某±800 kV直流線路地線斷裂原因分析及建議

劉慶豐，李輝，陳路，侯長(zhǎng)健

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙410007)

2019年2月8—25日，湖南中、西北部，貴州東北部地區(qū)持續(xù)雨雪冰凍天氣，某±800 kV直流線路因?qū)У鼐€覆冰先后發(fā)生1513號(hào)塔極Ⅰ閉鎖、地線斷線和1462號(hào)塔極Ⅱ閉鎖、0981號(hào)塔極Ⅱ故障事件，嚴(yán)重破壞了某直流線路可靠供電。

某直流線路自投運(yùn)以來共發(fā)生故障5起，其中線路跳閘4次，閉鎖1次，根據(jù)歷年停電檢修及運(yùn)維情況分析，4次跳閘均因雷擊原因引起，而線路閉鎖及金具損壞均由冰害引起。從檢修恢復(fù)情況來看，冰害所造成的線路損傷面積廣、損傷程度深、恢復(fù)難度大，嚴(yán)重危害線路安全運(yùn)維。該線路1513—1514號(hào)塔地線斷裂事故是此次冰害中最嚴(yán)重、影響范圍最大的事故。為了避免再次出現(xiàn)類似事故，有必要開展事故調(diào)查分析，研究治理對(duì)策。

1 事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2019年2月16日19∶00，某直流線路極Ⅰ跳閘，再啟動(dòng)不成功，造成極Ⅰ閉鎖，停運(yùn)負(fù)荷1 736 MW。故障排查發(fā)現(xiàn)該直流線路1513—1514號(hào)塔檔中地線斷線，1513號(hào)塔地線懸垂線夾出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，如圖1—2所示，斷線位置如圖3所示。

圖1 1513號(hào)塔地線懸垂線夾損壞

圖2 懸垂套殼破損

圖3 事故段平斷面圖

故障現(xiàn)場(chǎng)屬于高山地形，平均海拔663.7 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s，設(shè)計(jì)覆冰厚度20 mm，導(dǎo)線為6×JL/G2A—900/75鋼芯鋁絞線，兩根地線為JLB20A-150鋁包鋼絞線。

地線斷裂后懸掛在1514號(hào)塔極Ⅰ線跳線上，地線斷線點(diǎn)距離耐張線夾約251 m，地線斷口處鋁包鋼絞線外層9股存在較為明顯的灼燒痕跡。1513號(hào)塔極Ⅰ側(cè)地線懸垂套殼出口處破損嚴(yán)重，橡膠襯墊被擠出，預(yù)絞絲被擰成麻花狀，地線在線夾中可自由滑動(dòng)。另一側(cè)地線懸垂串向大號(hào)側(cè)偏移，懸垂套殼和預(yù)絞絲存在類似的損壞。在斷線檔對(duì)地線掉落的冰塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，在靠近1514號(hào)塔海拔593.7 m處取樣，采用稱重法計(jì)算地線覆冰厚度為20.8 mm，見表1。

表1 覆冰厚度

2 事故分析

2.1 地線覆冰過載能力分析

事故段導(dǎo)地線設(shè)計(jì)張力按20 mm重冰區(qū)設(shè)計(jì)，地線設(shè)計(jì)最大使用張力安全系數(shù)取3.5，70%破壞張力時(shí)地線允許覆冰厚度為49 mm，100%破壞張力時(shí)地線允許覆冰厚度為66 mm，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)覆冰厚度僅為20.8 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)最大允許覆冰厚度 (表2)。根據(jù)電線力學(xué)理論，架空地線最大張力應(yīng)出現(xiàn)在懸掛點(diǎn)位置，如果地線斷裂是因覆冰過載引起的，斷線點(diǎn)應(yīng)在懸掛點(diǎn)位置，而現(xiàn)場(chǎng)斷線點(diǎn)位于靠近弧垂最低點(diǎn)的位置。因此，地線覆冰過載不是斷線的原因。

表2 地線覆冰過載能力

2.2 不平衡張力分析計(jì)算

事故段地線20 mm覆冰區(qū)覆冰情況見表3，考慮1512—1513號(hào)塔地線脫冰80%，地線覆冰不平衡張力計(jì)算結(jié)果見表4—5[1]，可知1513號(hào)塔地線不平衡張力達(dá)到地線最大使用張力的36.5%(對(duì)應(yīng)地線計(jì)算拉斷力的10.4%)，受力方向?yàn)榇筇?hào)側(cè)方向。根據(jù)DL/T 756—2009《懸垂線夾》的規(guī)定，鋁包鋼絞線懸垂線夾握力不小于地線計(jì)算拉斷力的14%，因此，地線不平衡張力接近鋁包鋼絞線懸垂線夾握力值。

表3 地線覆冰情況

表4 地線覆冰不平衡張力計(jì)算結(jié)果

為了分析地線串長(zhǎng)對(duì)不平衡張力的影響，假設(shè)地線串加長(zhǎng)0.3 m，串重增加8 kg，地線覆冰不平衡張力見表5。

表5 地線覆冰不平衡張力計(jì)算結(jié)果(串長(zhǎng)加長(zhǎng)0.3 m)

從上表可以看出，地線串加長(zhǎng)0.3 m，不平衡張力為地線最大使用張力的34.5%，較加長(zhǎng)前減少2%。因此，加長(zhǎng)地線串可有效改善地線不平衡張力，減少地線在不平衡張力的作用下發(fā)生滑移的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 地線懸垂線夾的下傾角

預(yù)絞式雙懸垂線夾由兩個(gè)懸垂線夾組成，單個(gè)線夾標(biāo)稱破壞荷載為80 kN，整串破壞荷載為160 kN。線夾由預(yù)絞絲、橡膠襯墊、懸垂套殼和U型抱箍組成，如圖5所示。預(yù)絞絲的材質(zhì)為牌號(hào)LF10鋁合金，直徑為6.3 mm，長(zhǎng)度2 000 mm。懸垂套殼材質(zhì)為ZL102，U型抱箍材質(zhì)為牌號(hào)6061鋁合金，線夾螺栓強(qiáng)度等級(jí)為6.8級(jí)。

圖5 預(yù)絞式懸垂線夾圖

根據(jù)工程金具通用技術(shù)規(guī)范要求，預(yù)絞式雙懸垂線夾的船體單側(cè)出口角為0°～25°。通過計(jì)算，最大覆冰工況下1513號(hào)塔前側(cè)地線懸垂串的下傾角為20.7°，接近雙懸垂線夾最大允許出口角 25°。

2.4 脫冰跳躍計(jì)算分析

為了校驗(yàn)脫冰跳躍動(dòng)態(tài)接近距離，導(dǎo)線脫冰跳躍高度計(jì)算可以采用如下公式計(jì)算。

式中，Hc為導(dǎo)線脫冰跳躍高度 (以脫冰前弧垂最低點(diǎn)為基準(zhǔn))；m為局部脫冰系數(shù)，取1；Δf為脫冰前后導(dǎo)線弧垂差，m；L為脫冰檔檔距，m。

1513號(hào)塔為 ZC27204直線塔，1514號(hào)塔為JC27203轉(zhuǎn)角塔，桿塔尺寸見圖6和圖7(圖中單位為mm)，導(dǎo)地線水平位移和垂直距離見表6。

圖6 ZC27204直線塔

圖7 JC27203轉(zhuǎn)角塔

表6 導(dǎo)地線水平位移和垂直距離一覽表 m

假設(shè)1513—1514號(hào)塔地線覆冰25 mm，導(dǎo)線覆冰20 mm，導(dǎo)線脫冰80%，地線100%覆冰，脫冰跳躍計(jì)算結(jié)果見表7—8。

表7 脫冰跳躍計(jì)算輸入條件

表8 脫冰跳躍計(jì)算輸出結(jié)果 m

從計(jì)算結(jié)果可以看出，靜態(tài)接近距離8.82 m滿足操作過電壓要求的最小空氣間隙要求(5.3 m)，動(dòng)態(tài)接近距離6.14 m滿足工頻過電壓要求的最小空氣間隙要求 (2.3 m)。因此，正常脫冰情況下不會(huì)發(fā)生導(dǎo)地線放電。

從現(xiàn)場(chǎng)故障情況來看，地線懸垂串的懸垂線夾和預(yù)絞絲損壞，橡膠襯墊被擠出，地線在線夾里可自由滑動(dòng)，考慮地線向大號(hào)側(cè)滑移1 m，則1513—1514號(hào)檔地線弧垂增大3 m，造成導(dǎo)地線距離變小，如圖8所示。同時(shí)，導(dǎo)線脫冰跳躍后，導(dǎo)線在風(fēng)的作用下向地線水平方向擺動(dòng)，導(dǎo)致導(dǎo)地線凈空距離為1.93 m，小于工頻過電壓要求的最小空氣間隙2.3 m，造成導(dǎo)地線放電[6-9]。

圖8 導(dǎo)線脫冰跳躍接近地線示意圖

2.5 懸垂線夾的試驗(yàn)分析

影響地線預(yù)絞式懸垂線夾握力的主要因素包括:預(yù)絞絲長(zhǎng)度、預(yù)絞絲單絲直徑、預(yù)絞絲材質(zhì)。通過對(duì)不同材質(zhì)型式的懸垂線夾的試驗(yàn)，對(duì)比分析影響地線預(yù)絞式懸垂線夾握力的影響因子，從而確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)型式及尺寸，以提高懸垂線夾握力。

2.5.1 試驗(yàn)方法

預(yù)絞式懸垂線夾握力試驗(yàn)主要依據(jù)GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗(yàn)方法 第1部分:機(jī)械試驗(yàn)》，具體方法如下:將地線金具型號(hào)為CLS-16-150一端固定在試驗(yàn)機(jī)上，將地線預(yù)絞式懸垂線夾固定在地線上，并按規(guī)定的緊固力矩?cái)Q緊螺栓，隨后將線夾懸掛點(diǎn)連接在試驗(yàn)機(jī)上，在線夾出口作參考標(biāo)記，逐步增加載荷達(dá)到規(guī)定的握力值，保持60 s，然后繼續(xù)加載直至線夾發(fā)生滑移。握力試驗(yàn)布置如圖9所示。

圖9 握力試驗(yàn)布置

2.5.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表9的試驗(yàn)方案開展地線預(yù)絞式雙懸垂試驗(yàn)，每個(gè)方案都進(jìn)行了3次測(cè)試，握力要求值均為27.8 kN(198.41 kN×14%)，均出現(xiàn)外層絞絲滑移的試驗(yàn)現(xiàn)象，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表10。

表9 地線預(yù)絞式雙懸垂試驗(yàn)方案

表10 地線預(yù)絞式雙懸垂試驗(yàn)結(jié)果 kN

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，方案1的握力最小，方案2的握力最大。事故塔位地線懸垂線夾采用方案1，是四種懸垂線夾結(jié)構(gòu)形式中握力最小的一種。為了提高地線懸垂線夾的握力，建議懸垂線夾采用方案2的結(jié)構(gòu)型式，將外層絞絲材質(zhì)由鋁合金改為鋁包鋼，同時(shí)增加內(nèi)、外絞絲長(zhǎng)度，地線預(yù)絞式雙懸垂線夾內(nèi)層絞絲長(zhǎng)度3 000 mm，外層絞絲長(zhǎng)度2 400 mm。

3 結(jié)論和建議

造成本線路地線斷裂的主要原因是1513號(hào)塔地線懸垂線夾懸垂角接近最大值，在較大覆冰垂直荷載和覆冰不平衡張力雙重作用下線夾發(fā)生損壞，橡膠襯墊被擠壓脫落，地線在覆冰不平衡張力的作用下線夾向大號(hào)側(cè)自由滑動(dòng)，大號(hào)側(cè)地線弧垂增大，同時(shí)導(dǎo)線脫冰后向地線斜向跳躍，造成導(dǎo)地線間距不夠引起導(dǎo)地線放電。地線外層幾股單絲首先被熔斷，然后地線出現(xiàn)脫冰而產(chǎn)生較大的沖擊力，最終導(dǎo)致地線斷裂。

因此，地線覆冰不平衡張力和懸垂線夾損壞后握力失效導(dǎo)致地線發(fā)生滑移是本次事故的主要原因，改進(jìn)措施應(yīng)從降低地線覆冰不平衡張力和加強(qiáng)地線懸垂線夾強(qiáng)度和提高線夾握力著手，建議如下:

1)根據(jù)地線懸垂線夾的試驗(yàn)分析，加長(zhǎng)預(yù)絞絲可以提高線夾握力。建議地線預(yù)絞式雙懸垂線夾的外層絞絲材質(zhì)由鋁合金改為鋁包鋼，內(nèi)層絞絲長(zhǎng)度3 000 mm，外層絞絲長(zhǎng)度2 400 mm。

2)改進(jìn)預(yù)絞絲懸垂線夾的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)，提高線夾的出口允許角和線夾套殼的強(qiáng)度。

3)地線懸垂串加長(zhǎng)400 mm，縱向不平衡張力將降低約2%，可有效抑制重覆冰后地線滑移或脫落，而地線懸垂串分別加長(zhǎng) 600 mm、800 mm、1 000 mm后，雖然可以進(jìn)一步降低縱向不平衡張力，但相對(duì)降幅較小，效果不明顯，同時(shí)考慮地線懸垂串長(zhǎng)對(duì)導(dǎo)地線線間距的影響，建議地線懸垂串按加長(zhǎng)400 mm考慮。

4)根據(jù)規(guī)程要求，地線懸垂線夾的握力值不超過14%地線計(jì)算拉斷力。地線不平衡張力超過線夾握力值，地線可能發(fā)生滑移。因此，對(duì)于地線不平衡張力超過14%地線計(jì)算拉斷力的塔位，建議地線懸垂串改成懸垂耐張型式或耐張串型式。