一起750 kV輸電線路風偏跳閘原因分析及改造措施研究

張振泉，張 東，李曉光，董新勝，楊肖輝，陳艷超

（1.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011；3.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊830011）

一起750 kV輸電線路風偏跳閘原因分析及改造措施研究

張振泉1，張 東2，李曉光2，董新勝2，楊肖輝3，陳艷超3

（1.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊 830000；2.國網(wǎng)新疆電力公司電力科學研究院，烏魯木齊 830011；3.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊830011）

通過一起750 kV輸電線路風偏跳閘事故，首先采用解析法對桿塔風偏后電氣間隙距離進行了計算，得出引起跳閘的危險風偏角。然后根據(jù)規(guī)程法對風偏角進行了計算，計算結果表明，31 m/s設計的桿塔風偏安全裕量不足，其裕量僅為5°，在1.1倍設計風速下就會發(fā)生風偏閃絡。最后根據(jù)現(xiàn)場在線監(jiān)測裝置監(jiān)測風速的標準風速和極大風速進行對比，認為引起輸電線路風偏跳閘的原因主要是極大風速。對于需要進行防風改造的桿塔，分析了各種防風偏措施及其適用范圍，建議采用加裝防風偏拉線的解決措施，以提高輸電線路的抗風能力，提高電網(wǎng)的安全運行水平。

風偏；跳閘，危險風偏角；標準風速；極大風速；防風拉線

0 引言

新疆北倚阿爾泰山脈，南臨喀喇昆侖山脈，中部橫隔天山山脈，塔里木盆地和準噶爾盆地分別位于天山南北，三大山脈和二大盆地的地形造成新疆八大風區(qū)[1-4]。因此造成新疆輸電線路風偏跳閘事故較多，例如2014年4月22日夜間到24日，受強冷空氣影響，北疆各地、天山山區(qū)、哈密等地出現(xiàn)伴有沙塵暴和大風天氣。北疆、東疆大部有重霜凍和有6級左右西北風，風口風力10-11級，三十里、百里風區(qū)的瞬間最大風力達12級以上。截止24日18時，共造成新疆公司所屬110 kV及以上輸電線路跳閘51條70次（故障停運35條），其中750 kV線路3條7次（天中直流、哈天一線陪停），220 kV線路15條26次，110 kV線路16條20次。嚴重影響新疆輸電線路的正常運行，有必要對新疆輸電線路風偏跳閘原因進行分析，制定有針對性的防范措施。

1 風偏事故介紹

下面介紹一起750 kV風偏跳閘事故，09時01分，750 kV吐哈一線跳閘，重合失敗。11時18分，750 kV吐哈一線再次跳閘，重合失敗。兩次故障原因為吐哈一線326號B相（左邊相）風偏后導線側(cè)均壓環(huán)對橫擔放電跳閘。750 kV吐哈二線（線路編號70914）長369.9 km，鐵塔772基，投運時間2010年7月21日。故障桿塔326號塔，設計氣象區(qū)為大風區(qū)，設計風速為31 m/s，型號為ZB131P，呼高36 m。導線、地線型號分別為LGJK-310/50、JLB20A-100，邊、中相串型分別為I串、V串，邊、中相絕緣子型號為1*FXBW-750/210、2*FXBW-750/210。下面對風偏跳閘原因進行分析。

2 750 kV輸電線路風偏問題分析

2.1 風偏后電氣間隙距離計算

現(xiàn)場絕緣子串加上連接金具后如圖1所示。

圖1 絕緣子串帶金具結構圖Fig.1 Insulator string with fittings chart

由于絕緣子串在加掛導線后由于導線的分裂數(shù)，均壓環(huán)結構等影響，把絕緣子串等效成一條線計算風偏后電氣間隙距離會存在一定誤差[5-7]。因此，有必要對絕緣子串懸掛導線后的模型重新進行等效。等效過程中主要考慮均壓環(huán)和導線分裂支撐裝置[8-9]。等效圖見圖2。

圖2 絕緣子加金具等效圖（圖中單位mm）Fig.2 Insulator with fittings equivalent diagram （unit in mm）

桿塔塔頭尺寸見圖3，根據(jù)絕緣子串等效圖，絕緣子串風偏時與桿塔距離見圖4。

圖3 ZB231P桿塔結構參數(shù)圖（圖中長度單位mm）Fig.3 ZB231P tower structural parameters（unit in mm）

圖4 計算風偏后導線距離桿塔塔身距離圖Fig.4 The distance diagram from the wires to the tower after calculating the wind biased

從圖4中可看出，導線和絕緣子在風偏后，均壓環(huán)距離桿塔橫擔距離最近[10-12]，以均壓環(huán)距離桿塔最近的點畫圓，其與橫擔相切處既為最近距離處，既圖中直角處。圖中角a與角c的和是已知，風偏角a已知，L1也可由絕緣子和金具簡化圖計算得出，簡化后L1為7.3 m。對于ZB231P型桿塔，角a與角c的和是81°。同時由圖上三角關系可以得出風偏時導線距離桿塔橫擔最近距離計算公式如下式所示：

以均壓環(huán)距離桿塔最近的點畫圓，其與橫擔相切處既為最近距離處，既圖中直角處。根據(jù)前面分析的風偏后導線距離桿塔橫擔距離的結果，可知L3的計算公式如下：

由圖3可知，對于ZB231P型桿塔，其角e與角f之和是確定的，其和為111°。利用解斜三角形可以求出角e，然后利用角f和L3計算出導線距離塔身最近距離，計算公式如下：

對于線路上使用的其他不同的塔型，可以參照上述方法計算風偏后導線距離塔身及橫擔處的距離，其差別僅是桿塔橫擔向上角度和其他尺寸不同，可以作為桿塔邊相風偏后電氣距離計算的通用方法。

對于ZB231P型桿塔，根據(jù)其桿塔結構參數(shù)和前述計算方法，計算其導線在風偏時距離橫擔見表1。

表1 ZB231P型桿塔導線風偏時電氣間隙距離與風偏角關系 （以40 m塔高）Table 1 The relationship between the clearance distance and wind angle，when ZB231P type wind tower wire wind biased （tower high in 40 m）

2.2 最大允許風速計算

根據(jù)GB50545《110～750架空輸電線路設計規(guī)范》[13]，750 kV帶電部分與桿塔構件最小間隙距離為1.9 m。

為了計算輸電線路在風的風偏角，需要計算導線、地線和絕緣子的風荷截。導線及地線的水平風荷載標準值和基準風壓值，應當按下式計算[14－15]：

式中：WX為與導地線垂直方向的水平風荷截，kN；α為風壓不均勻系數(shù)，一般取0.65；βc為導地線風荷載調(diào)整系數(shù)，一般取0.9；μz為風壓隨高度變化系數(shù)，基準高度10 m處的風壓高度變化系數(shù)按表2進行確定；μsc為導地線的體型系數(shù)，直徑徑小于17 mm或覆冰時（不論直徑大小）應取μsc＝1.2；直徑大于或等于17 mm，取1.1；d為導地線外徑；分裂導線取所有子導線外徑總和，m；LP為桿塔的水平檔距，m；B為覆冰時風荷載增大系數(shù)，覆冰設計5 mm時取1.1，覆冰設計10 mm時取1.2；θ為風向與導地線走向的夾角（°）；V 為基準高度為 10 m 的風速，m/s。

表2 風壓高度變化系數(shù)μzTable 2 Variation coefficient of wind pressure height μz

絕緣子串風荷載的標準值，應按下式計算：

式中：Wt為絕緣子串風荷載標準值，kN；A1為絕緣子串承受風壓面積計算值，m2。

假設絕緣子串和導線為剛體，風吹時絕緣子串和導線不產(chǎn)生任何彎曲或變形[16－17]；同時將風壓力視為靜態(tài)力，均勻作用在導線和絕緣子串上；得出導線在風荷載作用下達到平衡狀態(tài)時靜力分析圖見圖5。

圖5 靜力平衡時風偏分析圖Fig.5 The wind biased analysis chart when static equilibrium

根據(jù)圖5中受力分析，可得風偏角φ的計算公式如下：

式中：Fd為垂直于導線方向的水平風荷截，N；Fj為絕緣子串風荷載，N；Gd為導線垂直荷載，N；Gj為絕緣子串重力荷載，N。

根據(jù)前面允許風偏角計算值，取線路平均檔距500 m，導線參數(shù)見表3，計算得出不同桿塔在工頻和操作過電壓下允許風速值見表4和表5。

表3 不同線路段導線型號Table 3 Different models of wire line section

表4 不同型號桿塔不跳閘的允許風速值Table 4 Different types of towers without tripping permissible wind speed values

表5 不同高度桿塔的重合成功允許風速值Table 5 Coincidence of different heights to allow success tower wind speed values

3 風偏跳閘原因分析

2014年4月23日297號桿塔微氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖6所示，從圖中可以看出，標準風速最大28.9 m/s，最大風速最大值29.2 m/s，極大風速最大值43.4 m/s。

圖6 297號塔微氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 No.297 tower micro－meteorological monitoring data

根據(jù)前面分析可知，在標準風速小于34 m/s時，ZP231P型桿塔不會發(fā)生風偏跳閘，但現(xiàn)場實際發(fā)生了風偏跳閘，由此可見，采用標準風速計算輸電線路風偏角存在偏小的情況，與現(xiàn)場情況不符。

根據(jù)線路在風偏時的受力分析，對于ZB231P型桿塔，其在風偏達到61°時電氣間隙距離將小于1.9 m。以檔距500 m，風速在33 m/s時ZB231P型桿塔在風偏時將產(chǎn)生放電，導線風壓在33 m/s時78.682 kN。

根據(jù)圖4，在風偏角從0°到61°時，導線運動距離9.276 m。其在運動時平均加速度78 682/4 824/2=8.16 m/s2。由此可計算其上升時間為1.51 s。而風速不可能從0直接上升至33 m/s，在風速上升過程中，可能已經(jīng)有一定的風偏角度，雖然之前的風速可能達不到放電所需風速，在此時若有陣風出現(xiàn)，達到放電距離只需很短的時間，所以造成線路跳閘的原因是瞬時風速過大造成的。

根據(jù)表5不同型號桿塔重合成功允許風速值和圖6事故發(fā)生時監(jiān)測到的標準風速值可以看出，事故段所采用的桿塔為ZB231P桿塔，其重合成功時的風偏允許值為26 m/s，而現(xiàn)場監(jiān)測到的標準風速值為28 m/s左右，所以很難重合成功。

4 750 kV線路風偏問題解決措施

4.1 邊相橫擔增加垂直掛架

從前面分析的不同桿塔的電氣間隙距離可以看出，在風偏時大部分型號桿塔線路距離橫擔距離比距離塔身距離較近，在塔頭增加垂直掛架相當于增加了線路與橫擔之間的距離[18－19]，可以減小風偏時導線與橫擔的距離，加裝垂直掛架效果見圖7。圖7中1為橫擔，2為垂直掛架，3為加強支撐。

圖7 防風偏拉索安裝圖Fig.7 Wind cable installation diagram

采用防風偏塔頭改造效果，對于ZB231P型桿塔，加裝垂直掛架長度為1 m時，其允許風偏角提高到66°，還不能滿足防風偏要求。對于其他類型桿塔，應當根據(jù)風速實際情況來校驗風偏角，然后再綜合考慮是否采用垂直掛架的改造措施。

4.2 采用防風偏拉索

防風偏拉索安裝見圖8，圖中1為防風偏拉索。該方案相對傳統(tǒng)加裝重錘的方式減少了對桿塔的影響，不需要停電改造，可以帶電安裝，綜合費用低于加裝重錘的方式；相對于I型串改V型串的抗風偏措施來說，采用防風偏拉索的方案不需要改變桿塔橫擔結構，同時可以帶電改造，因此綜合費用較低。通過現(xiàn)場應用情況看，該裝置可以將風偏角限制在安全范圍內(nèi)，能夠有效阻止導線在大風作用下對桿塔的放電。

圖8 防風偏拉索安裝圖Fig.8 Wind cable installation diagram

4.3 在邊相加裝防風拉線

受新疆大風區(qū)220 kV線路采用防風拉線的啟發(fā)，我們也在考慮在750 kV線路邊相使用防風拉線。

懸垂串安裝防風拉線后，大風情況下，鐵塔橫擔所受的垂直荷載將增加，為了減少此增量，拉線需要放松，讓懸垂串在大風情況下仍可偏一定角度。隨著這一允許偏角的增大，拉線需要放松的長度越大，則在無風情況下，拉線松弛很大，極不美觀。因此，需根據(jù)橫擔能承受的荷載計算允許的懸垂串偏角，從而確定拉線長度。

4.4 新疆電網(wǎng)防風偏措施選擇

根據(jù)前面介紹的幾種防風偏措施，新疆電網(wǎng)增加垂直掛架需對桿塔進行改造，存在停電時間長，改造工程量大的單號。防風偏拉索在750 kV線路上運行經(jīng)驗不足，而且加裝防風偏絕緣子后由于防風偏絕緣子在線路風偏時受力過大，容易出現(xiàn)橫擔受力過大造成損壞的事故，目前還只能用在220 kV及以下線路上。采用防風拉線施工在地面上，加裝時可以采取帶電安裝的方式，可以有效減少停電時間，所以在改造過程中選取了在邊相加裝防風拉線的方法。但由于是首次在750 kV上采用防風拉線，需對其風偏時允許風偏角和受力情況進行分析。

4.4.1 允許風偏角及拉線與垂直線夾角優(yōu)化

從ZB231型桿塔拉線不同位置時絕緣子受力和拉線受力表可以看出，隨著風偏允許角的增加，絕緣子和防風拉線在大風時承受的拉力呈現(xiàn)出減小的趨勢，同時為了保證線路在風偏時能夠正常運行，其風偏允許角和拉線與垂直線夾角也不是越大越好，其具體情況應當按現(xiàn)場允許風偏角和施工難度來確定。

同時打防風拉線時應當注意防風拉線只有部分桿塔打有防風拉線，其他地方未打防風拉線，在其他未打防風拉線場合風偏跳閘后要考慮到重合情況，所以打防風拉線處應當考慮操作過電壓放電問題，在打拉線后風偏允許角后其間隙距離發(fā)大于操作過電壓放電距離。根據(jù)重合成功要求，允許懸垂串偏角30度，拉線需要預留約1.5 m余長。

4.4.2 加裝防風拉線后風偏受力分析

加裝防風拉線后受力見圖9，以ZB231P型桿塔為例，以正常檔距500 m，風速31 m/s進行計算。由前面的計算結果可知，ZB231P型桿塔在風速31 m/s時導線風壓89.37 kN，導線垂直荷載49.88 kN。計算桿塔絕緣子承受拉力為136.03 kN，拉線絕緣子承受拉力83.63 kN，均在絕緣子拉力承受范圍內(nèi)。若按極大風速45 m/s校核，計算桿塔絕緣子承受拉力為167.23 kN，拉線絕緣子承受拉力103.71 kN，由此可見按極大風速校核時桿塔絕緣子拉力接近其正常使用拉力82%，存在絕緣子斷串的風險，建議桿塔絕緣子采用雙串。而拉線絕緣拉力在承受范圍內(nèi)，可以采用單串連接。

圖9 打拉線后拉線和絕緣子受力分析圖Fig.9 After the hit cable and cable insulators force analysis diagram

4.4.3 加裝微氣象監(jiān)測裝置

跳閘時風偏角是根據(jù)微氣象監(jiān)測裝置測得的風速來分析的，可見微氣象監(jiān)測裝置可有效地用于事故分析以后的事故預防，建議在吐哈線上增加微氣象監(jiān)測裝置，以提高對該區(qū)段的風的認識，在以后新建線路時可以提供有效的風速設計依據(jù)。

5 結論

通過一起750 kV輸電線路風偏跳閘事故，首先采用解析法對桿塔風偏后電氣間隙距離進行了計算，得出引起跳閘的危險風偏角。然后根據(jù)規(guī)程法對風偏角進行了計算，計算結果表明，31 m/s設計的桿塔安全裕量不足，其裕量僅為5°，在1.1倍設計風速下就會發(fā)生風偏閃絡。最后根據(jù)現(xiàn)場在線監(jiān)測裝置監(jiān)測風速的標準風速和極大風速進行對比，認為引起輸電線路風偏跳閘的原因主要是極大風速。對于需要進行防風改造的桿塔，分析了各種防風偏措施及其適用范圍，建議采用加裝防風偏拉線的解決措施，以提高輸電線路的抗風能力，提高電網(wǎng)的安全運行水平。

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Analysis and Transformation Measures of 750 kV Transmission Line Wind Biased Tripped

ZHANG Zhengquan1， ZHANG Dong2， LI Xiaoguang2， DONG Xinsheng2，YANG Xiaohui3，CHEN Yanchao3
（1.State Grid Electric Power Company of Xinjiang， Urumqi 830000， China； 2.State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company， Urumqi 830011， China； 3.State Grid Electric Power Company Urumqi Xinjiang Power Company， Urumqi 830011， China）

The analysis of a 750 kV transmission line wind biased tripping accidents in the wind section of the transmission line are biased assessment of wind.First，analytical method after biased clearance from the wind towers are calculated the risk of tripping caused by hazard wind angle.Then according to law regulations the wind angle are calculated， the calculation results show that， the safety margin of wind biased of tower designed 31 m/s is insufficient， its margin is only 5 degrees， at 1.1 times the design wind speed wind biased flashover occurs.Finally，compare the online monitoring device according to the site to monitor wind speed and procedures law that cause power lines wind biased reason for the trip is mainly the maximum wind speed.The need for transformation of the wind tower，wind analyzes various biased measures and their scope，the proposed installation of wind cable of solutions to improve the wind resistance of transmission lines，improve the level of safe operation of the power grid.

wind biased;tripping;hazard wind angle;standard wind speed;maximum wind speed;wind cable

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.031

2016-02-14

張振泉 （1977—），男，高級工程師，主要從事輸電線路運維檢修及管理工作。