摘要：随着我的锅电力企业的不断发展，输电线路安全问题日益突出。对无冰状态下导线的各个参量以及最大弧垂和悬挂点倾角的进行计算，得出在覆冰条件下垂直线路的竖向垂直比载，分析悬挂点导线施加到杆塔上的张力，得出导线覆冰的截面积，进而得出作用于杆塔的导线垂直荷载和杆塔所承受的导线覆冰冰重以及导线覆冰标准冰厚。该算法所需测量数据少，可为输电线路覆冰分析提供数据。
关键词：架空线路；杆塔；导线覆冰
引言
架空输电线路从低压到高压，乃至现在的超高压、特高压，经历了一个不断升压的过程。在电网电压等级不断升高的过程中，电网频繁受到了恶劣天气影响，发生大大小小的无数次电网事故，严重影响了电网安全运行。2008年的冰灾事故导致大面积停电和部分电网解列，使得湘赣、云贵、江浙等地电网出现不同程度的冰闪跳闸和断线倒塔。这些事故往往都伴随着恶劣的天气、困难的交通，加之停电导致通信中断，抢修难度大，严重时甚至会造成区域电网崩溃、长时间停电，不仅给人们的生活带来极大不便，而且给电网的建设、维护带来极大的经济损失。鉴于此，本文对导线覆冰的力学模型进行论述分析，并结合分析出的覆冰数据和在线监测系统所测数据对湖南地区已运行线路的抗冰、防护进行研究分析，从而为湖南电网的抗冰工作提供参考。
1覆冰在线监测装置技术比较
1.1图像等效判别法
在杆塔上安装视频装置，拍摄导线上的覆冰形状，利用GPRSCDMA或自建无线数据接力传输系统等方式将图片传输到后台，利用导线固有的几何尺寸，采用微积分的方法计算覆冰面积，再换算到等效覆冰厚度。这种方法简单易行，但不能真实反映导线等值覆冰状况，例如：导线不同部位覆冰的不均匀性，冰的密度（0.9g/cm3）换算等。
1.2称重法
将拉力传感器替换球头挂环，直接测量在一个垂直档距内导线的质量，利用风速、风向和倾角传感器，计算出风阻系数和绝缘子串的倾斜分量，采用排除法，最终得出覆冰质量，再用0.9g/cm3的密度换算为等值覆冰厚度。这种方法是最直接、最可靠、误差最小的国际通用的方法，加拿大、日本、俄罗斯等国家都是采用这种方法。采用称重法监测覆冰的装置还具有很好的功能扩展性，加装双轴倾角传感器可监测杆塔所承受的垂直下压力、纵向不均衡张力、导线风偏角和杆塔倾斜度等。本文着重介绍称重法在线监测覆冰装置的技术和应用情况。
2覆冰形成的原因
输电线路的覆冰一般在0～-10℃，风速5～15m/s，湿度约80%以上的条件下形成。当天空中的“冷却水”水滴及湿雪下降碰到地面上低于0℃的冷物体后，便会在物体表面冻结成冰。覆冰的密度约在0.5～0.9×103kg/m3（设计中按0.9×103kg/m3计算），冻结成浑然一体的透明状冰壳，覆着力很强。根据全国覆冰情况的统计数据，北方地区虽然气温低，但因为气候干燥，所以很少出现重覆冰。即使偶尔出现，也由于覆冰量很少，对输电线路不构成太大的威胁。在冬季，有高空西南暖湿气流的长江以南高海拔地区受覆冰灾害影响较严重；而在东北地区即使经常下雪，因为气温较低（低于-10℃），线路覆冰倒不是很严重。覆冰和地形条件也很有关系，地形条件能促使“过冷却”雨下降外，其它如平原中的突出高地，暴露的丘陵顶峰及高海拔地区、迎风山坡、垭口、风道、水面上空等覆冰相对比较严重。
3数学计算模型
3.1导线覆冰厚度计算模型
根据导线综合载荷是导线固有载荷、冰载荷、风载荷之和建立载荷平衡模型：q∑=q0+qwin+qice。式中，q∑为综合垂直载荷；q0为垂直档距内导线和绝缘子自重载荷；qwin为垂直档距内风载荷；qice为垂直档距内冰载荷。q∑可通过拉力传感器测量的绝缘子及导线负荷计算得出，q0可依据电力建设手册（固有参数）查出；qwin可以通过风速传感器、导线直径和风向夹角等算出。还要考虑导线受风体形系数风压不均匀系数以及线路导线风载调整系数等。建立垂直载荷数学模型，得出冰载荷。再依据覆冰厚度等效模型计算出，导线等值覆冰厚度：
式中，φ为导线覆冰厚度；d为无冰时导线外径；m3为导线每米覆冰后总质量，可由重力传感器测得数据进行计算；m1为无冰时导线每米总质量；
为覆冰密度。以此式计算出等效导、地线均匀覆冰厚度。
3.2迭代技术在模型分析上的应用
在对风载荷计算的过程中，存在覆冰厚度对风载荷计算结果的影响，故存在数学迭代关系模型。边界条件的设定及初始数值的选取是迭代计算的关键，利用迭代算法求得近似解和趋势逼近数值（收敛的计算结果）。
3.3杆塔荷载监测、分析模型
通过安装在绝缘子串轴线上的双轴角度传感器，测得绝缘子的倾斜角，建立综合拉力的数学模型，获取杆塔横担端部的垂直方向的下压力和顺线路方向的水平拉力（纵向不均衡张力）。
4预防措施
4.1合理选择导线型号，增大导线的钢芯截面积
钢芯铝绞线的组成部分中，导线的机械强度主要靠钢芯保证，建议在重冰区选择钢芯截面积大的导线，提高导线的抗拉强度。LGJ-400/65的瞬时破坏应力是291.4MPa，通过计算，300m档距时能承受55mm厚的覆冰；LGJ-400/95的瞬时破坏应力达到了433.4MPa，在300m档距时能承受75mm厚的覆冰。采取此项措施能有效提高导线的瞬时破坏应力，从而减小断线事故的发生。
4.2提高安全系数
现行规范要求的导线安全系数大于2.5，设计中常用的安全系数是2.8，建议提高安全系数，减小最大使用应力，可以提高导线的抗覆冰能力。LGJ-400/35在全国典型气象区Ⅷ类气象条件下，安全系数为2.8的情况下最大使用应力为87.26MPa，安全系数为3.5的情况下最大使用应力为69.81MPa。在档距为300m时，覆冰厚度50mm时导线悬点应力为232.4MPa，比安全系数为2.8时减小了27.65MPa，且不超过LGJ-400/35的瞬时破坏应力。采用此项措施可以有效降低导线悬点应力，从而提高导线的抗覆冰能力。此项措施的不足之处在于降低了导线最大使用应力，从而增大了弧垂，减小了档距，增加了杆塔，增大投资，所以此措施适用于排塔定位受弧垂限制小的地区。
4.3减小档距
当档距减小时，同一覆冰厚度的导线悬点应力迅速减小。档距减小时，可以减小杆塔所受的导线及导线覆冰的垂直荷载和所受的风荷载，可有效保证杆塔的稳定。建议设计部门确定一组在重冰区针对不同塔型的最大使用档距，确保线路的正常运行。
结语
2007年由华中电网有限公司承担多家单位参加的国家电网公司的重大专项课题“华中电网输电线路覆冰在线监测系统的研究与应用”和《架空输电线路等值覆冰厚度在线监测系统》企业标准编制的任务，研究从目前国内运行的覆冰在线监测装置的功能、传感器、数据采集、通讯、电源、数学模型、分析系统、预报警系统以及装置的试验内容、标准、方法等内容入手，在借鉴国外覆冰在线监测研究理论的基础上，编制了国网公司《架空输电线路等值覆冰厚度在线监测系统》企业标准，并通过大量的试验研究，特别是模拟500kV电场的低温、覆冰试验和风动试验，取得了大量的珍贵数据，为覆冰在线监测装置的先进性、可靠性和适用性奠定了坚实的基础。在2008年冰灾期间，获取了大量的数据和图片，其测量精度与现场实际相比较，基本吻合，达到了国家电网公司企标《架空输电线路等值覆冰厚度在线监测系统》（报批稿）的要求。综上所述，采用称重法实现的“等值覆冰在线监测系统”以及其扩展的功能，完全可满足电力系统基建、生产、运行的需求。
参考文献：
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论文作者:王小龙
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/5
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