重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種重冰區輸電線路設計方法，解決現有技術中在重冰區不能采用同塔雙回路設計的技術問題。其包括：利用有限元分析軟件建立塔線耦合模型；驗證塔線耦合模型的正確性；利用塔線耦合模型模擬不同脫冰工況下導線脫冰跳躍動態過程，總結出脫冰過程中重冰區輸電線路脫冰動力響應規律；確定重冰區同塔雙回路線路路徑選擇原則；確定重冰區同塔雙回路桿塔的荷載組合原則；重冰區同塔雙回路桿塔荷載計算方法。采用本發明的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法設計輸電線路，可以為重冰區節約大量的路徑走廊，減少工程建設占地，減少林木砍伐量、減小輸電線路對生態環境的影響。
【專利說明】重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及輸電線路設計領域，尤其涉及一種重冰區輸電線路設計方法。

【背景技術】
[0002] 我國西南地區為水電資源富集地，是重要的清潔能源基地，受地理條件限制，大批 梯級水電站主要集中在第一和第二階梯交界地帶，電站直接或間接采用500kV電力線路翻 越崇山峻嶺后送至交流特高壓變電站或直流特高壓換流站。這些500kV電力線路所經區域 的特點主要表現在：第一，海拔高，覆冰重，交通差，地形地質條件復雜，冰雪災害頻發，受外 部環境限制，線路按重冰條件設計的情況很普遍；第二，絕大多數地區屬于少數民族地區， 且自然保護區和風景名勝區多，人文社會環境復雜。隨著水電輸出線路的增多，往往在同一 電力輸送通道內需架設多回線路，線路走廊資源日漸稀缺，以至于傳統上采用單回路架設 的高海拔、重覆冰線路也有了采用同塔雙回路架設的要求。
[0003] 重冰區輸電線路融冰脫落時往往會引起導線的上下振動，這一現象稱為冰跳。由 于無法準確把握不同工況下導線脫冰動力響應規律，從而缺乏重冰區同塔雙回線路設計的 方法，因而在重冰區采用同塔雙回路架設方式在國內外尚無先例。近年來，國內外學者通過 模擬試驗和數值分析等方法對導線脫冰動力響應進行了大量研究，但其研究模型均采用忽 略導線抗彎和抗扭剛度的3自由度桿系簡化模型，且多數未考慮桿塔約束的影響，其研究 方法和思路雖然為系統地把握導線脫冰動力響應規律進行了有益的探索，但由于其研究結 論多數只給出了部分定性的結論，對于工程應用還有一定距離。
[0004] 目前，我國輸電鐵塔設計中主要遵循的規程規范為GB50545-2010《110kV?750kV 架空輸電線路設計規范》和DL/T5440-2009《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》。其中， 《110kV?750kV架空輸電線路設計規范》提出對輸電線路設計工作的基本原則，《重覆冰架 空輸電線路設計技術規程》則適用于同塔單回路重冰區架空輸電線路設計和同塔單、雙回 路中冰區架空輸電線路設計。


【發明內容】

[0005] 本發明所要解決的技術問題是提供一種重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，解 決現有技術中在重冰區不能采用同塔雙回路設計的技術問題。
[0006] 《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》的附錄A-規程的用詞說明部分明確記載：
[0007] A. 0. 1為便于在執行本標準條文時區別對待，對要求嚴格程度不同的用詞說明如 下：
[0008] 1、表示很嚴格，非這樣做不可得用詞：正面詞采用"必須"，反面詞采用"嚴禁"。
[0009] 2、表示嚴格，在正常情況下均應這樣做的用詞：正面詞采用"應"，反面詞采用"不 應"或"不得"。
[0010] 3、表示允許稍有選擇，在條件許可時首先應該這樣做的用詞：正面詞采用"宜"，反 面詞采用"不宜"。
[0011] 4、表示有選擇，在一定條件下可以這樣做的用詞：采用"可"。
[0012] 因此，本發明中的用詞也遵循上述《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》的附錄 A-規程的用詞說明。
[0013] 本發明解決其技術問題所采用的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，包括：
[0014] A.利用有限元分析軟件建立包括鐵塔、導地線、絕緣子串、間隔棒、覆冰荷載、脫冰 荷載、風荷載和同時氣溫在內的多檔精細化塔線耦合模型；
[0015] B.利用步驟A建立的塔線耦合模型，得到導地線在覆冰荷載、脫冰荷載、風荷載和 同時氣溫組合工況作用下的靜力平衡狀態，與理論計算值進行對比，驗證塔線耦合模型的 正確性；
[0016] C.確定塔線耦合模型正確后，利用步驟A建立的塔線耦合模型，分別模擬不同脫 冰工況下導線脫冰跳躍動態過程，總結出脫冰過程中重冰區輸電線路脫冰動力響應規律：
[0017] C1.冰跳高度和橫擺距離規律：
[0018] (1)導線的冰跳高度正比于覆冰厚度、連續檔數、檔距和脫冰率，反比于導線截面 積；
[0019] (2)導線脫冰時的橫擺距離正比于覆冰厚度、連續檔數、風速、水平檔距和脫冰率， 反比于導線截面積，且采用V型絕緣子串比采用I型絕緣子串的橫擺距離大；
[0020] C2.桿塔動力荷載變化規律：
[0021] (1)脫冰過程中連續檔內直線塔和耐張塔沿線路方向的荷載均小于按《重覆冰架 空輸電線路設計技術規程》計算得出的靜力標準荷載，且其不平衡張力隨檔距差增大而增 大；
[0022] (2)脫冰過程中直線塔和耐張塔水平方向和垂直方向的荷載均大于按《重覆冰架 空輸電線路設計技術規程》計算得出的靜力標準荷載；
[0023] (3)對于兩側均為非連續檔的耐張塔，其不平衡張力按《重覆冰架空輸電線路設計 技術規程》中最大使用張力的百分數計算得出靜力標準荷載后，再按《重覆冰架空輸電線路 設計技術規程》中規定的相應脫冰率進行驗算，從計算得出的靜力標準荷載與驗算值中取 大值；
[0024] D.在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙 回路線路路徑選擇原則，包括：
[0025] (1)重冰區線路連續檔數不宜超過5檔，耐張段長度不宜超過3km ;
[0026] (2)重冰區線路連續檔檔距不宜超過500m，對代表檔距小于200m的耐張塔按照 《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中規定的覆冰率進行不均勻冰張力差校驗；
[0027] (3)重冰區與輕冰區分界時，重冰區向輕冰區延伸1至3檔，或采用中冰區進行過 渡；
[0028] E.在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙 回路桿塔的荷載組合原則：重冰區同塔雙回路桿塔的荷載組合應不低于輕、中冰區同塔雙 回路桿塔的荷載組合，同時桿塔荷載取值應不低于《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中 對同塔單回路的規定；
[0029] F.在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙 回路桿塔荷載計算方法：
[0030] 計算線路正常運行情況下、覆冰斷線情況下、不均勻覆冰情況下的桿塔荷載，其 中，荷載組合工況包括：
[0031] (1)正常運行情況：
[0032] a.基本風速、無冰、未斷線，其中，包括最小垂直荷載和最大水平荷載組合；
[0033] b.最大覆冰、相應風速及氣溫、未斷線；
[0034] c.終端或轉角桿塔：最低氣溫、無冰、無風、未斷線；
[0035] (2)覆冰斷線情況：按斷線、_5°C覆冰同時氣溫、有冰、無風荷載計算：
[0036] a.懸垂桿塔：同一檔內，單導線斷任意兩相導線或分裂導線任意兩相導線有縱向 不平衡張力；同一檔內，斷一根地線，單導線斷任意一相導線或分裂導線任意一相導線有縱 向不平衡張力；
[0037] b.耐張桿塔：同一檔內，斷任意兩相導線、地線未斷；同一檔內，斷任意一根地線 和任意一相導線；
[0038] (3)不均勻覆冰情況：按未斷線、_5°C覆冰同時氣溫、有不均勻冰、同時風速10m/s 計算：
[0039] a.所有導、地線同時同向有不平衡張力，使桿塔承受最大彎矩；
[0040] b.所有導、地線同時不同向有不平衡張力，使桿塔承受最大扭矩。
[0041] 進一步的，還包括重冰區同塔雙回路塔型選擇方法：重冰區同塔雙回路塔型采用 垂直排列型式。
[0042] 進一步的，還包括重冰區同塔雙回路塔頭選擇方法：垂直排列直線塔的塔頭采用 VIV型布置。
[0043] 進一步的，還包括垂直排列的重冰區同塔雙回路塔頭尺寸設計方法：塔頭尺寸由 間隙圓、相鄰兩層線間最小水平偏移距離L、相鄰兩層線間最小垂直距離Η和防雷保護角共 同控制。
[0044] 進一步的，相鄰兩層線間最小垂直距離Η >上層線均勻冰靜態弧垂-下層線不均 勻冰靜態弧垂+操作過電壓間隙值；相鄰兩層線間最小水平偏移距離L >工頻電壓間隙值 +組合導線半徑r+導線脫冰跳躍過程中最大橫擺距離。
[0045] 進一步的，所述下層線不均勻冰靜態弧垂：在110kV?220kV重冰區輸電線路中按 照中間檔脫冰率>設計冰重的60%，其余檔導線不脫冰狀態計算；在330kV及以上重冰區 輸電線路中按照中間檔脫冰率>設計冰重的80%，其余檔導線不脫冰狀態計算；所述上層 線均勻冰靜態弧垂：所述上層線為導線時按照設計冰重的80%覆冰狀態計算；所述上層線 為地線時按照設計冰重的100%覆冰狀態計算。
[0046] 進一步的，在微地形微氣象區進行極端氣象條件驗算，根據驗算結果加強導地線 懸掛系統和桿塔結構強度。
[0047] 進一步的，重冰區同塔雙回路鐵塔結構安全等級確定為一級，結構重要性系數取 1. 1。
[0048] 本發明的有益效果是：本發明公開了一種重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法， 解決了現有技術中在重冰區不能采用同塔雙回路設計的技術問題。采用本發明的重冰區同 塔雙回路輸電線路設計方法設計輸電線路，可以為重冰區節約大量的路徑走廊，減少工程 建設占地，減少林木砍伐量、減小輸電線路對生態環境的影響。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0049] 圖1是采用本發明的設計方法設計的同塔雙回路VIV直線塔結構示意圖；
[0050] 圖中標示：1-塔體，21-上橫擔,22-中橫擔,23-下橫擔,24-地線支架，31-上絕緣 串子，32-中絕緣串子，33-下絕緣串子，34-地線夾子，H-相鄰兩層線間最小垂直距離，L-相 鄰兩層線間最小水平偏移距離，r-組合導線半徑。

【具體實施方式】
[0051] 下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0052] 本發明的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，包括：
[0053] -、確定重冰區同塔雙回路線路路徑選擇原則：
[0054] A.確定輸電線路各元件和各種荷載的數值模型，利用有限元分析軟件建立包括 鐵塔、導地線、絕緣子串、間隔棒、覆冰荷載、脫冰荷載、風荷載和同時氣溫在內的多檔精細 化塔線耦合模型；所述有限元分析軟件是指基于有限元分析算法編制的軟件，根據軟件 的適用范圍，可以分為專業有限元軟件和大型通用有限元軟件，常見通用有限元軟件包括 LUSAS、Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、FEPG 等等，在本實施例中采用Ansys軟件；
[0055] B.利用步驟A建立的塔線耦合模型，得到導地線在覆冰荷載、脫冰荷載、風荷載和 同時氣溫組合工況作用下的靜力平衡狀態，與理論計算值進行對比，驗證塔線耦合模型的 正確性；由于靜力平衡驗證是進行動態仿真的基礎和前提，而鐵塔、絕緣子串、間隔棒與導 地線連接成一體，工況的變化最終都體現在導地線的弧垂變化，因此通過驗證導地線在各 種荷載工況作用下的靜力平衡狀態就能驗證整個塔線耦合模型的正確性；
[0056] C.確定塔線耦合模型正確后，利用步驟A建立的塔線耦合模型，分別模擬不同脫 冰工況下導線脫冰跳躍動態過程，總結出脫冰過程中重冰區輸電線路脫冰動力響應規律：
[0057] C1.冰跳高度和橫擺距離規律：
[0058] (1)導線的冰跳高度正比于覆冰厚度、連續檔數、檔距和脫冰率，反比于導線截面 積；
[0059] (2)導線脫冰時的橫擺距離正比于覆冰厚度、連續檔數、風速、水平檔距和脫冰率， 反比于導線截面積，且采用V型絕緣子串比采用I型絕緣子串的橫擺距離大；
[0060] C2.桿塔動力荷載變化規律：
[0061] (1)脫冰過程中連續檔內直線塔和耐張塔沿線路方向的荷載均小于按《重覆冰架 空輸電線路設計技術規程》計算得出的靜力標準荷載，且其不平衡張力隨檔距差增大而增 大；
[0062] (2)脫冰過程中直線塔和耐張塔水平方向和垂直方向的荷載均大于按《重覆冰架 空輸電線路設計技術規程》計算得出的靜力標準荷載；
[0063] (3)對于兩側均為非連續檔的耐張塔，其不平衡張力按《重覆冰架空輸電線路設計 技術規程》中最大使用張力的百分數計算得出靜力標準荷載后，再按《重覆冰架空輸電線路 設計技術規程》中規定的相應脫冰率進行驗算，從計算得出的靜力標準荷載與驗算值中取 大值；
[0064] D.在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙 回路線路路徑選擇原則，包括：
[0065] (1)由于重冰區脫冰跳躍高度和橫擺距離均正比于連續檔數，因此重冰區線路連 續檔數不宜超過5檔，耐張段長度不宜超過3km ;
[0066] (2)由于重冰區線路脫冰跳躍高度正比于檔距，橫擺距離正比于水平檔距，不平 衡張力隨桿塔兩側檔距差增大而增大，因此重冰區線路連續檔檔距不宜超過500m，對代表 檔距小于200m的耐張塔按照《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中規定的覆冰率進行不 均勻冰張力差校驗；
[0067] (3)由于冰區分界為線路薄弱環節，因此重冰區與輕冰區分界時，重冰區向輕冰區 延伸1至3檔，或采用中冰區進行過渡；
[0068] E.在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙 回路桿塔的荷載組合原則：重冰區同塔雙回路桿塔的荷載組合應不低于輕、中冰區同塔雙 回路桿塔的荷載組合，同時桿塔荷載取值應不低于《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中 對同塔單回路的規定；
[0069] F.在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，重冰區同塔雙回路 桿塔荷載計算方法：
[0070] 計算線路正常運行情況下、覆冰斷線情況下、不均勻覆冰情況下的荷載組合，其 中，荷載組合工況包括：
[0071] (1)正常運行情況：
[0072] a.基本風速、無冰、未斷線，其中，包括最小垂直荷載和最大水平荷載組合；
[0073] b.最大覆冰、相應風速及氣溫、未斷線；
[0074] c.終端或轉角桿塔：最低氣溫、無冰、無風、未斷線；
[0075] (2)覆冰斷線情況：按斷線、_5°C覆冰同時氣溫、有冰、無風荷載計算：
[0076] a.懸垂桿塔：同一檔內，單導線斷任意兩相導線或分裂導線任意兩相導線有縱向 不平衡張力；同一檔內，斷一根地線，單導線斷任意一相導線或分裂導線任意一相導線有縱 向不平衡張力；
[0077] b.耐張桿塔：同一檔內，斷任意兩相導線、地線未斷；同一檔內，斷任意一根地線 和任意一相導線；
[0078] (3)不均勻覆冰情況：按未斷線、_5°C覆冰同時氣溫、有不均勻冰、同時風速lOm/s 計算：
[0079] a.所有導、地線同時同向有不平衡張力，使桿塔承受最大彎矩；
[0080] b.所有導、地線同時不同向有不平衡張力，使桿塔承受最大扭矩。
[0081] 根據電氣性能的要求，重冰區直線塔型式可以采用水平排列、三角型排列或垂直 排列三種方式的任意一種方式。
[0082] 表1三種排列方式的塔型比較

【權利要求】
1.重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，其特征在于，包括： A. 利用有限元分析軟件建立包括鐵塔、導地線、絕緣子串、間隔棒、覆冰荷載、脫冰荷 載、風荷載和同時氣溫在內的多檔精細化塔線耦合模型； B. 利用步驟A建立的塔線耦合模型，得到導地線在覆冰荷載、脫冰荷載、風荷載和同時 氣溫組合工況作用下的靜力平衡狀態，與理論計算值進行對比，驗證塔線耦合模型的正確 性； C. 確定塔線耦合模型正確后，利用步驟A建立的塔線耦合模型，分別模擬不同脫冰工 況下導線脫冰跳躍動態過程，總結出脫冰過程中重冰區輸電線路脫冰動力響應規律： C1.冰跳高度和橫擺距離規律： (1) 導線的冰跳高度正比于覆冰厚度、連續檔數、檔距和脫冰率，反比于導線截面積； (2) 導線脫冰時的橫擺距離正比于覆冰厚度、連續檔數、風速、水平檔距和脫冰率，反比 于導線截面積，且采用V型絕緣子串比采用I型絕緣子串的橫擺距離大； C2.桿塔動力荷載變化規律： (1) 脫冰過程中連續檔內直線塔和耐張塔沿線路方向的荷載均小于按《重覆冰架空輸 電線路設計技術規程》計算得出的靜力標準荷載，且其不平衡張力隨檔距差增大而增大； (2) 脫冰過程中直線塔和耐張塔水平方向和垂直方向的荷載均大于按《重覆冰架空輸 電線路設計技術規程》計算得出的靜力標準荷載； (3) 對于兩側均為非連續檔的耐張塔，其不平衡張力按《重覆冰架空輸電線路設計技術 規程》中最大使用張力的百分數計算得出靜力標準荷載后，再按《重覆冰架空輸電線路設計 技術規程》中規定的相應脫冰率進行驗算，從計算得出的靜力標準荷載與驗算值中取大值； D. 在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙回路 線路路徑選擇原則，包括： (1) 重冰區線路連續檔數不宜超過5檔，耐張段長度不宜超過3km ; (2) 重冰區線路連續檔檔距不宜超過500m，對代表檔距小于200m的耐張塔按照《重覆 冰架空輸電線路設計技術規程》中規定的覆冰率進行不均勻冰張力差校驗； (3) 重冰區與輕冰區分界時，重冰區向輕冰區延伸1至3檔，或采用中冰區進行過渡； E. 在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙回路 桿塔的荷載組合原則：重冰區同塔雙回路桿塔的荷載組合應不低于輕、中冰區同塔雙回路 桿塔的荷載組合，同時桿塔荷載取值應不低于《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》中對同 塔單回路的規定； F. 在步驟C總結的重冰區輸電線路脫冰動力響應規律基礎上，確定重冰區同塔雙回路 桿塔荷載計算方法： 計算線路正常運行情況下、覆冰斷線情況下、不均勻覆冰情況下的桿塔荷載，其中，荷 載組合工況包括： (1) 正常運行情況： a. 基本風速、無冰、未斷線，其中，包括最小垂直荷載和最大水平荷載組合； b. 最大覆冰、相應風速及氣溫、未斷線； c. 終端或轉角桿塔：最低氣溫、無冰、無風、未斷線； (2) 覆冰斷線情況：按斷線、_5°C覆冰同時氣溫、有冰、無風荷載計算： a. 懸垂桿塔：同一檔內，單導線斷任意兩相導線或分裂導線任意兩相導線有縱向不平 衡張力；同一檔內，斷一根地線，單導線斷任意一相導線或分裂導線任意一相導線有縱向不 平衡張力； b. 耐張桿塔：同一檔內，斷任意兩相導線、地線未斷；同一檔內，斷任意一根地線和任 意一相導線； (3)不均勻覆冰情況：按未斷線、_5°C覆冰同時氣溫、有不均勻冰、同時風速lOm/s計 算： a. 所有導、地線同時同向有不平衡張力，使桿塔承受最大彎矩； b. 所有導、地線同時不同向有不平衡張力，使桿塔承受最大扭矩。
2. 如權利要求1所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，其特征在于：還包括重 冰區同塔雙回路塔型選擇方法：重冰區同塔雙回路塔型采用垂直排列型式。
3. 如權利要求2所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，其特征在于：還包括重 冰區同塔雙回路塔頭選擇方法：垂直排列直線塔的塔頭采用VIV型布置。
4. 如權利要求2或3所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，其特征在于：還包 括垂直排列的重冰區同塔雙回路塔頭尺寸設計方法：塔頭尺寸由間隙圓、相鄰兩層線間最 小水平偏移距離L、相鄰兩層線間最小垂直距離Η和防雷保護角共同控制。
5. 如權利要求4所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，其特征在于：相鄰兩層 線間最小垂直距離Η >上層線均勻冰靜態弧垂-下層線不均勻冰靜態弧垂+操作過電壓間 隙值；相鄰兩層線間最小水平偏移距離L >工頻電壓間隙值+組合導線半徑r+導線脫冰跳 躍過程中最大橫擺距離。
6. 如權利要求5所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設計方法，其特征在于：所述下層 線不均勻冰靜態弧垂：在llOkV?220kV重冰區輸電線路中按照中間檔脫冰率>設計冰重 的60 %，其余檔導線不脫冰狀態計算；在330kV及以上重冰區輸電線路中按照中間檔脫冰 率>設計冰重的80%，其余檔導線不脫冰狀態計算； 所述上層線均勻冰靜態弧垂：所述上層線為導線時按照設計冰重的80%覆冰狀態計 算；所述上層線為地線時按照設計冰重的100%覆冰狀態計算。
7. 如權利要求1、2、3、5或6中任一項權利要求所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設計 方法，其特征在于：重冰區同塔雙回路線路路徑選擇原則還包括：在微地形微氣象區進行 極端氣象條件驗算，根據驗算結果加強導地線懸掛系統和桿塔結構強度。
8. 如權利要求1、2、3、5、6或7中任一項權利要求所述的重冰區同塔雙回路輸電線路設 計方法，其特征在于：重冰區同塔雙回路鐵塔結構安全等級確定為一級，結構重要性系數取 1. 1。
【文檔編號】E04H12/08GK104091032SQ201410355847
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】張馳, 張海平, 王江濤, 趙慶斌, 任德順, 賈素紅, 敬捷, 周亮 申請人:四川電力設計咨詢有限責任公司