500 kV同塔雙回線路舞動(dòng)故障機(jī)理分析及整改措施

陶禮兵，龔堅(jiān)剛，吳明祥，李君斌

（1.衢州電力局，浙江 衢州 324000；2.浙江省電力公司，杭州 310007；3.浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014； 4.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

為減小輸電線路走廊通道，提高線路輸送容量，500 kV同塔雙回線路在浙江電網(wǎng)得到了大量應(yīng)用。近年來(lái)，輸電線路遭受自然災(zāi)害侵襲的幾率明顯增多，而經(jīng)濟(jì)、社會(huì)對(duì)電網(wǎng)的依賴(lài)程度卻日益增強(qiáng)，500 kV同塔雙回線路出現(xiàn)故障停運(yùn)將會(huì)對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過(guò)一起典型的同塔雙回輸電線路舞動(dòng)故障及其機(jī)理分析，對(duì)新建和運(yùn)行中的同塔雙回線路提出了相應(yīng)整改措施。

1 導(dǎo)線舞動(dòng)故障簡(jiǎn)況

2010年1月5日，衢州地區(qū)受北方強(qiáng)冷空氣影響，出現(xiàn)了較大范圍的罕見(jiàn)低溫雨雪冰凍天氣，江山市、衢州主城區(qū)一帶突降凍雨，同時(shí)伴隨有3～4級(jí)東北風(fēng)，天氣狀況惡劣，短時(shí)間內(nèi)造成2條500 kV線路相繼跳閘，使衢州500 kV系統(tǒng)與大網(wǎng)聯(lián)系中斷長(zhǎng)達(dá)11 h，僅2回220 kV線路送江山、常山、開(kāi)化、衢州航埠供區(qū)6個(gè)220 kV變電所，斷面超載5萬(wàn)kW，電網(wǎng)安全供電形勢(shì)十分嚴(yán)峻。

根據(jù)故障信息并結(jié)合線路維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行人員于當(dāng)晚10∶30在雙信5465線（安龍5466線）196-197號(hào)（41-42號(hào)）檔中發(fā)現(xiàn)疑似故障點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，檔內(nèi)導(dǎo)線劇烈舞動(dòng)，垂直方向振動(dòng)約10 m左右、水平方向擺動(dòng)約3～4 m，舞動(dòng)頻率在10～20 min，波形多為1～3個(gè)半波，舞動(dòng)波腹和波谷在整個(gè)耐張段內(nèi)依次傳遞，但是在跨越檔振幅最為劇烈，故障線路跳閘情況見(jiàn)表1。次日上午8時(shí)風(fēng)力減弱，導(dǎo)線舞動(dòng)減小，線路試送成功。

第3日天氣轉(zhuǎn)晴，經(jīng)檢修人員登塔巡查，發(fā)現(xiàn)雙信5465線197號(hào)塔小號(hào)側(cè)約150 m處，A相上子導(dǎo)線（2根）與B相下子導(dǎo)線（2根）各有一處長(zhǎng)度為3～4 m的斷續(xù)性放電痕跡；安龍5466線41號(hào)大號(hào)側(cè)約150 m處，C相上子導(dǎo)線（1根）與B相下子導(dǎo)線（1根）各有一處長(zhǎng)度為2～3 m的斷續(xù)性放電痕跡；而桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子金具等未見(jiàn)明顯異常，舞動(dòng)線路受損導(dǎo)線情況見(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)線放電痕跡

2 舞動(dòng)機(jī)理分析

架空輸電線路在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因自然災(zāi)害而發(fā)生多種事故，舞動(dòng)就是其中危害較為嚴(yán)重的一種。舞動(dòng)是不均勻覆冰導(dǎo)線在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的一種低頻率（約0.1～3 Hz）、大振幅（可達(dá)10 m以上）的自激振動(dòng)。根據(jù)導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理，輸電線路舞動(dòng)故障是否形成一般應(yīng)具備3個(gè)要素，即非對(duì)稱(chēng)覆冰、風(fēng)激勵(lì)以及線路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

2.1 非對(duì)稱(chēng)覆冰狀況

據(jù)浙江省氣象臺(tái)資料顯示，衢州站在1月5日20時(shí)至6日8時(shí)零度層下降到地面，且零度層的相對(duì)濕度在85%以上，故障段跨越烏溪江、局部濕度更大；同時(shí)該時(shí)段伴5～20 mm的降雨；當(dāng)夜線路運(yùn)行人員巡查匯報(bào)，故障線路明顯有不對(duì)稱(chēng)覆冰現(xiàn)象產(chǎn)生，測(cè)量導(dǎo)線脫落下來(lái)的覆冰厚度：迎風(fēng)面為2～5 mm，背風(fēng)面為10～15 mm。

2.2 風(fēng)激勵(lì)狀況

持續(xù)、恒定、恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)力，是架空輸電線路發(fā)生舞動(dòng)的要素之二。大量文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料表明，在導(dǎo)線覆冰的情況下，當(dāng)風(fēng)速在5～15 m/s且風(fēng)向與線路夾角大于45°時(shí)，導(dǎo)線易發(fā)生舞動(dòng)。結(jié)合浙江省氣象臺(tái)信息數(shù)據(jù)，按2 min和10 min風(fēng)向平均值統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力與風(fēng)向無(wú)重大變化，其與線路夾角為 37°～38°； 風(fēng)速平均值在 5～6 m/s。

由于故障段線路所處地形為中間低、兩邊高（見(jiàn)圖2），平地段約1300 m，故障檔所處位置四周平坦開(kāi)闊、中間跨越烏溪江，江面寬度約400 m，容易因狹管效應(yīng)形成 “穿堂風(fēng)”，不僅改變風(fēng)向，同時(shí)增大風(fēng)速。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)植被倒伏跡象，判斷當(dāng)時(shí)風(fēng)向夾角約50°，風(fēng)力略大于4級(jí)（8 m/s）、約為10～15 m/s，實(shí)際風(fēng)力信息見(jiàn)表2。

圖2 故障線路路徑走向

表1 故障線路跳閘情況

表2 故障點(diǎn)臨近氣象站風(fēng)力風(fēng)向信息

2.3 線路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)分析

運(yùn)行資料表明：在相同的條件下，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線容易發(fā)生舞動(dòng)，大截面的導(dǎo)線比小截面的導(dǎo)線易發(fā)生舞動(dòng)。導(dǎo)線張力越大，弧垂越小，發(fā)生舞動(dòng)和相間碰線的可能性越小，但張力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)增強(qiáng)，損傷導(dǎo)線線股，故張力應(yīng)控制在恰當(dāng)范圍內(nèi)。跨越檔兩側(cè)分別采用SZV2A（45）和 SZVKA（54）自立塔各 1基， 導(dǎo)地線雙回路垂直排列、絕緣子V形串雙曲線布置，桿塔結(jié)構(gòu)和參數(shù)見(jiàn)圖3和表3所示。

2.4 模擬空間放電過(guò)程推演

結(jié)合圖3可知，500 kV鐵塔垂直間距為10.5 m、水平偏移值為1 m，間隙符合現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程；但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，由于本檔弧垂較大且跨越江面，檔內(nèi)導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)上揚(yáng)幅度高達(dá)10 m左右，舞動(dòng)軌跡在垂直于導(dǎo)線軸向的平面內(nèi)近似橢圓，橢圓長(zhǎng)軸與短軸的長(zhǎng)度比在10∶3左右。由橢圓運(yùn)行軌跡可知，當(dāng)導(dǎo)線上揚(yáng)至最高點(diǎn)時(shí)，其水平偏移值非常小甚至可以忽略不計(jì)，但是考慮到上下導(dǎo)線間的不同期舞動(dòng)（下相導(dǎo)線往上運(yùn)行、上相導(dǎo)線往下運(yùn)行）和橢圓非標(biāo)準(zhǔn)的因素，故不同相間最小空氣間隙值在0.5～1 m。參考《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》中關(guān)于空氣間隙的工頻擊穿特性棒-棒曲線可知，交流電壓500 kV的空氣擊穿間隙值在0.9～1 m，可見(jiàn)導(dǎo)線相間凈空距離小于相間擊穿電壓閥值，發(fā)生相間短路跳閘。由現(xiàn)場(chǎng)檢查返回的導(dǎo)線放電痕跡照片也佐證了這一點(diǎn)。

根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)程，為防止出現(xiàn)500 kV系統(tǒng)失穩(wěn)，當(dāng)發(fā)生相間故障時(shí)繼電保護(hù)重合閘設(shè)置閉鎖，故首次跳閘未重合；經(jīng)試送成功16 min后，在風(fēng)力作用下，不同期舞動(dòng)再次發(fā)生，致使線路再次跳閘，試送失敗。

3 線路防舞動(dòng)措施比較

舞動(dòng)是由于能量的輸入導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)造成的，是一種動(dòng)力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。故防舞治理主要以線性動(dòng)力穩(wěn)定性理論作為基礎(chǔ)，通常有以下防舞動(dòng)措施。

（1）安裝雙擺裝置或偏心重錘防舞器。利用雙擺裝置（見(jiàn)圖4）或偏心重錘吸收輸入能量，破壞諧振頻率，降低舞動(dòng)幅值；適用于分裂導(dǎo)線，安裝方便，防舞效果較好。同時(shí)應(yīng)注意對(duì)微風(fēng)振動(dòng)的影響，防止導(dǎo)線局部應(yīng)力過(guò)大而損傷線股。

（2）將固定式間隔棒更換為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒（見(jiàn)圖5）。利用回轉(zhuǎn)式間隔棒的活動(dòng)性，降低四分裂導(dǎo)線的剛度，當(dāng)導(dǎo)線迎風(fēng)面覆冰累積到一定的厚度時(shí)，間隔棒可自動(dòng)回轉(zhuǎn)，使導(dǎo)線由不對(duì)稱(chēng)覆冰改為對(duì)稱(chēng)覆冰，氣流無(wú)法在導(dǎo)線平面產(chǎn)生上升角。安裝時(shí)應(yīng)確保方向正確，活動(dòng)側(cè)對(duì)準(zhǔn)迎風(fēng)面，固定側(cè)對(duì)準(zhǔn)背風(fēng)面。

表3 跳閘線路主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 故障塔頭部結(jié)構(gòu)布置

圖4 雙擺防舞器

圖5 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒

（3）安裝不同相相間間隔棒。目的是固定各相導(dǎo)線相對(duì)位置，利用各導(dǎo)線間存在的阻尼作用，相互吸收振動(dòng)能量，破壞諧振頻率。適用于220 kV及以下線路，可能存在老化、彎曲等問(wèn)題，且安裝較困難。

（4）檔中加塔，三相子導(dǎo)線間隔棒采用不等均安裝法或拆除。減小檔距后降低了導(dǎo)線舞動(dòng)的幅值。不等距安裝，使各次檔距動(dòng)態(tài)特性各不相同，振動(dòng)能量相互吸收，工程費(fèi)用較高，停電時(shí)間較長(zhǎng)。

4 對(duì)事故線路采取的整治方案

經(jīng)上述比較分析，針對(duì)本次500 kV線路劇烈舞動(dòng)現(xiàn)象，建議采用下列防舞措施，以提高線路的抗舞能力，加強(qiáng)輸電線路運(yùn)行的安全可靠性。

（1）綜合抗舞方案設(shè)計(jì)。對(duì)涉及故障檔耐張段全部安裝雙擺防舞器，同時(shí)將固定式間隔棒更換為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒。經(jīng)查閱資料，故障耐張段全長(zhǎng)為2353 m，每條線路均需安裝雙擺防舞器87套，更換線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒147套。每檔內(nèi)雙擺防舞器布置總重為導(dǎo)線總重的7%，單個(gè)雙擺防舞器質(zhì)量30 kg，防舞器分裝在3個(gè)布置點(diǎn)（在布置點(diǎn)中心位置依次等間距布置），如果只有2個(gè)防舞器，則安裝在距小號(hào)檔近的2個(gè)布置點(diǎn)。

（2）對(duì)劇烈舞動(dòng)段線路進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。對(duì)于劇烈舞動(dòng)檔的受損導(dǎo)線，采用0號(hào)砂紙磨平、并以鋁線纏繞；同時(shí)更換合成絕緣子及其連接金具，并對(duì)塔頭掛點(diǎn)處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，防止因本次舞動(dòng)后再發(fā)生其他次生災(zāi)害。

（3）對(duì)舞動(dòng)線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在舞動(dòng)檔兩側(cè)桿塔各安裝1套輸電線路舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和視頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)輸電線路的舞動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)檔內(nèi)的振動(dòng)半波數(shù)、振動(dòng)頻率、振幅等輸電線路舞動(dòng)振動(dòng)特征參數(shù)及風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等氣象資料的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，并根據(jù)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)線路舞動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)視頻的可視化在線監(jiān)控，及時(shí)向運(yùn)行單位提出報(bào)警、預(yù)警。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）500 kV雙信5465線和安龍5466線由于遭受凍雨突襲，輸電線路在短期內(nèi)產(chǎn)生大量非對(duì)稱(chēng)覆冰，在一定風(fēng)力作用下發(fā)生舞動(dòng)，致使導(dǎo)線相間距離不足，故障跳閘。

（2）對(duì)已經(jīng)發(fā)生舞動(dòng)跳閘的同塔雙回線路，可采用安裝雙擺防舞器和回轉(zhuǎn)式間隔棒相結(jié)合的綜合防治措施進(jìn)行整治。對(duì)規(guī)劃新建的線路，可以合理選擇線路走向，盡可能避開(kāi)舞動(dòng)多發(fā)區(qū)；對(duì)無(wú)法避開(kāi)舞動(dòng)多發(fā)區(qū)的線路桿塔，應(yīng)適當(dāng)增大塔頭不同相間電氣凈距，或?qū)θ鄬?dǎo)線采用不同布置方式，將垂直排列線路水平相間偏移值由1 m增大至2 m，降低線路舞動(dòng)跳閘幾率。

（3）由于輸電線路舞動(dòng)治理較為困難，各相關(guān)部門(mén)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)聯(lián)合協(xié)作，研究探索規(guī)律，力爭(zhēng)建立線路舞動(dòng)電氣模型，為科學(xué)防治線路舞動(dòng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為電網(wǎng)安全運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。

[1] 黃經(jīng)亞，架空送電線路導(dǎo)線舞動(dòng)的分析研究[J].中國(guó)電力，1995，2∶21-26.

[2] 張殿生，電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2003.