±800kV特高压直流输电线路整体可靠度分析

±800kV特高压直流输电线路整体可靠度分析

张凌瑞

国网蒙东检修公司鄂尔多斯市输电工区 内蒙古 呼和浩特 010020

摘要：作为电力传输的骨干线路，其整体可靠性直接关系到整个输电系统的安全和稳定。对于输电线路的可靠度分析，国内外已形成一些有价值的成果。然而，以往更多的研究集中在杆塔结构的分析上，整个输电线路整体的可靠度分析较为少见。对某输电线路典型耐张段的可靠度进行了较为详细地分析。然而，上述分析方法难以应用于整个线路，其主要原因为如导地线、杆塔、绝缘子及金具等元件数量的急剧增加而导致的可靠度分析的困难。因此，有必要探索可行的输电线路整体可靠度分析方法。

关键词：特高压；输电线路；整体；串联体系；体系可靠指标

引言

使用±800kV特高压输电线路供电将是我国未来几年中电网建设的主流方向。特高压直流线路能有效输送大容量的电能，拓展线路走廊单位面积，进而增加电力的输送容量。塔形体积大、呼高高、导线数目繁多等是特高压输电线路的典型特征，通常架设在崇山峻岭之中，地势较高，线路设计会根据现场的情况设计出杆塔型号及高度，这是±800kV特高压直流输电线路常规检修作业过程中危险性高的主要原因。

1串联体系模型

输电线路是一个复杂的工程系统，由多个塔线系统串联连接，任何塔线系统的损坏或故障都会直接影响整个输电体系的正常运行。因此，整个输电线路可被认为是以各单个塔线体系为功能子单元的串联系统。此外，就单塔线系统而言，除杆塔本身外，还包括导地线、绝缘子和金具等组件，上述各组件的破坏也会影响线路的正常运行，每个塔线系统也可以由各组件构成的串联体系进行模拟。

2杆塔可靠度分析

在计算某一基杆塔整体体系可靠指标的过程中，需要对杆塔开展大量的非线性有限元分析计算。若采用此方法逐基计算以估算整个线路的可靠指标，对于具有数千基杆塔的输电线路来说很难实现。因此需要分析档距、风速及呼高等基本随机变量对杆塔体系可靠指标的影响规律，以期找到一种有效的简化估算方法。

2.1可靠指标近似评估方法

可靠指标近似评估方法思路如下：首先，结合典型杆塔的可靠度分析结果，针对影响可靠指标的特征参数，建立估算每个杆塔可靠指标的显式模型；然后，基于显式模型的杆塔可靠指标分析结果，采用串联系统的可靠度分析方法，近似评估整个线路的可靠度。其中，本节仅考虑杆塔的整体屈服作为杆塔失效的情形。

档距、风速和呼高是影响输电线路塔线系统可靠指标最大的基本随机变量，且在研究过程中发现，塔线系统可靠指标与这三个基本随机变量近似呈非线性关系。而根据实际地形地貌及气象条件，采用归并设计的每基杆塔实际使用条件与设计条件存在一定的差别。因此，为反映对可靠指标的影响，考虑引入三个基本参数，即档距比l=L/L0，风速比v=V/V0，呼高比h=H/H0，其中，L、V、H分别为杆塔实际使用档距、实际风速以及实际呼高，L0、V0、H0分别为设计档距、设计风速及设计呼高。通过选取典型杆塔，对上述三个基本参数进行拟合分析，得出可靠指标的变化规律。

2.2可靠指标参数分析

以某±800kV特高压工程为例，线路总长为1441.0km。其中，占线路总长度70%的为27m/s风区，相应风区的杆塔数量众多。因此，选取Z2713典型塔，分析其档距、风速以及呼高等基本随机变量对杆塔本身体系可靠指标的影响规律。

3冰风组合下输电线路可靠度分析

本文选取单个输电杆塔作为研究对象，对其在冰风组合下的可靠度分析进行建模，主要包括以下几个部分:

1)收集输电线路设计中荷载和抗力的统计参数，并确定每个参数的概率分布类型，荷载包括:永久荷载、风荷载、覆冰荷载;抗力包括:杆塔轴心受力抗力、杆塔轴心受压稳定抗力、绝缘子串抗力、金具抗力、导地线抗力;

2)根据分布函数选择可靠指标计算方法，分别计算杆塔结构、绝缘子、金具和导地线4个元件的可靠指标;

3)用串联结构系统模拟系统失效路径组成的事件，进行整体系统的可靠指标计算;

4)根据可靠指标计算结果提出各部分的可靠度提升措施。

4系统可靠指标的计算方法

4.1杆塔结构子系统

输电线路的杆塔是由多个杆件组合而成，在杆件重力、绝缘子重力、导地线重力以及风荷载和覆冰荷载等的共同作用下，杆塔受力平衡，形成超静定结构。但若其中一个杆件失效，整个杆塔的受力将再次分布，如果多个杆件失效，且这些杆件形成了一个失效路径，则可能导致整个杆塔体系的失效。由于导致一个杆塔体系失效可能有多条失效路径，而这些失效路径对于整个杆塔体系失效而言为或逻辑，因此，需要采用串联结构系统的方法进行多条失效路径下杆塔体系可靠度的计算。

4.2绝缘子子系统

现将一个输电杆塔上绝缘子的失效构成一个串联系统，系统可靠度的计算方法与杆塔结构系统的计算方法相同。5抗风防冰提升措施分析GB50068—2001规定结构构件发生脆性破坏的目标可靠指标为4.2，发生延性破坏的目标可靠指标为3.2。元件可靠指标较低的薄弱构件入手，对它们进行适当的加固，提升容易演化成失效破坏点的构件可靠度。直线塔中导线的绝缘子和耐张塔中导线的金具的元件可靠度相对较低，可对这两个部分进行相应加强，如在V形绝缘子串上加装子间隔棒减小风荷载下的偏移，以缓解绝缘子串受力不平衡的状况，或使用机械强度较大的金具等。此外，在直线塔的一个塔线系统中，导地线系统的可靠指标偏低，说明在冰风组合下，导线和地线发生断线掉线的概率相对较大。由表6可见，元件可靠指标最低的是地线，因此，有必要对易发生冰灾和风灾区域的输电线路地线采取相应措施，尤其是直线塔，合理减小输电线路的档距，多风灾和冰灾的环境下合理增加输电杆塔的数量，减少输电线路导线张力，能有效减少线路舞动带来的危害。在额定覆冰荷载和额定风荷载下，输电线路塔线结构各子系统的系统可靠指标均大于规范规定的目标可靠指标，其中，耐张塔杆塔结构的系统可靠指标偏低，明显低于相同环境下直线塔的系统可靠指标。因此，在冰风组合下要加强耐张塔的防灾措施配置。

结语

通过本文分析，得出主要结论如下：

1)在常用的串联体系可靠指标计算方法中，史蒂文森—摩西算法应用较多，也是本文采用的计算方法。

2)采用精确的分析方法难以逐个计算杆塔可靠指标。档距、风速及呼高是影响输电线路塔线体系可靠指标最大的基本随机变量，通过计算分析得到了杆塔可靠指标与上述三个参数间的显性表达式。

3)以某±800kV特高压工程为例，所计算的输电线路体系可靠指标界限为：1.9229≤β≤4.1385。

4)在单元不完全相关时，估算整个输电线路的可靠指标为β=2.4895。

参考文献

[1]李茂华，李正，杨靖波.特高压输电线路杆塔可靠度研究[J]．电网技术，2010，34(5)：21-24．

[2]熊铁华，梁枢果，邹良浩．风荷载下输电铁塔的失效模式及其极限荷载[J]．工程力学，2009，26(12)：100-111．

[3]李致宇．大风覆冰条件下输电杆塔可靠性模型的研究[J]．安全与环境工程，2010，17(3)：59-63．

[4]张卓群，李宏男，贡金鑫等．输电线路一个耐张段的体系可靠度[J]．电力建设，2014，35(5)：42-49．

[5]王松涛，吴海洋，杨景胜等．输电线路耐张段塔线体系可靠度分析[J]．中国电业技术，2014(10)：65-69．