沿海220kV架空輸電線路耐張塔風(fēng)偏故障分析和防風(fēng)措施探討

【摘要】為了進(jìn)一步提高輸電線路供電可靠性，減少架空線路受強(qiáng)風(fēng)影響造成的線路跳閘現(xiàn)象。本文結(jié)合江門地區(qū)輸電線路運(yùn)行實(shí)際情況，計(jì)算分析了沿海地區(qū)220kV架空輸電線路耐張塔風(fēng)偏故障原因， 通過實(shí)例介紹了沿海線路耐張鐵塔防風(fēng)改造的方法、措施和應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】架空線;風(fēng)偏;故障分析;措施

1.線路因風(fēng)偏故障跳閘情況

江門市地處南部沿海，臺(tái)風(fēng)多。輸電線路風(fēng)偏跳閘是近年來江門電網(wǎng)故障中較為突出的一類。運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，2008年度江門電網(wǎng)受臺(tái)風(fēng)影響引起的線路跳閘約占跳閘總數(shù)的41%。而風(fēng)偏故障因其故障后不易重合成功，但臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)的季節(jié)往往正值迎峰度夏期間，線路大負(fù)荷運(yùn)行，這不僅影響區(qū)域供電，而且容易引起電網(wǎng)振蕩甚至解列，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來較大危害。

如：2008年9月，受第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“黑格比”（最大陣風(fēng)：50m/s）影響，位于沿海的220kV銅能、銅水線等四回線路相繼故障跳閘，兩回線路均重合不成功，而220kV銅能線N14、N16、銅水線N18、N19故障點(diǎn)跳線、橫擔(dān)均有放電灼傷痕跡.采用的桿塔型號(hào)為GJ型耐張塔，故障相別均為干字形鐵塔的中相。

2.線路風(fēng)偏故障分析

2.1 導(dǎo)線舞動(dòng)的分析

圖1 導(dǎo)線波形圖

導(dǎo)線振動(dòng)波沿導(dǎo)線呈“駐波”分布，波形為正弦波（如圖1所示）。而導(dǎo)線舞動(dòng)實(shí)際上是一種復(fù)雜的垂直、水平和扭轉(zhuǎn)的三維運(yùn)動(dòng)，因此導(dǎo)線舞動(dòng)的出現(xiàn)帶有明顯的隨機(jī)性，既有在覆冰和覆雪的導(dǎo)線上發(fā)生的，也有大跨越線段上發(fā)生的，也可在一般的線檔內(nèi)發(fā)生。導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理研究認(rèn)為：當(dāng)導(dǎo)線受到橫向速度的風(fēng)力作用時(shí)，導(dǎo)線將產(chǎn)生一個(gè)向上（下）加速度運(yùn)動(dòng)，即除了垂直運(yùn)動(dòng)外，還使導(dǎo)線受到一個(gè)空氣動(dòng)力力矩的作用而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的頻率與其垂直運(yùn)動(dòng)的頻率同步時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線舞動(dòng)和擺動(dòng)。一般振幅加大0.3～3米，最大者超過10米，表現(xiàn)在桿塔固定點(diǎn)上就會(huì)是：順線路方向的舞動(dòng)和垂直線路的扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)，這是極易引起線路風(fēng)偏的一個(gè)重要原因。

2.2 大風(fēng)對(duì)線路跳閘的影響分析

風(fēng)速是導(dǎo)線風(fēng)偏的必備條件，不同風(fēng)速有不同的影響，風(fēng)速在5-25m/s（4～8級(jí)）時(shí)易發(fā)生導(dǎo)線跳躍，但在二級(jí)氣象區(qū)內(nèi)一般不會(huì)導(dǎo)致故障發(fā)生;大風(fēng)（特別是陣風(fēng)）易使導(dǎo)線發(fā)生不同期擺動(dòng)，可能發(fā)生對(duì)附近物體或塔身的放電。特別是在微氣象地區(qū)，當(dāng)風(fēng)向垂直導(dǎo)線軸向夾角大于45°時(shí)，易形成擺動(dòng)發(fā)生風(fēng)偏。

當(dāng)風(fēng)力作用于導(dǎo)線上，垂直于線路方向的分量將使導(dǎo)線產(chǎn)生橫線路的搖擺偏移，搖擺幅度取決于風(fēng)速、絕緣子、導(dǎo)線自重等因素，搖擺到一定角度后，導(dǎo)線與塔身的距離減少，小于正常運(yùn)行時(shí)的空氣間隙，在工頻電壓下空氣隙擊穿放電。而且大風(fēng)條件下，導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)特性與空間電荷的分布被改變，降低了空氣的絕緣強(qiáng)度，也可能造成相同電壓下較大間隙的放電。

按現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)程對(duì)輸電線路風(fēng)速的設(shè)計(jì)規(guī)定為：離地10米高處30年一遇10分鐘的平均最大值，臺(tái)山地區(qū)按全國(guó)風(fēng)壓圖驗(yàn)算，風(fēng)速的基準(zhǔn)值應(yīng)取值35米/秒。而實(shí)際上，由氣象臺(tái)了解到的瞬時(shí)風(fēng)速相差較大。對(duì)于一般線路，水平檔距、垂直檔距多在幾百米以上，采用平無基準(zhǔn)風(fēng)速是合適的，但對(duì)于跳線設(shè)計(jì)中，因跳線長(zhǎng)度較短（不足10米），大風(fēng)可以在較短時(shí)間內(nèi)吹動(dòng)整段跳線，從而引起線路閃絡(luò)跳閘。

而臺(tái)山電廠線路出線大都處于高山、峽谷、山口等特殊地段，輸電線路所承受的風(fēng)力，要超過目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這也是造成近年來風(fēng)偏故障的主要因素之一。

3.導(dǎo)線風(fēng)偏計(jì)算分析

從歷年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，“干”字型塔邊、中相引流線風(fēng)偏放電占線路風(fēng)偏放電的大多數(shù)，下面通過風(fēng)偏搖擺角計(jì)算，及典型故障例子，探究線路風(fēng)偏放電的原因。

3.1 耐張塔跳線風(fēng)偏分析

造成跳線對(duì)塔身放電有兩種情況：一是實(shí)際風(fēng)速未超過設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)發(fā)生的放電，這是由于間隙設(shè)計(jì)不滿足耐受電壓或施工中跳線安裝誤差而引起的;二是實(shí)際風(fēng)速超過設(shè)計(jì)風(fēng)速而發(fā)生的放電跳閘。

輸電線路跳線搖擺角的計(jì)算公式為：

式⑥

式中：

——導(dǎo)線跳線的搖擺角，單位：度;

g4——垂直于線路方向的風(fēng)壓比載，單位：kg/mm·m：

g1—— 跳線的自重比載，單位：kg/mm·m。

導(dǎo)線風(fēng)壓比載的計(jì)算公式為：

式⑦

式中：

——導(dǎo)線風(fēng)速不均勻系數(shù)，跳線取=1.0。

——導(dǎo)線的體型系數(shù)，線徑小于17mm 或覆冰時(shí)（不論線徑大?。?yīng)取=1.2 ;線徑大于或等于17mm 時(shí) 取1.1。

d——導(dǎo)線直徑，mm;

V——風(fēng)速，m/s;

導(dǎo)線自重比載的計(jì)算公式為：

g1=P1/A " " " " " " " " " " " " 式⑧

式中：

P1——導(dǎo)線自重，單位：kg/m;

A——導(dǎo)線截面積，單位：mm2。

以220kV銅能線#16塔計(jì)算，該塔為轉(zhuǎn)角約40o，A相采用饒?zhí)绞?，在地線橫擔(dān)上掛雙懸垂合成絕緣子串加重錘的方式。經(jīng)計(jì)算，在工頻電壓（35m/s）的情況下，跳線的風(fēng)偏角為76o。由于風(fēng)偏放電發(fā)生時(shí)伴有雷雨天氣，空氣潮濕，絕緣性能降低。另外，在強(qiáng)風(fēng)作用下，雨水會(huì)沿著風(fēng)向形成定向的間斷型水線，如果水線的方向與放電閃絡(luò)路徑相同，有可能使空氣間隙的放電電壓大為降低。因此認(rèn)為線路發(fā)生風(fēng)偏放電時(shí)一是導(dǎo)線風(fēng)偏角很大，二是雨水降低了放電間隙的放電電壓，三是設(shè)計(jì)中對(duì)局部微氣候區(qū)、強(qiáng)風(fēng)區(qū)等特殊區(qū)域考慮不全，設(shè)計(jì)風(fēng)偏計(jì)算值不滿足局部微氣候條件，在桿塔設(shè)計(jì)中跳線與塔身距離偏小，使得桿塔的風(fēng)偏裕度偏小。耐張塔風(fēng)偏主要表現(xiàn)在“干字型”塔中中相跳線和外側(cè)邊相跳線在大風(fēng)時(shí)對(duì)塔身放電?！案伞弊中退邢嘁€多采用單串瓷絕緣子加撐管懸掛，中相引線較長(zhǎng)，繞過塔身的前后側(cè)，在風(fēng)力作用下引線搖擺幅度較大。

銅鼓電廠220千伏線路出線多為單回路線路，其中轉(zhuǎn)角塔均為干字型轉(zhuǎn)角塔，當(dāng)線路為小轉(zhuǎn)角時(shí)，中相跳線導(dǎo)線對(duì)塔身距離側(cè)較少，在受到臺(tái)風(fēng)作用的情況下，容易引起跳線導(dǎo)線對(duì)塔身距離不足而引起閃絡(luò)跳閘。

中相跳線風(fēng)偏放電原因分析：

下面以“干”字型GJ401-14/17塔中相為例：選擇氣象工況為最大風(fēng)速40m/s、氣溫15℃、覆冰厚度0mm。計(jì)算絕緣子風(fēng)偏搖擺角如表1所示：

絕緣子水平風(fēng)壓：

Pj=（n+1）AjV2/1.6

=15×0.03×402/1.6=450N

絕緣子串聯(lián)接金具重量：

G0=2.16×9.8=21.17N

絕緣子串全長(zhǎng)：

l=2044+780=2824mm=2.824m

L=lsinθ=2.824sin33.26o=1.549m

引流線距離鐵塔塔材最近點(diǎn)為2m。

所以此時(shí)發(fā)生風(fēng)偏的跳線至塔材角鐵的最大距離：

e=2-1.549=0.451mlt;0.55m

根據(jù)風(fēng)偏搖擺角繪制塔頭間隙圓圖如圖2所示，當(dāng)搖擺角達(dá)到33.26°，小弧垂的間隙圓相割于桿塔上的R1、R2點(diǎn)，引流線與塔身主材最近距離僅0.451m。由于引線長(zhǎng)度較大，在個(gè)別馳度大的地方又形成了0.3m的小弧垂，也在另一種程度更減少了0.451m的距離，導(dǎo)致空氣隙擊穿放電，線路跳閘。可見風(fēng)速大、引流線重量輕、馳度大是“干”字型塔中相引流線風(fēng)偏放電的主要原因。

圖2 干字型鐵塔中相懸垂絕緣子串風(fēng)偏示意圖

4.預(yù)防和控制導(dǎo)線風(fēng)偏的探討

雙回路及單回路轉(zhuǎn)角塔邊相導(dǎo)線使用跳線防風(fēng)偏合成絕緣子串。該跳線絕緣子串頂端固定于橫擔(dān)上，當(dāng)受到大風(fēng)的作用時(shí)，整串絕緣子串的擺動(dòng)小于0.8米，可有效地保證跳線導(dǎo)線對(duì)塔身的安全距離，及防止跳線大幅度頻繁擺動(dòng)造成耐張塔跳線與引流板壓接處鋁線發(fā)生斷股事故。

具體布置方式為：當(dāng)線路轉(zhuǎn)角在15度至45度之間時(shí)，外角側(cè)掛單串跳線防風(fēng)偏合成絕緣子串，線路轉(zhuǎn)角大于45度時(shí)掛雙串跳線防風(fēng)偏合成絕緣子串。

對(duì)于單回路轉(zhuǎn)角塔，除按設(shè)計(jì)規(guī)定掛設(shè)跳線絕緣子串外，在線路中相懸掛的相應(yīng)位置加裝兩條支撐槽鋼（如圖3所示），使用兩條防風(fēng)偏合成絕緣子對(duì)跳線串支撐，以保證跳線導(dǎo)線對(duì)塔身的安全距離。

圖3 中相支撐槽鋼安裝圖

耐張塔中相跳線防風(fēng)偏改造措施：

“干”字型鐵塔中相防風(fēng)偏改造可以采用獨(dú)立掛點(diǎn)的雙絕緣子串加裝支撐槽鋼的方式進(jìn)行，兩絕緣子串間間距以1.5m～1.8m為宜，一方面絕緣子產(chǎn)生不同期搖擺可以抵消部分風(fēng)力作用，限制了風(fēng)偏搖擺角，使引流線與塔身主材的空氣間隙將進(jìn)一步增大;另一方面，不拆除原來的單串玻璃絕緣子和選用雙放風(fēng)偏絕緣子串也很大程度上加大了絕緣子的自重，有效穩(wěn)定跳線在臺(tái)風(fēng)的狂刮下而不過于大幅度頻繁擺動(dòng)，防止跳線風(fēng)偏對(duì)塔身放電造成線路跳閘。通過防風(fēng)偏合成絕緣子（如圖4所示）串上端與支撐槽鋼水平鐵垂直固定，來控制跳線擺動(dòng)幅度。由于支撐絕緣子端部采用金具聯(lián)接結(jié)構(gòu)，且金具的“T”形端頭具有較大接觸面，用螺栓剛性聯(lián)接，與鐵塔橫擔(dān)聯(lián)接穩(wěn)定。

防風(fēng)偏合成絕緣子解決了現(xiàn)有技術(shù)中合成絕緣子重量輕，防風(fēng)偏能力差，容易發(fā)生風(fēng)偏放電事故的不足，充分利用了絕緣子玻璃引拔棒具有較強(qiáng)的剛?cè)崽匦宰枘岷鸵种骑L(fēng)偏的能力，減小瞬時(shí)風(fēng)偏所產(chǎn)生的大力矩，保證發(fā)揮合成絕緣子承受拉伸及彎曲載荷，能夠承受風(fēng)偏擺動(dòng)。從而避免跳線風(fēng)偏跳閘事故的發(fā)生，有利于線路安全運(yùn)行。

圖4 加裝跳線防風(fēng)偏合成絕緣子示意圖

5.綜合性防風(fēng)偏治理措施

（1）合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)方法

對(duì)新建線路，應(yīng)結(jié)合已有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。對(duì)微氣候、微氣象區(qū)特征明顯，臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地帶，線路的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到最不利的氣象條件組合，適度提高風(fēng)偏放電的設(shè)防水平。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)脑６?，以減少線路投運(yùn)后遇到惡劣天氣時(shí)出現(xiàn)跳閘的可能性。合理選擇在各種氣象條件下，改進(jìn)設(shè)計(jì)手段和方法。在選擇線路走徑時(shí)，應(yīng)盡可能避免橫穿風(fēng)口、沿海平行走向，提高強(qiáng)風(fēng)地帶的絕緣配置和機(jī)械強(qiáng)度。對(duì)局部微氣象、微地形地區(qū)提高風(fēng)速、桿塔、金具、絕緣子等的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，加大電氣距離。

（2）收集運(yùn)行資料，提高防風(fēng)能力

加強(qiáng)對(duì)微氣候區(qū)的觀測(cè)和記錄，積累運(yùn)行資料，應(yīng)加強(qiáng)線路所經(jīng)區(qū)域的氣象資料收集。特別是臺(tái)風(fēng)的數(shù)據(jù)收集，包括發(fā)生時(shí)段、頻率、風(fēng)速、區(qū)域等，并加強(qiáng)導(dǎo)線風(fēng)偏的觀測(cè)和記錄。對(duì)于已運(yùn)行的線路可以進(jìn)行局部改造，抑制風(fēng)偏。

（3）開展科研試驗(yàn)，抑制風(fēng)偏事故

應(yīng)開展有暴雨和強(qiáng)風(fēng)定向作用下空氣間隙的工頻放電試驗(yàn)， 得出數(shù)據(jù)及曲線，為今后的風(fēng)偏設(shè)計(jì)提供合理的技術(shù)依據(jù)和參數(shù)。應(yīng)研究輸電線路塔上氣象參數(shù)及導(dǎo)線風(fēng)偏的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為確定輸電線路桿塔上最大瞬時(shí)風(fēng)速、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、強(qiáng)風(fēng)下的導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)軌跡等提供直接的技術(shù)依據(jù)。對(duì)設(shè)計(jì)中氣象條件的選定，各種不利氣象條件的組合，風(fēng)偏計(jì)算中的參數(shù)設(shè)定等應(yīng)進(jìn)一步探討和研究。

6.結(jié)論

隨著電網(wǎng)發(fā)展和延伸，通過復(fù)雜地形及惡劣氣候條件地區(qū)的輸電線路日益增多，設(shè)計(jì)、運(yùn)行各部門應(yīng)進(jìn)一步深入開展對(duì)有關(guān)微地形對(duì)風(fēng)速的影響、局部地區(qū)大風(fēng)等災(zāi)害性天氣規(guī)律的研究，加強(qiáng)設(shè)計(jì)和改造力度，優(yōu)化維護(hù)方案，從而提高線路設(shè)計(jì)水平，減少輸電線路風(fēng)偏等故障損失。當(dāng)然，這僅僅是對(duì)江門地區(qū)架空輸電線路的研究分析和建議，對(duì)輸電線路風(fēng)偏問題的研究還需在今后長(zhǎng)期的實(shí)踐中不斷完善、充實(shí)和提高。

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作者簡(jiǎn)介：利國(guó)華（1965—）， 男，廣東江門人， 長(zhǎng)期從事送電線路運(yùn)行管理工作。