覆冰对线路的危害有过负荷、覆冰舞动和脱冰跳跃、绝缘子冰闪,会造成杆塔变形、倒塔、导线断股、金具和绝缘子损坏、绝缘子闪络等事故。如图3-4所示。
(a) 导线覆冰 (b) 杆塔覆冰
(c)导线上掉下的冰块 (d) 绝缘子串覆冰
(e)地线支架变形 (f)倒塔
(g) 塔头损坏 (h) 杆塔基础破坏
(i) 金具损坏 (j) 金具损坏
(k) 绝缘子脱落及断线 (l)导线断股及间隔棒破裂
(m) 绝缘子破裂 (n) 绝缘子脱落及断线
图3-4 输电线路覆冰的危害
1.1.1过荷载
过荷载,即线路覆冰后的实际重量超过设计值很多,从而导致架空输电线路机械和电气方面的事故。从负荷方向分,可分为垂直负荷、水平负荷、纵向负荷。
垂直负荷:当导线、杆塔覆冰时,冰的重量会增加所有支持结构和金具的垂直负载。导致架空线的弧垂变大,使导线间或者导地线之间的档距减小,当风吹动时会由于绝缘距离不
够而发生短路。另外,由于覆冰会增大导线张力,从而增大杆塔及其基础的力矩,如增大转角塔的扭矩,造成杆塔扭转、弯曲、基础下沉、倾斜,甚至在拉线点以下发生折断。
水平负荷:覆冰也会使导线受风面积增大,此时杆塔所受的水平荷载也随之增加,线路因此可能遭受到严重的横向串基倒塔事故。
以经过某山区的重冰区架空输电线路为例,设代表档距l=300m,风速选取15m/s,计算出相应不同冰厚的几种导线对应的应力(见表3-2)。
表3-2:几种导线不同冰厚对应的水平应力(M Pa)
覆冰形成 时间(h) | 覆冰厚度(mm) | 导线型号 |
120/20 | 300/40 | 400/50 | 630/55 |
2 | 10 | 65.5 | 69.0 | 74.1 | 67.4 |
4 | 20 | 124.8 | 108.8 | 109.3 | 94.5 |
6 | 30 | 202.2 | 156.9 | 150.8 | 126.0 |
8 | 40 | 294.2 | 211.4 | 197.2 | 161.1 |
10 | 50 | 398.1 | 输电线路覆冰271.2 | 247.6 | 199.3 |
12 | 60 | 511.9 | 335.3 | 301.5 | 239.9 |
最大使用应力 | σmax | 124.8 | 108.8 | 109.3 | 94.5 |
极限破坏应力 | σp | 312.0 | 272.0 | 273.3 | 236.1 |
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由表3-2可见, 截面较小的导线冰厚达到40mm时导线应力就接近极限破坏应力σp,而形成40mm冰厚 (如果气象条件适合覆冰的形成), 只要经过8h就可形成,也就是说在8h之内就可以对输电线路造成破坏。而截面较大的导线经受12h的连续覆冰时就很危险了。
纵向负荷:因为输电线路相邻各档之间距离、高度或安装质量不同,使导线在覆冰时引起纵向静力不平衡,产生纵向荷载。当覆冰不均匀、自行脱落或被击落时,导线的悬挂点处会产生很大的纵向冲击荷载,可能造成导线或地线从压接管内抽出,或者外层铝股断裂,钢芯抽出,或整根线拉断,如果导线拉断脱落,则最终的不平衡冲击荷载和两相邻档之间的残余荷载就会大大增加,发生顺线倒杆事故。
湖南省2005年初,由于持续大范围雨雪天气,处于海拔180~350m之间的电网设施出现严重覆冰现象,一些地段覆冰厚度达到30~40mm,严重地段达60~70mm,远远超过15mm的设计水平,电网先后出现倒塔事故。
造成此次倒塔事故的内因是铁塔塔型和铁塔材质,外因是铁塔所在线路段的前后档距、高差角和覆冰荷载。事故段实测覆冰厚度大于20mm,有的甚至达到30~40mm。事故段铁塔存在前后档距或高差角过大,如复沙I线21号塔前后档距相差474m,岗云线175号塔前档距 为355m,而高差达80m。铁塔前后档距差过大,当导线覆冰时,铁塔前后档导线的张力差大,铁塔承受的不平衡张力也就大;铁塔所在档距的高差角较大时,导线张力在水平方向的分量减少,导线的水平方向张力差增加,另一方面也增加了垂直档距,使铁塔承受的垂直荷载增加。当铁塔处在档距或高差角很大线路段,随着覆冰厚度的增加,铁塔承受的不平衡张力必然增加,当不平衡张力使铁塔的应力值达到材料的屈服强度时,铁塔将失稳倒塌,从而拉倒相邻的铁塔。
近十多年来,我国发生了多起覆冰引起的杆塔倒塌或变形、导线断股、绝缘子金具损坏等事故。输电线路发生冰害事故时,由于天气恶劣,冰雪封路封山,交通受阻,进行抢修往往很困难,因此经常造成系统长时间停电,使生产遭受损失,给生活带来不便。
1.1.2导线覆冰舞动、脱冰跳跃事故
输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载,而且还要承受风产生的动荷载。在一定条件下,覆冰导线受稳态横向风作用,可能引起大幅低频振动,即舞动。此外,导线脱冰跳跃也会使导线发生舞动。导线舞动是威胁输电线路安全运行的重要因素。
覆冰导线在风作用下发生舞动
当导线上均匀覆冰时,虽然其载面增大,但其形状仍保持为均匀圆形,因此,一定的风力所引起的导线振动,其频率低于裸线时的频率,而振幅比裸线时小,并且,频率下降可能低到防振装置的有效运行范围以下。
当导线上覆冰不均匀时,由于其断面的不对称,风吹导线时就会产生空气动力学上的不稳定,在相应风力作用下,导线会发生低频(0.1~3Hz)、大振幅(可达10m以上)的舞动。导线舞动将引起差频荷载,从而导致金具损坏,导线断股,相间短路,烧伤烧断线路跳闸及杆塔倾斜或倒塌等严重事故。
此类导线舞动的形成主要取决于3个因素,即覆冰、风激励和线路的结构与参数。
a.覆冰。线路覆冰是舞动的必要条件之一。覆冰多发生在风作用下的雨淞、雾淞及湿雪堆积于导线的气候条件下。导线覆冰与降水形式及降水量有直接关系,而又与温度的变化密切相关,常发生在先雨后雪,气温骤降(由零上降至零下) 情况下,且导线覆冰不均匀,形成所谓的新月形、扇形、D 形等不规则形状,冰厚从几mm到几十mm,此时,导线便有了比较好的空气动力性能,在风的激励下会诱发舞动。
b.风的激励。舞动离不开风的激励。冬季及初春季节里,冷暖气流的交汇易引起较强的风力,在地势平坦、开阔或山谷风口等地区的输电线路, 能使均匀的风持续吹向导线,当导线覆冰、风速为4~20m/s,风向与线路走向的夹角不小于45°,导线易发生舞动。
c.线路结构及参数条件。线路的结构和参数也是形成舞动的重要因素之一。从国内外的统计资料来看,在相同的环境、气象条件下,分裂导线要比单导线容易产生舞动,并且大截面的导线要比常规截面的导线易产生舞动。
在单导线覆冰时,由于扭转刚度小,在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转,使覆冰接近圆形;而分裂导线覆冰时,由于间隔棒的作用,每根子导线的相对扭转刚度比单导线大得多,在偏心覆冰作用下,导线的扭转极其微小,不能阻止导线覆冰的不对称性,导线覆冰易形成翼形断面,因此,对于分裂导线,由风激励产生的升力和扭矩远大于单导线。