摘要：中冰区同塔双回线路运行中暴露的问题日益突出，对中冰区输电线路的研究已成为保障电网安全、防止冰灾事故的重点。在微地形、微气象条件下，由于不均匀覆冰或导、地线发生的不同期脱冰，极可能引起导地线间或者相间电气距离不够，导致地线烧断、相间或相对地短路等严重故障。本文结合目前中冰区线路设计规范和原则，根据西南地区某实际工程，深入分析中冰区同塔双回线路在不同档距、铁塔层间距和水平位移值下发生故障的可能性，提出中冰区同塔双回线路设计校核指导原则。最后从塔型选择和导线布置方面提出改进的思路和方法。
关键词：中冰区；同塔双回线路；动态闪络；静态闪络；概率
1 中冰区概念的提出
在“中冰区”这一概念被提出之前，输电线路设计中只区分轻冰区和重冰区线路。根据实际覆冰调查结论，归结为轻冰区超过10mm冰区的线路一般采用缩小档距、增加铁塔强度等作为抗冰措施。2008年我国南方电网遭受大面积冰灾，国家电网公司及时修编、颁布了《110-750kV架空输电线路设计技术规定》（Q/GDW179-2008）、《中重冰区架空输电线路设计技术规定》（Q/GDW182-2008）等企业标准，首次提出中冰区的概念，为大于10mm小于20mm的冰区。其后，《重覆冰架空输电线路设计技术规程》（DL/T 5440-2009）电力行业标准和《110kV-750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）国家标准又相继发布，对中冰区的设计技术进行进一步完善和规范，并对中冰区的设计原则与轻冰区加以区分，主要在导、地线水平偏移、不平衡张力选取、断线张力、地线较导线增加覆冰厚度等方面作了改进。
目前对中冰区输电线路设计的研究尚不多。文献[1]根据区域电网中冰区输电线路铁塔损毁情况进行了分析，简要讨论了中冰区地线支架的设计标准。文献[2]从不平衡张力出发，深入研究了中、重冰区杆塔设计不平衡张力取值的合理性。文献[3]结合中冰区特性进行导线优化选型，并取得良好经济效益。文献[4]进行特高压交流输电线路铁塔质量计算，特别指出对中、重冰区线路需校核导地线脱冰跳跃时产生的不平衡张力的影响。现有文献通过论述和建立相应模型一定程度上提出了中冰区输电线路的设计问题，但均未揭示中冰区区别于轻冰区输电线路设计的本质问题。
本文通过研究在轻、中冰区中常使用的同塔双回输电线路，揭示影响中冰区同塔双回线路安全的因素，分析其中的本质原因并建立相应的概率模型，用概率描述中冰区同塔双回线路在相应条件下发生故障的可能性，最后根据仿真结果提出降低故障风险的措施，为中冰区线路设计提供参考。
2 闪络概率模型
根据中冰区线路常见的动态闪络和静态闪络现象，分别建立动态和静态概率模型。动态闪络概率模型考虑中冰区同塔双回路线路中相导线脱冰跳跃与重覆冰的地线发生闪络。静态闪络概率模型考虑中冰区同塔双回线路上相导线完全脱冰而地线全覆冰的情况。
脱冰跳跃高度[5]简化计算公式为：
（1）
式中：
y—冰跳高度
ω—脱冰率
γ—与导线型号和覆冰厚度有关的系数
Δ—导线覆冰前后弧垂差
η—档距修正系数，η=0.06*(l-500)/100，其中l为档距
脱冰跳跃时导线横摆距离的简化计算公式为：
（2）
式中：B—导线横摆距离
V—风速
l—档距
μ, τ—系数，与导线型号与绝缘子形状有关
根据实际情况建立导地线档距中央发生动态闪络和静态闪络的概率简化模型，如式(3)。
（3）
其中，p表示闪络概率，D表示导地线的净空距离，S外表示大气过电压间隙，S工表示工频过电压间隙。
动态间隙Dd计算公式如下：
（4）
其中，∆f表示导地线弧垂差，H表示导地线垂直间距，L表示导地线水平偏移，y表示脱冰跳跃高度，B表示脱冰跳跃时的横摆距离，r表示组合导线半径。
H与L与铁塔型式和导线布置型式有关，而B和y与气象条件和导地线类型有关。
静态间隙Ds计算公式如下：
（5）
其中，∆h表示连续档不均匀覆冰引起的弧垂增大值，受连续档档距、高差和不平衡张力等影响，具体计算方法参见文献[6]。
3 算例仿真
本文以中国西部某500kV线路新建工程为基础，建立算例模型。
在相应计算条件下，中冰区同塔双回线路中相导线脱冰跳跃与地线发生动态闪络概率随档距变化的趋势如图1所示，不覆冰上相导线与全覆冰地线的静态闪络概率随档距变化的趋势如图2所示。
图1 中相导线脱冰跳跃与地线发生动态闪络概率随档距变化的趋势图
图2 上相导线与全覆冰地线的静态闪络概率随档距变化趋势图
从图1可知，档距越大，中相导线脱冰跳跃与地线发生动态闪络的概率也越大，这是因为导线脱冰跳跃高度和横摆距离与档距成正比，另外地线下垂也更严重，与导线之间的距离也越来越短。
从图2可知，在不考虑导地线摇摆的情况下，档距越大，上相导线与全覆冰地线的静态闪络概率越大，也是由于地线下垂幅度比导线更大，另外当档距大于某一值时，闪络概率就不受档距影响，因为此时导地线垂直距离已非常接近，地线的弧垂最低点甚至可能在导线的下方，水平偏移值成为主要控制因素。
4 改进的方法
4.1 采用单回路
单回路铁塔的导线可采用水平排列，有利于通过调整地线支架来增加导地线的垂直间距和水平偏移值，而又可以兼顾导地线保护角。重冰区一般采用单回路输电来降低塔身高度，增大间隙，减少不平衡张力对塔基和塔身的冲击。在投资允许和线路走廊资源宽余情况下，中冰区应首先考虑也采用单回路输电线路。
4.2 地线选型
图3和图4分别为地线采用GJ-100和GJ-120时动态和静态闪络概率的变化趋势对比。
图3 不同地线配合时动态闪络概率变化趋势对比 图4不同地线配合时静态闪络概率变化趋势对比
从图3和图4可知，使用更大截面、外径和额定拉断力的地线，会使静态和动态闪络的概率明显改善，档距使用范围也大幅度增加，直接原因是由于地线弧垂特性更好。
4.3 增大导地线间距
图5和图6分别为相应增大垂直间距和水平间距时动态和静态闪络概率的变化趋势对比。
图5 导地线垂直间距对动态闪络概率趋势影响对比 图6导地线垂直间距和水平间距对静态闪络概率趋势影响对比
从图5可知，增加导地线垂直间距可有效降低动态闪络概率，但通过与图4对比发生，垂直间距增加15%对动态闪络的改善效果相当于将地线更换为GJ-120。因此，在工程应用中，应根据中冰区塔型、塔高和塔数等实际情况，兼顾工程经济效益，采取更合理措施降低闪络风险。
从图6可知，增加导地线垂直间距和水平间距均能相应降低静态闪络风险，但增加上相导线与地线的水平偏移值对静态闪络概率的改善效果比增加垂直间距更明显，经济性也更好。由于导地线水平偏移值受导地线保护角的限制，在工程应用中，应根据实际参数，确定出水平偏移值和保护角的最佳组合。
4.4 限制档距
图7表示不同的连续档不均匀覆冰引起的弧垂增大值对静态闪络概率的影响。结果显示，导线被抬高越多，在越小的档距情况下就越可能与地线发生静态闪络。综合以上分析可知，根据本文提供概率评估方法，可根据导地线型号和气象条件等参数计算得出中冰区最大使用档距来保证导地线安全运行。
图7连续档不均匀覆冰引起的弧垂增大值对静态闪络概率的影响
5 结论
本文根据中冰区同塔双回线路运行暴露的问题，从轻、中、重三类冰区现行的设计技术规范出发，分析中冰区同塔双回线路存在的本质问题。考虑输电线路设计中的各种影响因素，利用概率刻画导地线发生闪络可能性，分别建立导地线动态闪络和静态闪络的概率模型，并根据某实际工程，深入分析了不同档距、导地线间距对闪络可能性的影响。基于算例结果，提出改进的四点措施，即：中冰区采用单回路；地线升级；增大导地线间距；限制档距，并提出应根据工程实际特性选择更为经济合理的措施。本文提出的方法可根据不同的工程特性为中冰区线路的设计和校核提供建议。
参考文献：
[1]高红良,陶启良,张绍良.中冰区输电线路地线支架设计浅见[J]. 云南电力技术, 2010, 38(3): 80-82.
[2]史巍,黎燕霞,孙自堂.中、重冰区直线杆塔静态不平衡张力分析[J].华中电力,2011,24(2):6-10.
[3]饶玉凡.中冰区输电线路新型节能导线应用分析[J].电气应用, 2014,31(3):85-89.
[4]杨博,李陶波,杨茂亭,等.特高压交流输电线路铁塔质量计算[J].华中建设,2014,35(6):106-111.
[5]张海平,张驰,王江涛,等.20mm重冰区500kV同塔双回输电线路设计[J].电网技术,2015,39(1):123-129.
[6]张殿生.电工程高压送电线路设计手册[M].北京：中国电力出版社, 2002.
作者简介：
田峻(1971-)，男，土家族，高级工程师，硕士，主要从事电网规划、输电线路设计工作。
论文作者:田峻
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：地线论文; 导线论文; 线路论文; 概率论文; 静态论文; 间距论文; 动态论文; 《电力设备》2017年第33期论文;