輸電線路覆冰舞動(dòng)原因分析及預(yù)防措施

王曉彪，于洪海，肖信昌

(國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

輸電線路覆冰舞動(dòng)原因分析及預(yù)防措施

王曉彪，于洪海，肖信昌

(國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司，吉林 長(zhǎng)春 130021)

介紹了長(zhǎng)春地區(qū)2起大范圍輸電線路覆冰舞動(dòng)的異常情況；結(jié)合發(fā)生覆冰舞動(dòng)的輸電線路的基本狀況，從線路方向、地區(qū)環(huán)境、線路規(guī)格、懸掛參數(shù)等方面分析了覆冰舞動(dòng)產(chǎn)生的原因；并提出了針對(duì)性的預(yù)防措施，有利于改進(jìn)輸電線路的供電可靠性，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

輸電線路；覆冰舞動(dòng)；相間間隔棒；預(yù)防措施

0 引言

高壓輸電線路是地區(qū)電網(wǎng)的重要組成部分，其運(yùn)行質(zhì)量對(duì)安全供電有著重要影響。野外輸電線路相間絕緣主要是靠空氣，其絕緣距離隨電壓等級(jí)的升高而增大，導(dǎo)線間必須保證一定的安全距離。如果因某種原因?qū)е孪嚅g、相地距離小于安全絕緣距離，就會(huì)引起導(dǎo)線相間、相地間放電或擊穿，造成導(dǎo)線短路、燒損甚至斷線，形成輸電線路相間短路事故或斷線事故，在線路繼電保護(hù)裝置作用下，輸電線路會(huì)停電，進(jìn)而破壞地區(qū)電網(wǎng)完整性。

在天氣寒冷地區(qū)，覆冰舞動(dòng)是影響導(dǎo)線間絕緣距離的重要因素。2009—2010年，長(zhǎng)春地區(qū)受惡劣天氣的影響，連續(xù)2年出現(xiàn)大范圍的輸電線路導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)異常情況，威脅地區(qū)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。因此有必要對(duì)此現(xiàn)象發(fā)生的原因進(jìn)行分析、探討。

1 發(fā)生覆冰舞動(dòng)的輸電線路狀況及事故影響

2起輸電線路發(fā)生覆冰舞動(dòng)的基本狀況如表1，2所示。從表中可知，因?qū)Ь€覆冰舞動(dòng)引起的相間、相地間瞬時(shí)短路，共計(jì)造成10條66—500 kV輸電線路故障跳閘。特別是2010-04-12覆冰舞動(dòng)動(dòng)作幅度大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 h，同時(shí)引起線路桿塔傾斜倒塌、金具損壞、絕緣子斷裂、導(dǎo)線脫落等嚴(yán)重的設(shè)備事故，造成瞬間停電事故多達(dá)13次，對(duì)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的影響。

2 導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)原因分析

2.1 覆冰形成的原因和過(guò)程

導(dǎo)線覆冰是由空氣溫度、濕度、冷暖空氣對(duì)流、環(huán)流、風(fēng)速以及風(fēng)向等多重氣象因素綜合導(dǎo)致的一種物理現(xiàn)象，主要發(fā)生在初冬或初春季節(jié)。當(dāng)氣溫下降至-5—0 ℃，風(fēng)速為3—15 m/s(即3—6級(jí)風(fēng))時(shí)，如遇雨夾雪、大霧、小雨等天氣，首先會(huì)在導(dǎo)線上形成雨凇；如果氣溫隨后升高，則雨凇融化；融化后，如果天氣繼續(xù)轉(zhuǎn)晴，則停止覆冰；如果隨后天氣驟然變冷，溫度下降至-15—-8 ℃，冷水滴或雪會(huì)在粘結(jié)強(qiáng)度較高的雨凇面上迅速增長(zhǎng)，逐漸形成覆冰層。單導(dǎo)線覆冰發(fā)展過(guò)程如圖1所示。

表1 2010-04-12長(zhǎng)春地區(qū)覆冰舞動(dòng)線路的事故調(diào)查

表2 2009-03-05長(zhǎng)春地區(qū)覆冰舞動(dòng)線路事故調(diào)查

圖1 單導(dǎo)線覆冰發(fā)展過(guò)程

易誘發(fā)導(dǎo)線舞動(dòng)的典型冰形如圖2所示。其中：第1，2，4，5種冰形，當(dāng)覆冰層在迎風(fēng)面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的舞動(dòng)；第3種冰形只有風(fēng)從覆冰層背面吹來(lái)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生舞動(dòng)。

圖2 易誘發(fā)導(dǎo)線舞動(dòng)的典型冰形

長(zhǎng)春地區(qū)發(fā)生的2次覆冰舞動(dòng)中，其覆冰層均形成于背風(fēng)面，屬于典型冰形的第3種。這證實(shí)了冰形、覆冰方位和風(fēng)向之間的相互關(guān)系對(duì)誘發(fā)舞動(dòng)具有決定影響。

2.2 影響導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)的主要因素

2.2.1 線路的走向與風(fēng)向

分析覆冰舞動(dòng)線路的走向，除500 kV某1，2號(hào)線舞動(dòng)段為南北走向外，220 kV某西線、66 kV某九甲(乙)線、66 kV某公甲(乙)線、66 kV某哈線、66 kV某營(yíng)線舞動(dòng)段均為東西走向，而東北地區(qū)冬季普遍的西北風(fēng)，正與東西走向線路的導(dǎo)線軸線成45°—90°夾角，形成了有利于舞動(dòng)激發(fā)與擴(kuò)展的地理?xiàng)l件。線路與風(fēng)向關(guān)系如圖3所示。

圖3 線路與風(fēng)向關(guān)系

線路的走向固定，是不變參數(shù)，而風(fēng)向是可變參數(shù)。當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線平行或與導(dǎo)線之間的夾角小于45°或大于150°時(shí)，覆冰舞動(dòng)較輕；當(dāng)風(fēng)向與導(dǎo)線垂直或風(fēng)向與導(dǎo)線之間的夾角大于45°或小于150°時(shí)，覆冰舞動(dòng)比較嚴(yán)重。

特別是500 kV某1，2號(hào)線及66 kV某九甲(乙)線，在導(dǎo)線軸線與風(fēng)向成45°—90°夾角的十幾檔、甚至幾十檔內(nèi)，均觀測(cè)到不同程度的導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)情況。而與之相連的轉(zhuǎn)向后線路(夾角小于45°)，雖然2者氣象條件與線路條件完全相同，卻沒(méi)有出現(xiàn)覆冰舞動(dòng)跡象。由此可見(jiàn)，線路走向與風(fēng)向的夾角起決定性作用。500 kV輸電線65—88號(hào)地段與風(fēng)向關(guān)系如圖4所示。

2.2.2 地區(qū)環(huán)境

發(fā)生導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)的地區(qū)，多數(shù)為平原、河口、大跨越等空曠的平原開闊地帶，因?yàn)檫@些地區(qū)風(fēng)力比市區(qū)、城郊、山區(qū)、丘陵等地區(qū)更大，有利于舞動(dòng)的形成，另外，線路附近的湖泊、水庫(kù)等產(chǎn)生的濕暖氣流更有利于導(dǎo)線覆冰的形成，進(jìn)而導(dǎo)致舞動(dòng)的產(chǎn)生。500 kV某1，2號(hào)線路所經(jīng)過(guò)的地區(qū)環(huán)境如圖5所示。

圖4 500 kV輸電線65—88號(hào)地段與風(fēng)向關(guān)系

圖5 舞動(dòng)線路經(jīng)過(guò)的地區(qū)環(huán)境

2.2.3 導(dǎo)線類型與參數(shù)

覆冰舞動(dòng)多發(fā)生在LGJ-240及以上型號(hào)導(dǎo)線及分裂導(dǎo)線的線路上。由此可以總結(jié)出2個(gè)規(guī)律：分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線易發(fā)生覆冰舞動(dòng)；大截面導(dǎo)線比小截面導(dǎo)線易發(fā)生覆冰舞動(dòng)。

500 kV某1，2號(hào)線發(fā)生覆冰舞動(dòng)時(shí)，目測(cè)其四分裂導(dǎo)線上下起伏的幅度為10 m左右。發(fā)生如此嚴(yán)重舞動(dòng)的原因在于分裂導(dǎo)線覆冰形狀與單導(dǎo)線覆冰形狀的差別。對(duì)于單導(dǎo)線的軸線，其覆冰一般都是偏心且處于迎風(fēng)面上，偏心必然帶動(dòng)導(dǎo)線沿軸線扭轉(zhuǎn)，從而改變導(dǎo)線的迎風(fēng)面，出現(xiàn)新的迎風(fēng)面和新的覆冰層。如此反復(fù)扭轉(zhuǎn)，使得導(dǎo)線的覆冰界面逐漸接近圓形，削弱了作用在導(dǎo)線上的空氣動(dòng)力荷載，對(duì)舞動(dòng)起到了一定的抑制作用。而對(duì)于分裂導(dǎo)線而言，由于每隔一段距離會(huì)安裝間隔棒，在間隔棒的作用下扭轉(zhuǎn)剛度增加，迎風(fēng)面覆冰后導(dǎo)線難以發(fā)生扭轉(zhuǎn)，致使偏心覆冰情況加劇，從而增加了作用在分裂導(dǎo)線上的空氣動(dòng)力荷載。因此，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線易發(fā)生覆冰舞動(dòng)。

大截面的導(dǎo)線比小截面的更易產(chǎn)生舞動(dòng)，這也與其自身的扭轉(zhuǎn)剛度有很大關(guān)系。大截面的導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度大，在偏心覆冰后不易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，更多的覆冰層逐漸在迎風(fēng)面增多、增厚，使迎風(fēng)面及背風(fēng)面的覆冰層厚度差增大。由于大截面的偏心覆冰情況比小截面導(dǎo)線嚴(yán)重得多，因此產(chǎn)生舞動(dòng)的幾率較高。

500 kV某1，2號(hào)線發(fā)生的覆冰舞動(dòng)驗(yàn)證了以上觀點(diǎn)。

2.2.4 導(dǎo)線懸掛高度及檔距

從發(fā)生覆冰舞動(dòng)的地段看，其中多數(shù)桿塔相對(duì)較高、檔距相對(duì)較大。特別是500 kV某1，2號(hào)線，發(fā)生覆冰舞動(dòng)的耐張段72—88號(hào)，總檔距6 881 m，代表檔距437.92 m，桿塔平均呼稱高為35.12 m，平均全高60 m以上。因此總結(jié)規(guī)律：導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)的幅值與桿塔高度、檔距大小呈正相關(guān)關(guān)系，桿塔越高，檔距越大，線路發(fā)生覆冰舞動(dòng)時(shí)其上下起伏的幅度就越大，舞動(dòng)越嚴(yán)重；反之，桿塔越低、檔距越小，舞動(dòng)幅值越小。

長(zhǎng)春地區(qū)發(fā)生的輸電線路舞動(dòng)屬于典型的導(dǎo)線偏心覆冰舞動(dòng)。2009年之前，東北地區(qū)的初春和初冬季節(jié)，空氣干燥、有冰時(shí)無(wú)風(fēng)、有風(fēng)時(shí)無(wú)冰，一般不具備覆冰舞動(dòng)的條件，所以過(guò)去30年里從未發(fā)生過(guò)覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象。2009年之后，隨著全球氣候變暖，每逢3，4月份會(huì)出現(xiàn)冷暖交替的雨雪天氣，空氣濕度大、晝夜溫差明顯，又因春季的大風(fēng)天氣，濕度、溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等誘因出現(xiàn)了耦合。這種天氣通常持續(xù)10—20天，在此期間，輸電線路隨時(shí)可能發(fā)生覆冰舞動(dòng)。

3 預(yù)防措施

為了有效預(yù)防輸電線路覆冰舞動(dòng)的發(fā)生，在輸電線路可能發(fā)生舞動(dòng)的異常地區(qū)，根據(jù)舞動(dòng)原因，提出以下幾種預(yù)防措施。

(1) 在導(dǎo)線舞動(dòng)地區(qū)增設(shè)防風(fēng)帶。通過(guò)植樹造林改變風(fēng)向，但此措施耗時(shí)長(zhǎng)，不會(huì)馬上見(jiàn)效。

(2) 改變導(dǎo)線路徑與風(fēng)向夾角。新建輸電線路時(shí)，應(yīng)考慮導(dǎo)線路徑與風(fēng)向夾角，但會(huì)因此增加投資費(fèi)用，成本較高。

(3) 增設(shè)抑舞動(dòng)相間間隔棒。在輸電線容易產(chǎn)生導(dǎo)線舞動(dòng)異常的地區(qū)，在相間導(dǎo)線之間增設(shè)相間間隔棒，一般1個(gè)檔距內(nèi)裝設(shè)2—3個(gè)。此方法成本低，適應(yīng)性好，便于實(shí)施。

經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，凡是裝設(shè)相間間隔棒的導(dǎo)線，再?zèng)]有發(fā)生因舞動(dòng)產(chǎn)生相間、導(dǎo)地線間、導(dǎo)線對(duì)地間擊穿短路的事故。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)原因分析，研究制定了增設(shè)抑舞動(dòng)相間間隔棒的措施，經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，該措施可以有效防止導(dǎo)線偏心覆冰舞動(dòng)，簡(jiǎn)單而有效，目前已被廣泛應(yīng)用。雖然增設(shè)相間間隔棒增加了檢查維護(hù)試驗(yàn)工作量，卻以較低成本解決了線路覆冰舞動(dòng)的問(wèn)題，為電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行起到積極作用。

預(yù)防輸電線路覆冰舞動(dòng)是長(zhǎng)期、系統(tǒng)的工作，需要在實(shí)際運(yùn)行工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)采用新方法、新技術(shù)、新手段，有效地預(yù)防覆冰舞動(dòng)的發(fā)生，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2016-10-28。

王曉彪(1961—)，男，高級(jí)工程師，主要從事電網(wǎng)建設(shè)管理等工作，email：782753212@qq.com。

于洪海(1976—)，男，高級(jí)技師，主要從事輸電線路運(yùn)維、檢修、帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)施工工作。

肖信昌(1938—)，男，高級(jí)技師，主要從事電力培訓(xùn)工作。