中重冰区架空输电线路地线选择的探讨和建议
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摘要：
介绍了地线选择的原则.通过分析导线、地线不平衡张力杆塔受力情况发现，较短的地线金具应力调节能力差是严重覆冰中架空输电线路地线支架和地线受损的重要原因.通过对不同截面和强度的地线在不同覆冰情况下与导线的配合计算，以及对不同强度但相同截面地线的抗振分析，得出了在导线和塔头不变情况下增加地线截面和增加地线强度的可能性和优劣.最后得出，在中重冰区可以通过增加地线截面、增加设计覆冰、增加不均匀覆冰工况、提高地线钢丝强度等方式选择地线，并对实际输电线路设计中地线的选择提出了建议.
关键词：
地线； 不平衡张力； 过载能力； 覆冰厚度； 防振
中图分类号： TM 75文献标志码： A
Abstract：
Principles of ground line selection were introduced.By analyzing the unbalanced tension of conductor and ground line in pole tower，bad regulation ability of short ground lines and fittings played an important role in the damage of ground line and its stand in overhead transmission lines.Antivibration analysis of ground line with different intensities and same cross section as well as calculation of conductor and icing ground line with different crosssection or intensities showed the possibilities and merits of increasing the crosssection and intensity of the ground line without changes of conductor and tower head.At last，it could be concluded that the ground line could be selected in medium/heavy icing areas by increasing cross section，adding design icing，adding uneven icing，increasing the intensity of ground line.Suggestions were provided for the design of actual transmission line.
Keywords：
ground line； unbalanced tension； overload capacity； ice thickness； antivibration
2008年冬季，由于持续的雨雪冰冻天气，我国南方送电线路大面积覆冰，铁塔不堪重负倒塌断线，电力设施遭到前所未有的破坏，送电线路大范围中断.送电线路受灾现象表现为：地线及复合光缆驰度异常、直线绝缘子金具串线夹滑移、金具串损坏、地线或导线断线、光缆断芯线、塔材扭曲变形、铁塔地线尖子折断、导线横担折断和铁塔倒塌[1].但从送电线路受损的统计情况来看，每次冰灾天气，特别是2005年和2008年大冰冻时，地线支架和塔头损坏较多[2].
《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[3]对地线的选择作了明确的规定，即按导线截面大小选配镀锌钢绞线作为地线.设计中无需进行地线选择，只有悬挂OPGW（通信光缆兼作地线）的工程地线要作分流线时才需进行良导体地线的选择.由于地线金具串的长度很短，一般只有0.2～0.3 m，调节不平衡张力的能力很差，当档距稍大时，与耐张串的调节能力差别不是很大，即杆塔两侧的张力差绝大部分会直接作用于杆塔.不平衡张力绝大多数是出现在覆冰（不均匀覆冰或脱冰），特别是脱冰情况时，因为各个档距按相同的比例同时脱冰几乎是不可能的.换言之，只要有覆冰，必然会产生不平衡张力.这也是每次冰灾天气时地线支架和塔头损坏较多的主要原因.
1导线、地线不平衡张力以及地线和地线支架受损原因分析
本节举例说明不均匀脱冰时产生不平衡张力的情况.110 kV线路设计冰厚为20 mm，导线为LGJ300/50，最大使用应力为112.8 MPa.按照《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[3]选择地线为GJ80，最大使用应力为372 MPa，导线绝缘子串长度为1.7 m，地线金具串长度为0.25 m.耐张段共有7档，档距均为400 m，不考虑高度差，正中间一档脱冰（无风、0℃）.不同脱冰率时作用于杆塔的张力差如表1所示，括号中的数值为张力差占最大使用张力的百分比.
从表1可看出，绝缘子串长度对张力差影响很大.脱冰率为100%时，直线塔导线张力差仅为耐张塔24%，而直线塔地线张力差却为耐张塔的85%.这说明短的地线金具串调节不平衡张力的能力不如较长的导线串，这也是严重覆冰时架空输电线路地线支架和地线受损的重要原因.
2不同截面和强度的地线与导线的配合计算
以220 kV 线路ZBC31塔和110 kV线路ZM2塔为例进行导线、地线的配合计算.塔头尺寸及导线参数如表2所示.
从表3可看出，如果地线设计冰厚比导线设计冰厚增加10 mm，则GJ80最大使用应力安全系数小于《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[3]中规定的2.5.因此，两种塔型均不能采用GJ80，而必须采用GJ100.
在导线和塔头尺寸不变时，提高地线的设计冰厚，地线最大使用应力也随之加大，地线
弧垂的变化不是很大.例如：LGJ300/40导线在正常应力、设计冰厚15 mm、无风、0℃、档距为400 m 时弧垂为15.94 m.相同条件下选配的GJ80地线（ZBC31塔）在设计冰厚为15 mm时弧垂为14.43 m；在设计冰厚为20 mm时弧垂为15.1 m，只增加了0.67 m.在上述条件下，即使导线脱冰率为50%，导线、地线间的垂直距离仍能满足220 kV线路操作过电压的间距要求.
3不同强度相同截面的地线抗振能力分析
提高地线型号会提高地线的安全系数，例如，ZM2塔导线设计冰厚15 mm，地线设计冰厚20 mm，采用GJ80时地线安全系数为2.79（钢丝抗拉强度为1 207 MPa），采用GJ100时地线安全系数为3.22，比采用GJ80时提高了15.8%，作用于杆塔的张力增加了4.36 kN，比采用GJ80时增加了13.5%.因此，杆塔特别是地线支架的选材强度需加大，但实际荷载也增加了.在钢材强度相同的情况下，杆塔的安全度并没有得到实质性的提高.
较为合理的办法是提高地线的抗拉强度.如果将钢丝抗拉强度由1 270 MPa提高至1 370 MPa或1 470 MPa，则地线安全系数变为3.01或3.23；当钢丝抗拉强度为1 270 MPa时，地线破坏应力为1 143 MPa；当钢丝强抗拉强度为1 370 MPa时，地线破坏应力为1 233 MPa.钢丝抗拉强度提高后作用于杆塔的荷载并没有增加，但钢丝会变得更硬，抗振能力会稍差.
从表4可看出，设计冰厚分别为15、20 mm时的年平均运行应力远比设计冰厚为10 mm时小，这对抗振十分有利.经计算设计冰厚为10 mm，地线钢丝强度分别为1 270、1 370 MPa时，所有档距地线平均运行应力占破坏应力的百分比均大于12%；而设计冰厚为20 mm，地线钢丝强度分别为1 270、1 370 MPa时，大部分代表档距下地线年平均运行应力占破坏应力的百分比均小于12%.《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》[3]中规定地线是否需要进行防振是根据其年平均运行应力占破坏应力的百分比是否超过上限值（12%），按该规定进行地线的防振设计.因此，设计冰厚10 mm时，地线全部档距均需采取防振措施；设计冰厚15 mm时，地线部分档距需防振，部分档距不需防振；设计冰厚20 mm及以上地区绝大多数不需采取防振措施.
高强度的地线需采取防振措施时的年平均运行应力大于强度较低的地线的年平均运行应力，故抗振效果会稍差.但如果按照年平均运行应力的绝对值进行防振设计，那两者抗振效果应相近.因此，采用高强度的钢绞是可行的，也是经济的.
提高钢丝强度对提高地线的覆冰过载能力有利.表5为ZM2塔地线设计冰厚为20 mm、档距为500 m，地线应力达到破坏应力的70%[3]时的允许冰厚（若考虑非线性变形的情况，允许冰厚会略有增加）.
从表5可看出，将GJ80钢丝强度从1 270 MPa提高到1 470 MPa时，其允许冰厚与GJ100钢丝强度1 270 MPa时的允许冰厚一致.
4结论及建议
经分析可得出主要结论为：
（1） 加大地线截面可提高地线的安全系数，增加地线的过载能力.由于它作用于杆塔的荷载增加，使杆塔变重，但杆塔的安全度没有提高.
（2） 在导线和塔头尺寸不变的情况下，加大地线的设计冰厚，地线的实际应力没有改变，故地线的安全系数没有提高.但将原来的超载工况变为正常工况，增加了杆塔地线支架的荷载，致使杆塔需要得到加强.
（3） 增加地线不均匀冰的工况，并将该工况下的荷载组合系数提高，这样增加了作用于地线支架上的荷载，致使杆塔需要得到较大的加强.
（4） 提高地线的抗拉强度，可以提高地线的安全系数，提高了地线过载能力.
综合上述情况提出几点建议：
（1） 在设计冰厚为15 mm地区，LGJ300/40导线可选用GJ80地线，导线、地线配合也能满足要求.设计冰厚为20 mm及以上的地区，导线往往选用较大钢芯的钢芯铝绞线，地线型号也可以加大一级，如果导线钢芯不加大，地线规格也可以不加大.
（2） 地线支架设计验算时设计冰厚比导线的增加5 mm为宜.增加太多会使地线截面增大，地线规格加大，加重了杆塔的荷载，使杆塔加重，但杆塔的安全度并没有提高，故增加5 mm已足够.
（3） 建议地线的钢丝抗拉强度采用1 470 MPa，以提高地线的安全系数.如在设计冰厚为15 mm的地区，选用强度为1 470 MPa的GJ80地线安全系数可达4.2.而作用于杆塔上的荷载前者要比后者小.
关于提高钢丝的抗拉强度后的防振问题，建议作一次振动疲劳试验，以确定不需防振的应力值.在无试验结果的前提下，建议仍按强度为1 270 MPa的地线年平均运行应力进行防振设计.
参考文献：
[1]陆佳政，将正龙.湖南电网2008年冰灾事故分析[J].电力系统自动化，2008，2（3）：2931.
[2]黄剑波，吴开贤.输电线路雨雪冰冻灾害研究[J].电网与清洁能源，2008，24（3）：2428.
[3]GB 50545―2010.110 kV～750 kV架空输电线路设计规范[S].北京：人民出版社，2010.
[4]国家电力公司东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册[M].2版.北京：中国电力出版社，2003.
[5]DL/T 5440―2009.重覆冰架空输电线路设计技术规程[S].北京：中国电力出版社，2009.