是导线两端拉力均为T，由单根导线受力可知:单根导线受力进行曲线因为导线间距与横坐标关系，即是取代d求得:

三、过电流导线受力过程仿真

1、过电流下导线受力分析

导线在未受电磁力情况下会保持两分裂导线之间平行，即是不考虑导线风荷载，冰荷载等因素的影响。完全理想的情况下，导线保持理想平行，从这理想情况电流值由零值逐渐增加至2000A，同时改变最小间距以观察导线电磁力变化。假设子导线最小间距等于间隔棒长度取值a=0.4m，间隔棒长度b=0.6m，则k=2(b-a)L2，导线在电流增大的情况下会使子导线之间最小间距变小，间距的变小会进一步加大导线之间的电磁力，电磁力的增大同样反过来影响最小间距的减小，关系成正循环进行的。电流与导线的最小间距更好地配合协调，把导线的受力控制在合适范围内，利用数值仿真软件计算电流和最小间距共同作用下电磁力的大小。

2、过电流下导线状态模拟

导线受力增加会加剧导线伸长，根据弹性力学可知:

结合公式可知受力发生变化影响导线伸长量，而导线长度发生极小的改变就会对导线间的最小间距造成很大的改变。此之间关系几乎成反比例关系，其最小间距减小量与导线长度减小量之比近似为(0.4-0)(400.006-400)=66.7。结合以上分析，应该严格控制导线伸长度，尤其在导线受到增加的拉应力的情况下，导线伸长，必然就会影响到导线间最小间距，进而对导线安全造成一定影响。综合分析:当周围空气温度和作用在导线上的荷载发生变化时，导线的应力，弧垂及线长也随着变化[1]。引起这种变化的主要因素有，其一是由于气温改变，导线由于热胀冷缩引起线长的变化;其二是由于荷载变化，导线弹性而引起线长变化。

四、导线过电流动态模型

基于分析因为导线应力、电磁力、以及导线伸长和间距的改变，其中过程较为复杂，如果全部考虑不分清进展过程就会造成分析过程错误，不利于对导线状态把握。为了更好的分析在过电流情况下，导线状态变化以及过程参数变化，综合以上所建模型和图形，根据公式，可以精确计算电磁力的变化量以及电磁力随着电流变化趋势及方向。导线间电磁力增加会导致最小间距变化，最小间距改变反向促进导线电磁力的增加，二者相互促进，电磁力影响导线端拉应力增大。根据弹性力学可知，拉应力增大会加剧导线的伸长，借助公式，可以知道导线的伸长对导线最小间距影响。导线电磁力、拉应力、导线伸长、最小间距四者处于循环往复状态，直至导线粘连。根据分析导线在过电流状态下，经过中间四者循环，至导线粘连而结束。可以很好显示水平导线状态变化过程，为预防导线粘连提供很好的依据和理论支持，避免盲目对水平导线安装间隔棒，造成不必要的浪费。

五、结论

通过建立了导线过电流下变化的动态模型。基于模型，对于导线在不在同状态下进行分析计算可知:导线在过电流条件下，由于导线间电磁力的增大，导致导线间距减小及伸长特性被加强。结合实际验证，确知此导线过电流伸长动态模型符合实际。在指导现实工作中，努力减小过电流对导线的影响，以及对预防导线粘连措施具有很好的指导意义。对于间隔棒安装，结合模型得知:一般分裂导线间隔棒安装，实际运行经验表明，对150m～300m垂直分裂导线粘连档安装间隔棒即有较明显效果，计算建议假定安装距离后间隔棒的刚性作用视为挂点计算，有利于仿真结论的确定，也较符合运行实际。

参考文献：

[1]陈吉,蒋兴良,舒立春, 等.雨凇覆冰对输电线路分裂导线起晕电压的影响[J].高电压技术,2014,40(2):395-404.

[2]周林抒,严波,杨晓辉, 等.真型试验线路六分裂导线舞动模拟[J].振动与冲击,2014,(9):6-11.

[3]冯学斌,王藏柱,魏锦丽.超高压输电线路多分裂导线的振动分析[J].吉林电力,2006,34(2):18-19,23.