重冰区同塔双回路输电线路设计方法

重冰区同塔双回路输电线路设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种重冰区输电线路设计方法，解决现有技术中在重冰区不能采用同塔双回路设计的技术问题。其包括：利用有限元分析软件建立塔线耦合模型；验证塔线耦合模型的正确性；利用塔线耦合模型模拟不同脱冰工况下导线脱冰跳跃动态过程，总结出脱冰过程中重冰区输电线路脱冰动力响应规律；确定重冰区同塔双回路线路路径选择原则；确定重冰区同塔双回路杆塔的荷载组合原则；重冰区同塔双回路杆塔荷载计算方法。采用本发明的重冰区同塔双回路输电线路设计方法设计输电线路，可以为重冰区节约大量的路径走廊，减少工程建设占地，减少林木砍伐量、减小输电线路对生态环境的影响。
【专利说明】重冰区同塔双回路输电线路设计方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及输电线路设计领域，尤其涉及一种重冰区输电线路设计方法。

【背景技术】
[0002] 我国西南地区为水电资源富集地，是重要的清洁能源基地，受地理条件限制，大批 梯级水电站主要集中在第一和第二阶梯交界地带，电站直接或间接采用500kV电力线路翻 越崇山峻岭后送至交流特高压变电站或直流特高压换流站。这些500kV电力线路所经区域 的特点主要表现在：第一，海拔高，覆冰重，交通差，地形地质条件复杂，冰雪灾害频发，受外 部环境限制，线路按重冰条件设计的情况很普遍；第二，绝大多数地区属于少数民族地区， 且自然保护区和风景名胜区多，人文社会环境复杂。随着水电输出线路的增多，往往在同一 电力输送通道内需架设多回线路，线路走廊资源日渐稀缺，以至于传统上采用单回路架设 的高海拔、重覆冰线路也有了采用同塔双回路架设的要求。
[0003] 重冰区输电线路融冰脱落时往往会引起导线的上下振动，这一现象称为冰跳。由 于无法准确把握不同工况下导线脱冰动力响应规律，从而缺乏重冰区同塔双回线路设计的 方法，因而在重冰区采用同塔双回路架设方式在国内外尚无先例。近年来，国内外学者通过 模拟试验和数值分析等方法对导线脱冰动力响应进行了大量研究，但其研究模型均采用忽 略导线抗弯和抗扭刚度的3自由度杆系简化模型，且多数未考虑杆塔约束的影响，其研究 方法和思路虽然为系统地把握导线脱冰动力响应规律进行了有益的探索，但由于其研究结 论多数只给出了部分定性的结论，对于工程应用还有一定距离。
[0004] 目前，我国输电铁塔设计中主要遵循的规程规范为GB50545-2010《110kV?750kV 架空输电线路设计规范》和DL/T5440-2009《重覆冰架空输电线路设计技术规程》。其中， 《110kV?750kV架空输电线路设计规范》提出对输电线路设计工作的基本原则，《重覆冰架 空输电线路设计技术规程》则适用于同塔单回路重冰区架空输电线路设计和同塔单、双回 路中冰区架空输电线路设计。


【发明内容】

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种重冰区同塔双回路输电线路设计方法，解 决现有技术中在重冰区不能采用同塔双回路设计的技术问题。
[0006] 《重覆冰架空输电线路设计技术规程》的附录A-规程的用词说明部分明确记载：
[0007] A. 0. 1为便于在执行本标准条文时区别对待，对要求严格程度不同的用词说明如 下：
[0008] 1、表示很严格，非这样做不可得用词：正面词采用"必须"，反面词采用"严禁"。
[0009] 2、表示严格，在正常情况下均应这样做的用词：正面词采用"应"，反面词采用"不 应"或"不得"。
[0010] 3、表示允许稍有选择，在条件许可时首先应该这样做的用词：正面词采用"宜"，反 面词采用"不宜"。
[0011] 4、表示有选择，在一定条件下可以这样做的用词：采用"可"。
[0012] 因此，本发明中的用词也遵循上述《重覆冰架空输电线路设计技术规程》的附录 A-规程的用词说明。
[0013] 本发明解决其技术问题所采用的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，包括：
[0014] A.利用有限元分析软件建立包括铁塔、导地线、绝缘子串、间隔棒、覆冰荷载、脱冰 荷载、风荷载和同时气温在内的多档精细化塔线耦合模型；
[0015] B.利用步骤A建立的塔线耦合模型，得到导地线在覆冰荷载、脱冰荷载、风荷载和 同时气温组合工况作用下的静力平衡状态，与理论计算值进行对比，验证塔线耦合模型的 正确性；
[0016] C.确定塔线耦合模型正确后，利用步骤A建立的塔线耦合模型，分别模拟不同脱 冰工况下导线脱冰跳跃动态过程，总结出脱冰过程中重冰区输电线路脱冰动力响应规律：
[0017] C1.冰跳高度和横摆距离规律：
[0018] (1)导线的冰跳高度正比于覆冰厚度、连续档数、档距和脱冰率，反比于导线截面 积；
[0019] (2)导线脱冰时的横摆距离正比于覆冰厚度、连续档数、风速、水平档距和脱冰率， 反比于导线截面积，且采用V型绝缘子串比采用I型绝缘子串的横摆距离大；
[0020] C2.杆塔动力荷载变化规律：
[0021] (1)脱冰过程中连续档内直线塔和耐张塔沿线路方向的荷载均小于按《重覆冰架 空输电线路设计技术规程》计算得出的静力标准荷载，且其不平衡张力随档距差增大而增 大；
[0022] (2)脱冰过程中直线塔和耐张塔水平方向和垂直方向的荷载均大于按《重覆冰架 空输电线路设计技术规程》计算得出的静力标准荷载；
[0023] (3)对于两侧均为非连续档的耐张塔，其不平衡张力按《重覆冰架空输电线路设计 技术规程》中最大使用张力的百分数计算得出静力标准荷载后，再按《重覆冰架空输电线路 设计技术规程》中规定的相应脱冰率进行验算，从计算得出的静力标准荷载与验算值中取 大值；
[0024] D.在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双 回路线路路径选择原则，包括：
[0025] (1)重冰区线路连续档数不宜超过5档，耐张段长度不宜超过3km ;
[0026] (2)重冰区线路连续档档距不宜超过500m，对代表档距小于200m的耐张塔按照 《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中规定的覆冰率进行不均匀冰张力差校验；
[0027] (3)重冰区与轻冰区分界时，重冰区向轻冰区延伸1至3档，或采用中冰区进行过 渡；
[0028] E.在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双 回路杆塔的荷载组合原则：重冰区同塔双回路杆塔的荷载组合应不低于轻、中冰区同塔双 回路杆塔的荷载组合，同时杆塔荷载取值应不低于《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中 对同塔单回路的规定；
[0029] F.在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双 回路杆塔荷载计算方法：
[0030] 计算线路正常运行情况下、覆冰断线情况下、不均匀覆冰情况下的杆塔荷载，其 中，荷载组合工况包括：
[0031] (1)正常运行情况：
[0032] a.基本风速、无冰、未断线，其中，包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合；
[0033] b.最大覆冰、相应风速及气温、未断线；
[0034] c.终端或转角杆塔：最低气温、无冰、无风、未断线；
[0035] (2)覆冰断线情况：按断线、_5°C覆冰同时气温、有冰、无风荷载计算：
[0036] a.悬垂杆塔：同一档内，单导线断任意两相导线或分裂导线任意两相导线有纵向 不平衡张力；同一档内，断一根地线，单导线断任意一相导线或分裂导线任意一相导线有纵 向不平衡张力；
[0037] b.耐张杆塔：同一档内，断任意两相导线、地线未断；同一档内，断任意一根地线 和任意一相导线；
[0038] (3)不均匀覆冰情况：按未断线、_5°C覆冰同时气温、有不均匀冰、同时风速10m/s 计算：
[0039] a.所有导、地线同时同向有不平衡张力，使杆塔承受最大弯矩；
[0040] b.所有导、地线同时不同向有不平衡张力，使杆塔承受最大扭矩。
[0041] 进一步的，还包括重冰区同塔双回路塔型选择方法：重冰区同塔双回路塔型采用 垂直排列型式。
[0042] 进一步的，还包括重冰区同塔双回路塔头选择方法：垂直排列直线塔的塔头采用 VIV型布置。
[0043] 进一步的，还包括垂直排列的重冰区同塔双回路塔头尺寸设计方法：塔头尺寸由 间隙圆、相邻两层线间最小水平偏移距离L、相邻两层线间最小垂直距离Η和防雷保护角共 同控制。
[0044] 进一步的，相邻两层线间最小垂直距离Η >上层线均匀冰静态弧垂-下层线不均 匀冰静态弧垂+操作过电压间隙值；相邻两层线间最小水平偏移距离L >工频电压间隙值 +组合导线半径r+导线脱冰跳跃过程中最大横摆距离。
[0045] 进一步的，所述下层线不均匀冰静态弧垂：在110kV?220kV重冰区输电线路中按 照中间档脱冰率>设计冰重的60%，其余档导线不脱冰状态计算；在330kV及以上重冰区 输电线路中按照中间档脱冰率>设计冰重的80%，其余档导线不脱冰状态计算；所述上层 线均匀冰静态弧垂：所述上层线为导线时按照设计冰重的80%覆冰状态计算；所述上层线 为地线时按照设计冰重的100%覆冰状态计算。
[0046] 进一步的，在微地形微气象区进行极端气象条件验算，根据验算结果加强导地线 悬挂系统和杆塔结构强度。
[0047] 进一步的，重冰区同塔双回路铁塔结构安全等级确定为一级，结构重要性系数取 1. 1。
[0048] 本发明的有益效果是：本发明公开了一种重冰区同塔双回路输电线路设计方法， 解决了现有技术中在重冰区不能采用同塔双回路设计的技术问题。采用本发明的重冰区同 塔双回路输电线路设计方法设计输电线路，可以为重冰区节约大量的路径走廊，减少工程 建设占地，减少林木砍伐量、减小输电线路对生态环境的影响。

【专利附图】

【附图说明】
[0049] 图1是采用本发明的设计方法设计的同塔双回路VIV直线塔结构示意图；
[0050] 图中标示：1-塔体，21-上横担,22-中横担,23-下横担,24-地线支架，31-上绝缘 串子，32-中绝缘串子，33-下绝缘串子，34-地线夹子，H-相邻两层线间最小垂直距离，L-相 邻两层线间最小水平偏移距离，r-组合导线半径。

【具体实施方式】
[0051] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0052] 本发明的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，包括：
[0053] -、确定重冰区同塔双回路线路路径选择原则：
[0054] A.确定输电线路各元件和各种荷载的数值模型，利用有限元分析软件建立包括 铁塔、导地线、绝缘子串、间隔棒、覆冰荷载、脱冰荷载、风荷载和同时气温在内的多档精细 化塔线耦合模型；所述有限元分析软件是指基于有限元分析算法编制的软件，根据软件 的适用范围，可以分为专业有限元软件和大型通用有限元软件，常见通用有限元软件包括 LUSAS、Nastran、Ansys、Abaqus、LMS-Samtech、Algor、Femap/NX Nastran、Hypermesh、FEPG 等等，在本实施例中采用Ansys软件；
[0055] B.利用步骤A建立的塔线耦合模型，得到导地线在覆冰荷载、脱冰荷载、风荷载和 同时气温组合工况作用下的静力平衡状态，与理论计算值进行对比，验证塔线耦合模型的 正确性；由于静力平衡验证是进行动态仿真的基础和前提，而铁塔、绝缘子串、间隔棒与导 地线连接成一体，工况的变化最终都体现在导地线的弧垂变化，因此通过验证导地线在各 种荷载工况作用下的静力平衡状态就能验证整个塔线耦合模型的正确性；
[0056] C.确定塔线耦合模型正确后，利用步骤A建立的塔线耦合模型，分别模拟不同脱 冰工况下导线脱冰跳跃动态过程，总结出脱冰过程中重冰区输电线路脱冰动力响应规律：
[0057] C1.冰跳高度和横摆距离规律：
[0058] (1)导线的冰跳高度正比于覆冰厚度、连续档数、档距和脱冰率，反比于导线截面 积；
[0059] (2)导线脱冰时的横摆距离正比于覆冰厚度、连续档数、风速、水平档距和脱冰率， 反比于导线截面积，且采用V型绝缘子串比采用I型绝缘子串的横摆距离大；
[0060] C2.杆塔动力荷载变化规律：
[0061] (1)脱冰过程中连续档内直线塔和耐张塔沿线路方向的荷载均小于按《重覆冰架 空输电线路设计技术规程》计算得出的静力标准荷载，且其不平衡张力随档距差增大而增 大；
[0062] (2)脱冰过程中直线塔和耐张塔水平方向和垂直方向的荷载均大于按《重覆冰架 空输电线路设计技术规程》计算得出的静力标准荷载；
[0063] (3)对于两侧均为非连续档的耐张塔，其不平衡张力按《重覆冰架空输电线路设计 技术规程》中最大使用张力的百分数计算得出静力标准荷载后，再按《重覆冰架空输电线路 设计技术规程》中规定的相应脱冰率进行验算，从计算得出的静力标准荷载与验算值中取 大值；
[0064] D.在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双 回路线路路径选择原则，包括：
[0065] (1)由于重冰区脱冰跳跃高度和横摆距离均正比于连续档数，因此重冰区线路连 续档数不宜超过5档，耐张段长度不宜超过3km ;
[0066] (2)由于重冰区线路脱冰跳跃高度正比于档距，横摆距离正比于水平档距，不平 衡张力随杆塔两侧档距差增大而增大，因此重冰区线路连续档档距不宜超过500m，对代表 档距小于200m的耐张塔按照《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中规定的覆冰率进行不 均匀冰张力差校验；
[0067] (3)由于冰区分界为线路薄弱环节，因此重冰区与轻冰区分界时，重冰区向轻冰区 延伸1至3档，或采用中冰区进行过渡；
[0068] E.在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双 回路杆塔的荷载组合原则：重冰区同塔双回路杆塔的荷载组合应不低于轻、中冰区同塔双 回路杆塔的荷载组合，同时杆塔荷载取值应不低于《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中 对同塔单回路的规定；
[0069] F.在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，重冰区同塔双回路 杆塔荷载计算方法：
[0070] 计算线路正常运行情况下、覆冰断线情况下、不均匀覆冰情况下的荷载组合，其 中，荷载组合工况包括：
[0071] (1)正常运行情况：
[0072] a.基本风速、无冰、未断线，其中，包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合；
[0073] b.最大覆冰、相应风速及气温、未断线；
[0074] c.终端或转角杆塔：最低气温、无冰、无风、未断线；
[0075] (2)覆冰断线情况：按断线、_5°C覆冰同时气温、有冰、无风荷载计算：
[0076] a.悬垂杆塔：同一档内，单导线断任意两相导线或分裂导线任意两相导线有纵向 不平衡张力；同一档内，断一根地线，单导线断任意一相导线或分裂导线任意一相导线有纵 向不平衡张力；
[0077] b.耐张杆塔：同一档内，断任意两相导线、地线未断；同一档内，断任意一根地线 和任意一相导线；
[0078] (3)不均匀覆冰情况：按未断线、_5°C覆冰同时气温、有不均匀冰、同时风速lOm/s 计算：
[0079] a.所有导、地线同时同向有不平衡张力，使杆塔承受最大弯矩；
[0080] b.所有导、地线同时不同向有不平衡张力，使杆塔承受最大扭矩。
[0081] 根据电气性能的要求，重冰区直线塔型式可以采用水平排列、三角型排列或垂直 排列三种方式的任意一种方式。
[0082] 表1三种排列方式的塔型比较

【权利要求】
1.重冰区同塔双回路输电线路设计方法，其特征在于，包括： A. 利用有限元分析软件建立包括铁塔、导地线、绝缘子串、间隔棒、覆冰荷载、脱冰荷 载、风荷载和同时气温在内的多档精细化塔线耦合模型； B. 利用步骤A建立的塔线耦合模型，得到导地线在覆冰荷载、脱冰荷载、风荷载和同时 气温组合工况作用下的静力平衡状态，与理论计算值进行对比，验证塔线耦合模型的正确 性； C. 确定塔线耦合模型正确后，利用步骤A建立的塔线耦合模型，分别模拟不同脱冰工 况下导线脱冰跳跃动态过程，总结出脱冰过程中重冰区输电线路脱冰动力响应规律： C1.冰跳高度和横摆距离规律： (1) 导线的冰跳高度正比于覆冰厚度、连续档数、档距和脱冰率，反比于导线截面积； (2) 导线脱冰时的横摆距离正比于覆冰厚度、连续档数、风速、水平档距和脱冰率，反比 于导线截面积，且采用V型绝缘子串比采用I型绝缘子串的横摆距离大； C2.杆塔动力荷载变化规律： (1) 脱冰过程中连续档内直线塔和耐张塔沿线路方向的荷载均小于按《重覆冰架空输 电线路设计技术规程》计算得出的静力标准荷载，且其不平衡张力随档距差增大而增大； (2) 脱冰过程中直线塔和耐张塔水平方向和垂直方向的荷载均大于按《重覆冰架空输 电线路设计技术规程》计算得出的静力标准荷载； (3) 对于两侧均为非连续档的耐张塔，其不平衡张力按《重覆冰架空输电线路设计技术 规程》中最大使用张力的百分数计算得出静力标准荷载后，再按《重覆冰架空输电线路设计 技术规程》中规定的相应脱冰率进行验算，从计算得出的静力标准荷载与验算值中取大值； D. 在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双回路 线路路径选择原则，包括： (1) 重冰区线路连续档数不宜超过5档，耐张段长度不宜超过3km ; (2) 重冰区线路连续档档距不宜超过500m，对代表档距小于200m的耐张塔按照《重覆 冰架空输电线路设计技术规程》中规定的覆冰率进行不均匀冰张力差校验； (3) 重冰区与轻冰区分界时，重冰区向轻冰区延伸1至3档，或采用中冰区进行过渡； E. 在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双回路 杆塔的荷载组合原则：重冰区同塔双回路杆塔的荷载组合应不低于轻、中冰区同塔双回路 杆塔的荷载组合，同时杆塔荷载取值应不低于《重覆冰架空输电线路设计技术规程》中对同 塔单回路的规定； F. 在步骤C总结的重冰区输电线路脱冰动力响应规律基础上，确定重冰区同塔双回路 杆塔荷载计算方法： 计算线路正常运行情况下、覆冰断线情况下、不均匀覆冰情况下的杆塔荷载，其中，荷 载组合工况包括： (1) 正常运行情况： a. 基本风速、无冰、未断线，其中，包括最小垂直荷载和最大水平荷载组合； b. 最大覆冰、相应风速及气温、未断线； c. 终端或转角杆塔：最低气温、无冰、无风、未断线； (2) 覆冰断线情况：按断线、_5°C覆冰同时气温、有冰、无风荷载计算： a. 悬垂杆塔：同一档内，单导线断任意两相导线或分裂导线任意两相导线有纵向不平 衡张力；同一档内，断一根地线，单导线断任意一相导线或分裂导线任意一相导线有纵向不 平衡张力； b. 耐张杆塔：同一档内，断任意两相导线、地线未断；同一档内，断任意一根地线和任 意一相导线； (3)不均匀覆冰情况：按未断线、_5°C覆冰同时气温、有不均匀冰、同时风速lOm/s计 算： a. 所有导、地线同时同向有不平衡张力，使杆塔承受最大弯矩； b. 所有导、地线同时不同向有不平衡张力，使杆塔承受最大扭矩。
2. 如权利要求1所述的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，其特征在于：还包括重 冰区同塔双回路塔型选择方法：重冰区同塔双回路塔型采用垂直排列型式。
3. 如权利要求2所述的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，其特征在于：还包括重 冰区同塔双回路塔头选择方法：垂直排列直线塔的塔头采用VIV型布置。
4. 如权利要求2或3所述的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，其特征在于：还包 括垂直排列的重冰区同塔双回路塔头尺寸设计方法：塔头尺寸由间隙圆、相邻两层线间最 小水平偏移距离L、相邻两层线间最小垂直距离Η和防雷保护角共同控制。
5. 如权利要求4所述的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，其特征在于：相邻两层 线间最小垂直距离Η >上层线均匀冰静态弧垂-下层线不均匀冰静态弧垂+操作过电压间 隙值；相邻两层线间最小水平偏移距离L >工频电压间隙值+组合导线半径r+导线脱冰跳 跃过程中最大横摆距离。
6. 如权利要求5所述的重冰区同塔双回路输电线路设计方法，其特征在于：所述下层 线不均匀冰静态弧垂：在llOkV?220kV重冰区输电线路中按照中间档脱冰率>设计冰重 的60 %，其余档导线不脱冰状态计算；在330kV及以上重冰区输电线路中按照中间档脱冰 率>设计冰重的80%，其余档导线不脱冰状态计算； 所述上层线均匀冰静态弧垂：所述上层线为导线时按照设计冰重的80%覆冰状态计 算；所述上层线为地线时按照设计冰重的100%覆冰状态计算。
7. 如权利要求1、2、3、5或6中任一项权利要求所述的重冰区同塔双回路输电线路设计 方法，其特征在于：重冰区同塔双回路线路路径选择原则还包括：在微地形微气象区进行 极端气象条件验算，根据验算结果加强导地线悬挂系统和杆塔结构强度。
8. 如权利要求1、2、3、5、6或7中任一项权利要求所述的重冰区同塔双回路输电线路设 计方法，其特征在于：重冰区同塔双回路铁塔结构安全等级确定为一级，结构重要性系数取 1. 1。
【文档编号】E04H12/08GK104091032SQ201410355847
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】张驰, 张海平, 王江涛, 赵庆斌, 任德顺, 贾素红, 敬捷, 周亮 申请人:四川电力设计咨询有限责任公司