1_000_kV特高压30...耐张塔地线支架高度取值研究_刘庆丰.pdf

131000kV 特高压 30mm 重冰区水平耐张塔地线支架高度取值研究http:/ 电网设计第7期 DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.07.0031 000 kV 特高压 30 mm 重冰区水平耐张塔地线支架高度取值研究刘庆丰，莫咏衡，张 胜(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410007)摘要：1000kV 特高压 30mm 重冰区水平耐张塔地线支架高度关系到导地线脱冰跳跃距离，地线表面场强大小以及防雷保护效果。采用电位系数法，导地线应力状态方程和不平衡张力计算理论，结合脱冰跳跃真型试验成果，从地线表面场强、防雷保护、脱冰跳跃三个方面进行分析计算，综合得出水平耐张塔地线支架高度取值。关键词：特高压；重冰区；水平耐张塔；地线支架中图分类号：TM726 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)07-13-04Study on the Height of Ground Wire Support of Horizontal Tension Tower in 1 000 kV UHV 30 mm Heavy Ice AreaLIUQingfeng,MOYongheng,ZHANGSheng(China Energy Engineering Group Hunan Electric Power Design Institute Co.,Ltd.,Changsha 410007,China)Abstract:Thegroundwiresupportheightofthehorizontaltensiontowerinthe30mmheavyiceareaof1000kVUHVisrelatedtothedeicingjumpingdistanceoftheconductorandgroundwire,thesurfacefieldstrengthofthegroundwireandthelightningprotectioneffect.Inthispaper,theelectricpotentialcoefficientmethod,thestressstateequationofconductorandgroundwireandthecalculationtheoryofunbalancedtensionareusedrespectively.Combinedwiththeresultsoficingjumptest,thegroundwiresurfacefieldstrength,lightningprotectionandicingjumpareanalyzedandcalculated,andthegroundwiresupportheightofhorizontaltensiontowerisobtained.Keywords:UHV;heavyicearea;horizontaltensiontower;groundwiresupport*收稿日期：2021-07-18 第一作者简介：刘庆丰(1979)，男，硕士，高级工程师，从事高压输电线路设计工作。0 引言1 000 kV 特高压交流线路是目前国内电压等级最高的交流线路，主要是解决跨区域长距离的电力输送问题，实现远距离的电力系统互联，提高区域间送受电能力。重冰区输电线路导地线覆冰严重，导地线或者导线间脱冰跳跃容易引起线路跳闸，甚至倒塔断线等故障，对输电线路的安全运行危害极大1。目前，国内重冰区特高压耐张塔一般采用导线三角形排列的干字型耐张塔(以下简称“干字塔”)，对导线水平排列的耐张塔(以下简称“水平耐张塔”)研究较少。水平耐张塔三相导线水平排列，水平相间距较大，脱冰跳跃下不易发生导线相间闪络。水平耐张塔结构受力较好，传力简单，运行经验成熟，塔重较常规干14http:/电 力 勘 测 设 计第7期字塔降低 8%左右，经济效益显著。水平耐张塔地线支架高度较干字塔小，脱冰跳跃下导地线间的接近闪络是薄弱环节，因此，有必要对水平耐张塔地线支架高度的取值开展研究。1 线路基本参数以某 1 000 kV 特高压重冰区线路为例，导线采用 8JLHA2/G3A500/45 钢芯铝合金绞线，分裂间距 400 mm，地线采用 JLB20A240铝包钢绞线。导线最大使用张力安全系数为3.0，地线最大使用张力安全系数为 3.5。设计大风为27 m，设计覆冰为 30 mm。导地线特性参数表见表1所列，设计气象条件的组合表见表2所列，空气间隙取值见表 3 所列2。表1 导地线特性参数表导线型号计算截面积/mm2外径/mm单位质量/(kg/km)额定拉断力/N弹性模量/(N/mm2)线膨胀系数10-6/(1/)JLHA2/G3A-500/45532301 687204 90065 90020.3JLB20A-240238.76201601.8288 900 153 90013表2 重冰区设计气象条件的组合表工况组合气温/风速/(m/s)覆冰/mm最低气温工况-1500年平均气温工况1500设计风速工况-5270设计冰厚工况-51530最高气温工况4000安装工况-10100大气过电压工况15100操作过电压工况1516.10表3 单回线路空气间隙推荐值工况组合绝缘子串悬挂方式空气间隙/m工频电压工况V串2.9操作过电压工况中相V串7.2(8.0)边相V串6.3带电作业工况V串6.7注：括号内数值为对上横担最小间隙值。跳线间隙考虑1.1倍系数。根据规程要求，山区单回路耐张塔地线对边相导线防雷保护角不宜大于-4，对跳线防雷保护角不宜大于 0，30mm 冰区导地线水平位移不小于 4.5 m。根据以上基本参数和杆塔设计基本原则，绘制杆塔间隙圆，确定导地线水平布置尺寸。绘制出的塔头布置如图 1 所示，其中 H 就是本文需要研究取值的地线支架高度。25100251003320033200R6930R6930R6930R6930R7920R7920R7920R7920R8800R8800R880075,075,075,0H1060023685t注：尺寸单位为mm图1 水平耐张塔塔头布置2 地线支架高度取值塔头地线支架高度 H 需要满足三个要求，一是满足地线表面最大电场强度的要求，二是满足地线对导线防雷保护范围的要求，三是满足脱冰跳跃的要求。2.1 地线表面电场强度2.1.1 电线临界起晕电场强度参考 电力工程高压送电线路设计手册3，导地线之间的垂直距离应满足地线表面最大电场强度 Em不超过临界起晕电场强度 E0的 80%的规定，即 Em/E0 80%。根据试验数据确立的皮克公式，对同轴圆筒及平行导线，电线临界起晕电场强度 E0计算公式见式(1)。E0=3.03m2/3(1+0.3/r)(1)式中：m 为电线表面系数，对于绞线一般可取0.82；r 为电线半径，cm。式(1)中，相对空气密度 计算见式(2)。tp+=-273102895(2)式中：为相对空气密度；p 为气压，Pa；t 为151000kV 特高压 30mm 重冰区水平耐张塔地线支架高度取值研究http:/ 电网设计第7期 气温，。当 p=101.325103 Pa，t=20时，=1。2.1.2 电线表面最大电场强度1 000 kV 单回路线路由三相导线和两根地线组成，等效看作 5 根电线，三相导线定义为电线 1 电线 3，两根地线定义为电线 4 和电线 5，电线 1 电线 3 的电压为最大相电压，相位差120，电线 4 和电线 5 的电压和相位均为 0。根据麦克斯韦方程，可以得出式(3)。iu iijqa=(3)式中：iu为对地电压矩阵，kV；ij为电位系数矩阵，F/m；iq为等效电荷矩阵，C/m。电位系数矩阵由电线尺寸、电线平均高度和塔头尺寸确定：aii=1 ln 2hireq 20 (4)aij=1 ln d2ij+(hi+hj)2dij 20 (5)式中：hi为电线 i 的平均高度，m；hj为电线 j的平均高度，m；dij为电线 i 至电线 j 的水平距离，m；req为电线的几何等效半径，m。参考电力工程高压送电线路设计手册，计算电线表面场强的计算方法主要采用马克特-门得尔法。就高压线路而言，电线之间及电线对地面的距离通常比电线直径大得多。因此，认为到电线上电荷位于电线中心的近似方法是实用的。电线表面最大电场强度 Em见式(6)。Em=1.05 2 qi 1+2(n-1)riS sinn10-1520 nri3(6)式 中：0为 空 气 介 电 常 数，0=1/(36109)=8.84210-12；qi为电线等效电荷，C/m；ri为电线半经，m；n 为电线分裂根数；S 为电线分裂间距，m。通过式(3)式(5)，可以求出每根电线的等效电荷 qi，代入式(6)，求出每根电线的电线表面最大电场强度 Em。2.1.3 电线表面最大电场强度通过以上计算，得出不同地线支架高度下地线表面电场强度比值见表 4 所列。表4 不同地线支架高度下地线表面电场强度比值地线支架高度/mEm/E0(%)570666.3762.9从表 4 可以看出，地线支架高度不小于5 m 时，地线表面电场强度均不大于起晕场强的 70%，满足规范要求。2.2 地线防雷保护范围根 据 GB 5066520111 000 kV 架 空 输电线路设计规范，杆塔上两根地线之间的距离，不宜超过地线与导线间垂直距离的 5 倍。根据防雷保护角要求塔头布置，两根地线间的水平距离为 50 m，地线支架高度不应低于50/5=10 m。另外，由于特高压杆塔两根地线水平间距较大，还需校核两根地线是否能联合保护中相导线。根据 GB/T 500642014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 4，杆塔顶部的两根地线支架可以等同两根避雷针，因此，两根等高避雷线的保护范围如图 2 所示。地线1地线2hD/5.5Ph00D图2 两根等高避雷线的保护范围参考 GB/T 500642014交流电气装置的过电压保护和绝缘配合,两避雷线间各横截面的保护范围应由通过两避雷线及保护范围边缘最低点 O 的圆弧确定。O 点的高度按下式计算：h0=h-D/(4P)(7)式中：h0为两避雷线间保护范围上部边缘最低点的高度，m；D 为两避雷线间的距离，m；h 为避雷线的高度，m；P 为高度影响系数，h 30 m，P=1；30 m h 120 m，P=5.5/h；h 120 m，P=0.5。为满足两根等高避雷线可以联合保护中相导线，要求 h0必须大于中相导线对地高度。16http:/电 力 勘 测 设 计第7期根据杆塔规划成果，水平耐张塔呼高范围是60 72 m，计算地线支架取 16 m 时，不同呼高下，两根地线对中相导线的联合防雷保护情况，见表 5 所列。表5 30 mm冰区水平耐张塔中相导线防雷保护计算结果呼高/m地线支架高度/m地线高/m地线间距/m高度系数保护高度/m是否满足要求60167649.60.63161.71满足63167949.60.61964.43满足66168249.60.60767.15满足69168549.60.59769.88满足72168849.60.58672.62满足根据防雷保护范围计算结果，当 30 mm 水平耐张塔最高呼高为 72 m 时，地线支架高度取16 m，两根地线对中相导线的防雷保护刚好满足要求。因此，为了中相导线满足防雷保护要求，30 mm 水平耐张塔地线支架高度不小于 16 m。2.3 脱冰跳跃计算分析由于自然脱冰具有偶然性，难以长期连续自动监测，目前国内大多使用计算机模拟手段，采用非线性有限元分析方法计算导线的脱冰跳跃幅度。由于输电线路外部覆冰环境的复杂性，计算机模型很难准确模拟输电线路脱冰时的实际情况，为此，有关科研院所开展导线脱冰跳跃真型试验，对模拟导线脱冰进行跳跃试验研究，测量各种典型工况下导线跳跃幅度、导线跳跃频率和导线张力变化，为脱冰跳跃计算提供重要的参考依据。脱冰跳跃试验采用重物释放的办法来模拟导线脱冰，通过模拟各种工况导线脱冰情况，测量出导线跳跃幅度以及导线张力变化等物理量，分析最严重的脱冰工况，为线路设计和脱冰跳跃计算的理论模型提供依据。脱冰跳跃档距组合按连续多档考虑，中间一档导线脱冰，两侧导地线未脱冰，导地线覆冰厚度相同，脱冰率重冰区取 80%。根据试验结果，得出导线脱冰跳跃高度公式如下：Hc=0.9f(2-L/1 000)(8)式中：Hc为导线脱冰跳跃高度，m；f 为脱冰前后导线弧垂差，m；L 为脱冰档距，m。假定连续五档六塔的耐张段作为计算模型，如图 3 所示，其中 1#和 6#杆塔为耐张塔，其他塔为直线塔，耐张塔采用水平耐张塔，地线支架高度为 16 m。脱冰档1#2#3#4#5#6#图3 连续五档脱冰跳跃导线模型假设初始情况下导地线覆冰厚度相同，均为 30 mm，1#耐张塔相邻的第一档导线发生脱冰，其他档不脱冰，脱冰气温取 0，脱冰风速取 10 m/s，脱冰率取 80%。根据设计规程要求，脱冰跳跃情况下，导线与地线动态校验距离为应满足工频电压间隙 2.9 m+分裂圆半径 0.5 m=3.4 m，导线与地线静态校验距离应满足操作过电压间隙 6.3 m+分裂圆半径0.5 m=6.8 m。根据导地线应力状态方程5以及不平衡张力的计算公式6-8，可以求出脱冰前和脱冰后导地线弧垂值，再利用导线脱冰跳跃高度公式，可以分别计算不同脱冰档距下的导地线静态和动态接近距离，结果见表 6 所列。表6 不同脱冰档距下的导地线静态和动态接近距离m脱冰档距静态接近距离动态接近距离50011.15.885509.914.66008.963.826508.383.677008.313.6从表 6 可以看出，当脱冰档距达到 700 m时，导地线动态接近距离最小为 3.6 m，大于工频电压间隙 3.4 m 的要求值，导地线静态接近距离最小为 8.31 m，大于操作过电压间隙 6.8 m的要求值。3 结论通过对地线表面最大电场强度、防雷保护范围、脱冰跳跃三方面开展计算研究，地线支架(下转第22页)22http:/电 力 勘 测 设 计第7期下坚实基础；2)从多维度、全业态角度出发，全面分析智能输电的综合经济效益，形成有效的量化评估方法和机制；3)强化科技创新的引领作用，以业务需求为导向，持续开展创新研究，不断丰富智能输电业务模式。参考文献1 王庆红.智能电网研究综述J.广西电力，2009，32(6)：1-6.2 杨宇全，杨磊.智能电网发展研究综述J.高科技与产业化，2012(5)：52-55.3 刘雪锋，尹泓江，李阳斌，等.输电线路在线监测管理平台设计与系统开发J.电子制作，2020(22)：83-84.4 刘雪锋，王耀平，杨金海，等.输电线路在线监测装置研制及其通信组网应用J.电子制作，2020(21)：91-92.5 马小敏，王超，袁志，等.基于气象参数聚类分析的高原地区输电线路在线监测装置电源选择J.四川电力技术，2020，43(5)：5-10.6 李德海，何红太.低温环境输电线路在线监测装置可靠性分析及提升J.黑龙江电力，2020，42(3)：224-228.7 梁兴，严居斌，尹磊.基于红外图像的输电线路故障识别J.电测与仪表，2019，56(24)：99-103.8 宋亮亮，杨毅，范栋琛，等.基于改进学习矢量量化神经网络输电线路故障识别技术J.科学技术与工程，2021，21(2)：583-590.9 卢志博.基于深度学习的输电线路部件检测与故障识别研究D.太原：太原理工大学，2020.10 王海强.高压输电线路重要部件典型故障特征融合与识别算法研究D.呼和浩特：内蒙古工业大学，2021.11 陈柏元.电力输电线路故障分类方法及其应用研 究D.重庆：重庆理工大学，2018.12 张慧莹.输电线路绝缘子识别与故障状态检测技术研究D.西安：西安工程大学，2018.(编辑 魏俊)(上接第16页)高度主要受防雷保护和脱冰跳跃控制，结论如下：1)地线支架高度不小于 5 m 时，地线表面电场强度均不大于起晕场强的 70%，满足地线表面最大电场强度 Em不超过临界起晕电场强度 E0的 80%的要求；2)地线支架高度为 16 m，杆塔呼高72 m 时，两根地线对中相导线的防雷保护刚好满足要求；3)当脱冰档距达到 700 m 时，水平耐张塔地线支架高度为 16 m 时，导地线动态接近距离最小为 3.6 m，导地线静态接近距离最小为 8.31 m，导地线动态和静态接近距离满足间隙距离要求。综上所述，建议 30 mm 重冰区水平耐张塔地线支架高度取 16 m。参考文献1 陆佳政，蒋正龙，张红先，等.湖南电网2008年冰灾技术分析J.湖南电力，2008，28(3)：1-9.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.1 000 kV架空输电线路设计规范：GB 506652011S.北京：中国计划出版社，2011.3 张殿生.电力工程高压送电线路设计手册M.北京：中国电力出版社，2002.4 中华人民共和国住房和城乡建设部.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范：GB/T 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