关键词:高压输电线路;覆冰模型;断线冲击;可靠性;模型实验
我国是高压输电线路覆冰较严重的国家之一，高压输电线路，由于档距高差较大、铁塔高柔等特点，线路覆冰对其影响比较严重，同时，输电线路的电压等级较高，载流量较大，线路破坏造成的经济损失巨大。
一、输电线路运行现状
1.电力输电线路扫障困难。电力系统的高压和超高压输电线路都是大跨距的输送,线路杆塔多,面广,线长,沿途跨经高山、林区和农村居民区,通道情况复杂。特别是早期建设的输电线路,主要考虑节省基建投资和当时技术政策等影响因素,所以其建设标准较低,按当时的安全裕度来考虑,使线路杆塔普遍偏低,往往无法满足树木自然生长高度的安全要求,给电力系统输电线路的安全运行带来了极大的影响。此外,随着居民经济观念的提高、<森林法>法律意识的增强,这在一定程度上加大了扫障工作的难度。虽然在新建线路时进行了一次性补偿,经多年运作林竹又长起来了,还需再次补偿。
2.输电线单相电接地故障、断路、短路故障。当输电线路由于受到恶劣的环境的影响,很容易形成单相接地的故障,这也是最常见的输电线路故障类型。单相接地故障的出现将会使相电压变瞬间变为零,容易使输电线路线路的电压超过设备的耐压限度而造成设备地烧毁。输电的设备如果出现了故障,却没有得到处理,将会造成高压线路温度突然升高,造成整个输电线路出现短路现象。当输电线路出现断路故障时,通常是指输电线路的导线损坏导致供电回路发生故障。在断电线路的断路点产生间隙,产生巨大的电弧,使得导线断裂处温度急剧上升,严重的会引起电路系统发生火灾或是爆炸。
3.输电线路跨越人口密集区。由于城市建设早期,根据我国国情设计允许220kV及以下输电线路跨越居民房屋,特别是城乡结合区输电线路跨越居民房屋的现象更是常见,但随着我国的经济发展和城镇居民经济宽裕了,人口增加了等因素,使原基地平房换上了楼房,原输电线路没有升高,但民房的高度不断增加,这样给原有电力系统输电线路的安全运行又带来了极大隐患。此外,放气球、放风筝等各项户外活动频繁,致使常常出现输电线路被异物缠绕的情况出现;在通道底下违章搭建、加盖的现象屡禁不止,这均给电路线路的安全运行带来了严重的危害。
二、存在的问题及不足
1.关于雨凇覆冰模型预测的研究。由于导线覆冰受气象、地形及地理条件、导线结构和表面电场等影响，因此目前国内外关于导线覆冰机理和模型的研究成果依然不很完善。引发导(地)线断线和倒塔的覆冰多为雨凇覆冰，尽管国内外提出了几种雨凇覆冰模型，但这些模型在预测同一气象条件下的覆冰荷载时差别较大，需对模型进行修正方可应用。没有针对规范或标准按不同的气象区给出相应的雨凇覆冰模型的确切公式。
2.覆冰断线倒塔破坏机理的研究。以往关于输电线路覆冰断线倒塔破坏机理的研究只从静力学角度出发，没有考虑断线冲击荷载的影响，并缺少理论和模型实验的验证。研究输电线路断线没有考虑导(地)线覆冰、输电塔覆冰的影响，没有充分考虑塔－线耦合。导(地)线覆冰以后，弹性模量和刚度以及导(地)线的比载都发生了变化，覆冰断线和无覆冰断线的冲击动力响应有很大的区别。输电线路断线倒塔不仅和断线冲击荷载有关，而且与输电塔本身覆冰荷载有关。
3.关于高压输电线路覆冰断线的现场实测和模型试验研究还属于空白，从国内外公开发表的研究成果来看，未见现场实测和模型试验数据的资料。
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4.关于高压输电线路覆冰断线冲击动力学的基础理论研究欠缺，没有从理论研究、试验分析和数值模拟等方面形成系统的理论研究体系。对于高压输电线路覆冰断线造成输电塔倒塔的动态全过程数值模拟的相关成果未见报道。
5.覆冰气象条件塔－线体系可靠性研究不够完善，对于重冰区而言目前输电线路覆冰可靠度设计标准是偏低的。铁塔设计是严格依据设计规范进行的，而规范是在大量资料积累的基础上，综合考虑结构安全可靠性和建设的经济性提出的，所采用的铁塔结构分析方法也限于小变形和材料线性假设的范围。
三、进一步研究的问题及解决的对策
1.输电线路雨凇覆冰模型的研究。(1)深入揭示架空导线覆冰机理、准确描述覆冰过程的增长模型，应该反映出导线结构、环境因素和气象条件对导线覆冰形式、冰形生长方式和结冰热物理过程及流体力学的耦合影响和作用机制;并能在复杂的物理和边界条件下对导线表面不同覆冰类型进行准确的模拟。(2)针对高压输电线路的雨凇覆冰模型开展理论研究，针对典型气象区，给出导(地)线雨凇覆冰模型的适用表达式，在此基础上提出常用类型的杆塔和导(地)线非均匀覆冰的力学模型，为输电线路抗冰灾设计和力学性能分析提供基础。
2．输电线路覆冰断线倒塔破坏机理的研究。(1)研究分析在重覆冰条件下输电线路杆塔的破坏特点和规律。基于大范围调研冰灾引起的输电线路杆塔破坏情况，针对各典型塔型，计算其在极端覆冰工况下的受力，找出杆塔设计的薄弱环节;研究重覆冰条件下档距与耐张段长度的确定原则及制订防止多基杆塔连环倾覆的措施;并通过模型试验验证，提出重冰区杆塔设计的合理化方案。(2)从能量角度出发构建高压输电线路覆冰导(地)线断线的能量泛函，利用变分方法建立冲击动力学方程，进而求得断线的冲击动力响应。(3)进一步通过模型试验得到导(地)线覆冰断线的冲击荷载时间历程以及冲击荷载效应;最后，利用数值模拟技术，建立高压输电塔－线体系的精细化三维有限元模型，充分考虑塔－线覆冰以及二者之间的耦合效应，研究覆冰荷载引发导(地)线瞬时断线、断线跌落过程以及与地面碰撞摩擦过程，冲击荷载对整个结构体系的作用，得到覆冰断线的动力冲击系数和冲击响应，并与试验结果进行比对，验证数值模拟结果的正确性，对导(地)线断线和输电塔倒塔的全过程进行动态数值模拟。
3.输电线路覆冰气象条件可靠性研究。输电线路覆冰可靠度评估系统。采用时变可靠度理论，考虑材料、几何尺寸、外部荷载等的变异，对于大型输电塔－线结构的极限功能函数不能用显式表达的可靠度评估问题，在已有理论的基础上，提出一种自动调整样本点取值区间策略的改进迭代求解真实极限状态曲面的方法，将可靠度理论与有限元分析相结合，编制可用于大型高压输电塔－线体系在正常使用极限状态下和承载能力极限状态的可靠度评估程序，主要评估高压输电塔－线耦联体系在不同典型气象区覆冰荷载下结构体系和可靠度与安全性，同时研究各种随机因素变异时高压输电塔－线体系可靠度的变化规律，为输电线路工程设计、安全运行、检修维护提供了科学的理论依据。
4. 也可通过导地线异物清除器采用一体式的作业工具,避免作业人员进出导地线,也避免老式作业方法存在刀片绑扎不稳掉落的情况,提高作业安全性。人员只需将清除器挂至导地线上,由地面人员操作,即可清除如：气球、鸟粪、编织袋等等异物,提高清除效率,减少停电时间。具有极大的技术优势,对于提高电力巡检部门的智能化水平和工作效率,降低安全风险和运营成本具有重要而现实的意义。
高压输电线路是电力传输的生命线工程，随着我国高压、超高压和特高压电网的建设，输电线路覆冰问题是影响电网安全运行的重要因素，覆冰事故已严重威胁了我国电力系统的安全运行，因此，高压输电线路抗冰灾问题是亟待解决的重要课题。
参考文献:
［1］蒋涛．输电线路覆冰及防护［M］．北京:中国电力出版社，2017．
［2］李健．输电线路导线覆冰的国内外研究现状［J］．高电压技术，2017，30(1):6－9．
论文作者:王红平
论文发表刊物:《中国电业》2019年16期
论文发表时间:2019/12/2
标签：线路论文; 断线论文; 高压论文; 模型论文; 荷载论文; 杆塔论文; 导线论文; 《中国电业》2019年16期论文;