500 kV輸電線路防風(fēng)偏措施探討

鄭連勇，張　君，朱德祎

（1．國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南　250118；2．國網(wǎng)山東省電力公司，濟南　250001）

500 kV輸電線路防風(fēng)偏措施探討

鄭連勇1，張君1，朱德祎2

（1．國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南250118；2．國網(wǎng)山東省電力公司，濟南250001）

風(fēng)偏跳閘事故對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的影響極大。分析500 kV聊長Ⅰ線和500 kV川淄線發(fā)生風(fēng)偏事故的形成原因，提出預(yù)防風(fēng)偏的多項措施。在不改變現(xiàn)有鐵塔結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變掛線方式及提高觸發(fā)風(fēng)偏最大值等方法，有效地降低風(fēng)偏跳閘事故發(fā)生機率，確保架空輸電線路的安全運行。

風(fēng)偏；最大值；簡諧振動；輸電線路

0　引言

近年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷加快，山東省內(nèi)500 kV輸電線路數(shù)量快速增加，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，線路風(fēng)偏故障數(shù)量也顯著增加。2011—2014年，山東電網(wǎng)所轄500 kV線路共發(fā)生風(fēng)偏跳閘8次，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行影響極大。

1　風(fēng)偏產(chǎn)生原因

1.1風(fēng)偏概述

風(fēng)偏是指架空輸電線路在風(fēng)的作用下導(dǎo)線發(fā)生位移，使其對鐵塔的距離小于最小安全距離的現(xiàn)象，可能會造成線路放電跳閘故障。三相導(dǎo)線發(fā)生位移時方向一致，各相導(dǎo)線之間相對距離幾乎保持不變，所以檔距中間不會發(fā)生相間放電故障。若線路在覆冰的狀態(tài)下因不同期脫冰和風(fēng)的作用，使得導(dǎo)線發(fā)生位移造成相間故障，將其歸為線路舞動，在此不做研究。

1.2風(fēng)偏產(chǎn)生的原因

發(fā)生線路風(fēng)偏跳閘的本質(zhì)原因是由于在大氣環(huán)境中出現(xiàn)的各種不利條件造成線路空氣間隙減小。當(dāng)間隙的電氣強度不能承受系統(tǒng)運行電壓時就會發(fā)生擊穿放電。2013年7月25日，500 kV聊長Ⅰ線101號塔發(fā)生風(fēng)偏跳閘故障，邊相對塔身放電，氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示故障發(fā)生時間段內(nèi)瞬時風(fēng)速最高達到40 m/s。強風(fēng)或颮線風(fēng)的作用下使得絕緣子串向桿塔方向傾斜，減小了導(dǎo)線與桿塔的空氣間隙，當(dāng)該間隙寬度滿足不了絕緣強度要求時就會發(fā)生放電［1］。

風(fēng)沒有超過設(shè)計時，風(fēng)的疊加作用依然可以導(dǎo)致風(fēng)偏跳閘故障的發(fā)生。2013年8月1日，500 kV川淄線87號塔發(fā)生風(fēng)偏跳閘故障，左相對塔身放電，導(dǎo)線及鐵塔左曲臂有較為清楚的放電痕跡，結(jié)合現(xiàn)場莊稼倒伏情況判斷，線路故障時，故障桿塔周邊遭遇瞬時強風(fēng)，風(fēng)力并沒有超過設(shè)計風(fēng)速，但依然發(fā)生了風(fēng)偏跳閘。絕緣子串在理想狀態(tài)下會以懸垂位置為中心進行有規(guī)律的簡諧振動，擺幅在安全距離以內(nèi)，不會造成風(fēng)偏跳閘。但若絕緣子串受到一次或者多次與其擺動方向一致的風(fēng)的作用，絕緣子串?dāng)[幅增大，振動能量增加，直至距離不滿足要求時，會發(fā)生風(fēng)偏跳閘。

2防風(fēng)偏措施

針對風(fēng)偏發(fā)生的原因，提出改變掛線方式和提高觸發(fā)風(fēng)偏最大值等措施，并以500 kV聊長Ⅰ線101號塔為例，進行相關(guān)計算和驗證。

2.1加裝重錘片

當(dāng)懸垂絕緣子串在風(fēng)力的作用下發(fā)生搖擺時，由于加裝重錘片，在重力的作用下，絕緣子串趨于恢復(fù)其靜止時的初始位置。聊長Ⅰ線101號塔每相絕緣子加裝14片重錘片，隨著絕緣子串搖擺角的變化，在重錘片重力作用下，金具串水平方向的分力作如下變化，如圖1所示。

圖1　金具串受力

圖中：F垂直為絕緣子串垂直荷載；F水平為絕緣子串水平荷載；F垂直為增加重錘片后增加的垂直荷載；ΔF水平為垂直荷載增加后，水平荷載相應(yīng)的增加值。

由圖1可見，加裝重錘片后，水平分力增加，搖擺的觸發(fā)力相應(yīng)增加，進而提高最大風(fēng)偏值和導(dǎo)線的抗風(fēng)偏能力，但是效果有限。通過聊長Ⅰ線101號塔風(fēng)偏計算進行驗證。

2.1.1設(shè)計參數(shù)

聊長Ⅰ線101號塔風(fēng)偏設(shè)計參數(shù)為：導(dǎo)線型號LGJ-400/35，桿塔型號ZBV40，設(shè)計風(fēng)速30 m/s，水平檔距388 m，垂直檔距400 m。

2.2.2荷載計算

1）導(dǎo)線風(fēng)荷載［2］

式中：a為電線風(fēng)壓不均勻系數(shù)，設(shè)計風(fēng)速為30 m/s，取值為0.61；μsc為電線體型系數(shù)，導(dǎo)線直徑d＞17 mm時，取值為1.1；βc為風(fēng)載調(diào)整系數(shù)，設(shè)計風(fēng)速為30m/s，取值為1.2；d為導(dǎo)線直徑，取值為26.82 mm；lH為桿塔水平檔距，取值為388 m；K1為風(fēng)速高度變化系數(shù)，呼高為30 m，取值為1.067；v為設(shè)計風(fēng)速，取值為30 m/s。

故水平導(dǎo)線風(fēng)荷載為

2）絕緣子串風(fēng)荷載公式

式中：n1為相導(dǎo)線所用的絕緣子串?dāng)?shù)，取值為1；n2為每串絕緣子片數(shù)，復(fù)合絕緣子等效片數(shù)為28片；Ap為每片絕緣子的受風(fēng)面積，按雙傘裙考慮，取值為0.04 m2；kz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取值為1.14；v為設(shè)計風(fēng)速，取值為30 m/s。

故絕緣子串風(fēng)荷載為

3）導(dǎo)線自重荷載的計算公式

式中：K為導(dǎo)線單位長度重量，導(dǎo)線型號LGJ-400/ 35，取值為1.349 kg/m；lH為桿塔垂直檔距，取值為400 m。

故導(dǎo)線自重荷載為

4）重錘片垂直荷載的計算公式

式中：g為單片重錘片的重量，取值為0.02 kg；S為單相加裝重錘片的數(shù)量，取極限值為14。

故重錘片垂直荷載為

5）搖擺角計算

未加裝重錘片的風(fēng)偏角為

加裝重錘片后的風(fēng)偏角

6）加裝重錘片前后的受力分析如圖2所示。

未加裝重錘片時，水平風(fēng)荷載為導(dǎo)線水平風(fēng)荷載和絕緣子串水平風(fēng)荷載疊加值；

加裝重錘片后，風(fēng)偏角減小為θ2，假設(shè)角度為θ2時垂直荷載仍為FG1，則等效水平荷載FG1tan θ2=19.55 kN；

所以增加重錘片后，抵消的水平風(fēng)荷載=ΔF水平= （FW1+0.5FW2）-FG1tan θ2=2.27 kN。

圖2　加裝重錘片前后的受力分析

可知，增加重錘片后搖擺角變化較小，抵消的水平風(fēng)荷載數(shù)值較小，只是加大了搖擺的觸發(fā)力，對控制搖擺效果有限，即使加裝重錘片數(shù)量到達極限值時，其抵消的水平風(fēng)荷載只有2.27 kN。

2.2安裝輔助絕緣子串

為有效破壞絕緣子串簡諧振動形式，適當(dāng)減小振動能量，考慮加裝側(cè)向輔助復(fù)合絕緣子，設(shè)計如圖3所示?，F(xiàn)從復(fù)合絕緣子受壓性能、水平風(fēng)力抵消、線路穩(wěn)定運行等方面來驗證該方案的可行性。

圖3　加裝側(cè)向輔助復(fù)合絕緣子

2.2.1復(fù)合絕緣子的受壓性能

導(dǎo)線在風(fēng)力作用下發(fā)生的振動會對絕緣子串施加水平載荷，兩支絕緣子的受力狀況將發(fā)生變化。水平載荷較大時，帶電部分將會發(fā)生位移，其中一支絕緣子承受壓力，一支承受拉力。復(fù)合絕緣子可以看作大柔度細(xì)長桿。當(dāng)載荷大于臨界載荷時，復(fù)合絕緣子仍具有承載能力，并且隨著側(cè)向撓度和軸向壓縮量的增加，承載能力相應(yīng)增加。所以，受壓絕緣子可以承受很大的壓應(yīng)力和軸向壓縮，而保持穩(wěn)定的大屈曲狀態(tài)［3］。

有研究曾針對復(fù)合絕緣子的受壓屈曲特性進行了分析，得到了載荷與屈曲幅值關(guān)系的精確解［4］。該分析過程選取試樣的結(jié)構(gòu)長度為3 240 mm、直徑24 mm，根據(jù)受力分析（如圖4所示）計算得到軸向壓縮量ΔL與最大應(yīng)力Smax的關(guān)系（如圖5所示）。在絕緣子的屈曲破壞試驗中，24 mm直徑芯棒絕緣子屈曲破壞的最大軸向壓縮距離為1 800 mm，查圖5可知達到試驗中屈曲破壞時的軸向壓縮量1 800 mm，此時對應(yīng)的最大應(yīng)力值為1 027 MPa（圖5中A點），對應(yīng)的屈曲破壞荷載為46.4 kN。

圖4　受壓屈曲受力分析　

圖5　軸向壓縮量ΔL與最大應(yīng)力σmax

2.2.2復(fù)合絕緣子水平風(fēng)荷載抵消

根據(jù)圖3設(shè)計方案，開展了相關(guān)驗證，針對絕緣子在風(fēng)作用下的簡諧振動進行試驗，分別測試了靠近鐵塔側(cè)和遠(yuǎn)離鐵塔側(cè)的水平拉力，驗證輔助絕緣子破壞振動形式的作用，如圖6所示。試驗中，復(fù)合絕緣子由受拉狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌籂顟B(tài)，根據(jù)拉力計的數(shù)據(jù)，絕緣子從開始彎曲至模擬發(fā)生風(fēng)偏位置時，共產(chǎn)生6 kN的水平支撐力。

圖6　現(xiàn)場試驗布置圖

該試驗證明安裝側(cè)向輔助絕緣子可以減小最大風(fēng)偏角，同時其在彎曲過程中不斷變化的支撐力可以有效破壞原懸垂復(fù)合絕緣子的簡諧振動，減小振動能量。

2.3.3運行穩(wěn)定性

該設(shè)計方案施工簡單，無需停電進行，安裝方便。側(cè)向合成絕緣子穩(wěn)定良好的受壓和受拉性能，是對原有結(jié)構(gòu)的有效完善，即使破壞也不影響線路安全運行。

綜上可知，安裝輔助復(fù)合絕緣子可以承受一定的壓力和拉力，在一定程度上可以破壞絕緣子串簡諧振動形式，減小振動能量，在一定程度上減小風(fēng)偏發(fā)生的概率。

2.3邊相絕緣子“I”串改“V”串

目前，工程設(shè)計中“V”型絕緣子串（簡稱“V”串）連接是防風(fēng)偏的一種有效措施。該方案設(shè)計時可忽略絕緣子串風(fēng)偏角，只需按照工頻電壓、外過電壓、內(nèi)過電壓以及帶電作業(yè)4種條件下規(guī)程規(guī)定的最小安全距離來考慮橫擔(dān)尺寸。如圖7所示。

圖7　“V”串結(jié)構(gòu)

改為“V”串，夾角選擇尤為關(guān)鍵。夾角小，在不大的風(fēng)荷載作用下，背風(fēng)肢絕緣子串處于受壓；夾角大，絕緣子串所受拉力增大，但背風(fēng)肢絕緣子串在較大風(fēng)荷時才處于受壓狀態(tài)。為避免最大風(fēng)偏時，絕緣子串過度受壓導(dǎo)致絕緣子損傷或脫落，“V”串的夾角的一半宜大于或等于最大風(fēng)偏角，常規(guī)的“V”串設(shè)計為了避免絕緣子承受壓載荷，往往采用較大的“V”型夾角，一般為90°～120°。

復(fù)合絕緣子具有穩(wěn)定良好的受壓性能。因此，在保證導(dǎo)線擺動幅度以及受壓絕緣子的最大應(yīng)力限制在允許范圍內(nèi)的前提下，可以減小“V”串的夾角，從而減小塔頭尺寸和線路走廊，提高線路的輸電能力。國內(nèi)相關(guān)結(jié)構(gòu)研究結(jié)果表明：當(dāng)載荷比（水平荷載與垂直荷載的比值）小于2.194時，大于60°夾角的“V”串都可以安全運行，考慮安全裕度，可以將“V”串夾角設(shè)為65°［4］。

由“I”型絕緣子串（“I”串）改“V”串時，邊橫擔(dān)長度不能滿足安裝需要，需根據(jù)“V”串最終確定邊橫擔(dān)增加長度。以聊長Ⅰ線101號塔為例，“V”串夾角分別為120°和65°時，由“I”串改“V”串時鐵塔本體改造結(jié)果如表1所示，鐵塔如圖8所示。

圖8　ZB40鐵塔單線圖

表1　“I”串改“V”串鐵塔本體改造結(jié)果

“V”串夾角為65°時橫擔(dān)增加長度遠(yuǎn)小于120°時增加的值。盡管如此，在運行線路采用此方案時需針對現(xiàn)有橫擔(dān)進行改造，施工較復(fù)雜且成本較高，故雖該方案對于抑制中相風(fēng)偏有良好作用但不適用于邊相防風(fēng)偏改造。

2.4邊相絕緣子“I”串改“Y”串

“Y”型絕緣子串（“Y”串）是一種較新的架空輸電線路絕緣子串布置方式，在減小風(fēng)偏、壓縮走廊等方面有著結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢?！癥”串可以分解為上部“V”串與下部“I”串的組合型式，如圖9所示。

對于上部“V”串，在輸電線路設(shè)計中，一般視為剛體，不考慮風(fēng)偏角的影響；下部的“I”串的長度小于原設(shè)計中的“I”串，擺動半徑明顯減小?！癥”串在防風(fēng)偏方面的優(yōu)勢說明見圖10［5］。

圖9　“Y”串結(jié)構(gòu)　

圖10　“Y”串防風(fēng)偏

O點為原絕緣子掛點，Q點為“Y”串的中心點。在水平風(fēng)的作用下，原“I”串的擺動原點為O點，“Y”串的擺動原點為Q點。假設(shè)發(fā)生風(fēng)偏時原“I”串的風(fēng)偏角為α，從圖中可以看出，“Y”串發(fā)生風(fēng)偏至同樣角度α?xí)r，帶電體與鐵塔的距離遠(yuǎn)小于原“I”串與鐵塔的距離，此時不會發(fā)生風(fēng)偏放電。

綜上可知，“Y”串在防風(fēng)偏方面具有良好作用。但采用此方案時仍需針對現(xiàn)有橫擔(dān)進行改造，施工較復(fù)雜且成本較高，故同樣雖該方案對于抑制中相風(fēng)偏有良好作用但不適用于邊相防風(fēng)偏改造。

2.5安裝導(dǎo)線下拉線

已運行的輸電線路，所在區(qū)域若風(fēng)力特別強，風(fēng)偏故障發(fā)生概率高，采取上述措施和方法后效果不明顯，可以采取在導(dǎo)線側(cè)安裝絕緣拉線的方法穩(wěn)固導(dǎo)線。

但是該方法只能作為臨時性的防范措施，且缺點突出：一是占地面積較大，妨礙農(nóng)田水利建設(shè)，安全防范措施成本高；二是由于風(fēng)偏轉(zhuǎn)動不靈活，長時間受力，線路金具易疲勞破壞。

3　結(jié)語

對運行中的輸電線路，通過加裝重錘片可以增加風(fēng)偏振動的觸發(fā)值，在一定程度上提高線路抗風(fēng)偏能力；通過加裝側(cè)向輔助絕緣子可以破壞風(fēng)偏振動形式并減小線路風(fēng)偏角；由“I”串改“V”、“Y”串可以限制風(fēng)偏，但只適用于中相改造，不適用于邊相改造。針對運行中的500 kV輸電線路，可以采用安裝輔助絕緣子和加裝重錘片兩種方案配合使用的方法，有效地降低風(fēng)偏發(fā)生的機率，提高架空輸電線路運行的安全性。

［1］王聲學(xué)，吳廣寧，范建斌，等.500 kV輸電線路懸垂絕緣子串風(fēng)偏閃絡(luò)的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（9）：65-69.

［2］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊［M］第二版.北京：中國電力出版社，2002.

［3］林毓锜，陳瀚，樓志文.材料力學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1994.

［4］樂波，候鐳，王黎明，等.330 kV緊湊型線路V型合成絕緣子的荷載性能研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（15）：91-95.

［5］范建斌，武雄，黃志秋，等.Y型絕緣子串交流和直流電壓分布特性［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（14）：6-9.

Measures of Preventing Wind Deflection for 500 kV Transmission Lines

ZHENG Lianyong1，ZHANG Jun1，ZHU Deyi2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

Tripping accidents due to wind deflection have enormous influence upon safe and stable operation of power grid. Causes of wind deflection are analyzed for the 500 kV Liao-ChangⅠtransmission line and 500 kV Chuan-Zi transmission line and preventive measures to prevent wind deflection are proposed.Under the premise maintaining the existing tower structure，the risk of tripping accidents due to wind deflection can be effectively reduced by such methods as changing the mounting of transmission line and increasing the maximum of triggering wind deflection.These methods can ensure the safe operation of overhead transmission lines.

wind deflection；maximum；harmonic vibration；transmission lines

TM75；TM723

A

1007-9904（2015）09-0009-05

2015-04-03

鄭連勇（1974），男，高級工程師，從事輸電線路運行與檢修管理工作。