220 kV雙分裂小四甲線粘連原因分析及防治措施

何帥，王曉康，王景，邰晨凡

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

隨著大容量遠(yuǎn)距離輸電的發(fā)展，需要在提高輸送容量的同時，降低輸電線路的電抗，減少電暈損耗，減少對無線電通訊的干擾影響，工程上采用分裂導(dǎo)線[1]來解決此問題。每相導(dǎo)線分裂成多根方式來相應(yīng)增大每相導(dǎo)線的等效直徑，達(dá)到降低電場強(qiáng)度的效果，從而減少線路的損耗和對無線電、通訊線路的干擾，增加線路對地電容和線間電容，提高功率因數(shù)，減少壓降。

雙分裂輸電線路通常采用水平排列、垂直排列以及不平衡斜向排列方式。垂直布置的雙分裂導(dǎo)線，在不加間隔棒的情況下，有效地避免了導(dǎo)線舞動造成的相間故障，但是在高溫天氣下，隨著輸送負(fù)荷的驟增，如果子導(dǎo)線間距離選擇不符合要求，在上下子導(dǎo)線張力不平衡和風(fēng)力作用下[2]，子導(dǎo)線間很容易出現(xiàn)粘連現(xiàn)象。

1 故障基本情況

某220 kV變電站小四甲乙線為某鋁業(yè)集團(tuán)集中供電，輸電線路采用同塔雙回雙分裂垂直布置，現(xiàn)已運行超過13年。2018年6月10日，對220 kV小四乙線進(jìn)行綜合自動化改造，雙回線路負(fù)荷全部由220 kV小四甲線供電，小四甲線全長3.578 km，共12級桿塔。當(dāng)日，地表氣溫30 ℃，小四甲線電流1 108.4 A，線路輸送有功功率423 MW，無功功率144 var，功率因數(shù)0.95。導(dǎo)線型號2×LGJ-400/35，實際截面425.24 mm2，單位長度重量1 349 kg/km，額定持續(xù)最大電流835×2A。實測8號與9號桿塔之間分裂導(dǎo)線間距最小為270 mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的400 mm。

1.1 導(dǎo)線粘連及異常聲響

2018年6月10日12時44分發(fā)現(xiàn)該條線路多處發(fā)生導(dǎo)線粘連現(xiàn)象，其中8號塔與9號塔之間導(dǎo)線粘連比較嚴(yán)重，導(dǎo)線弧垂最低點粘連最嚴(yán)重，向兩側(cè)桿塔方向逐漸減弱。在此檔內(nèi)均勻選擇6個測點，粘連后子導(dǎo)線間距測試結(jié)果見表1。

8號至9號塔之間雙分裂導(dǎo)線發(fā)生粘連，之后分開，隨后再粘連，再分開，此過程循環(huán)重復(fù)發(fā)生，伴隨有瀑布般的異常響聲。

表1 8號塔至9號塔之間雙分裂子導(dǎo)線間距

1.2 導(dǎo)線溫升

對8號至9號塔之間的導(dǎo)線均勻取點進(jìn)行紅外測溫，環(huán)境溫度為30 ℃，負(fù)荷為422 MW時，各相子導(dǎo)線粘連處與未粘連處的紅外測溫情況見表2，并根據(jù)表2畫出折線圖，如圖1所示。

表2 220 kV小四甲線8號至9號桿塔各測試點紅外測溫

圖1 各測點溫度變化折線

由表2可見，粘連部分較未粘連部分產(chǎn)生較大溫差。兩子導(dǎo)線粘連部分中輕微粘連處溫度最高，較未粘連處溫差最大為24.2 ℃，粘連緊密處較未粘連處溫差最大為18.8 ℃，輕微粘連處溫度更高。

雙分裂導(dǎo)線發(fā)生粘連后，改變了磁場分布，與未粘連相比，等效減小了導(dǎo)線半徑。導(dǎo)線電阻發(fā)熱計算公式[3]如下：

(1)

式中：ρ—導(dǎo)線電阻率，Ω·m；

L—導(dǎo)線長度，m;

S—導(dǎo)線截面積,m2;

I—導(dǎo)線流過電流,A;

t—時間,s。

導(dǎo)線粘連后等效截面積S減小，粘連部分電阻增大，導(dǎo)線發(fā)熱量增大，因此造成粘連部分導(dǎo)線的溫度升高。

2 雙分裂導(dǎo)線粘連原因分析

2.1 發(fā)熱造成子導(dǎo)線間距縮短

雙回線路單回運行，電流增大導(dǎo)致線路發(fā)熱，溫度變化會引起導(dǎo)線熱脹冷縮，從而影響導(dǎo)線弧垂。溫度升高導(dǎo)線伸長量增加，造成弧垂增大，檔距越大時效果影響越突出。

導(dǎo)線弧垂計算公式為

(2)

式中：G—導(dǎo)線每米質(zhì)量，kg/m；

L—檔距，m；

T—導(dǎo)線張力，kg。

上子導(dǎo)線在電磁引力作用下的弧垂為

(3)

下子導(dǎo)線在電磁引力作用下的弧垂為

(4)

由式(3)和式(4)可以看出,上子導(dǎo)線的弧垂大于下子導(dǎo)線弧垂[4]。當(dāng)上子導(dǎo)線的溫度升高，它的弧垂會增大，與下子導(dǎo)線間距離縮短。由式(1)可以看出，子導(dǎo)線間距縮短又會增大導(dǎo)線的溫升，從而形成惡性循環(huán)。

2.2 電磁力大于重力時發(fā)生粘連

垂直分布雙分裂導(dǎo)線粘連，是作用于導(dǎo)線的各力在某些時刻達(dá)到了平衡的狀態(tài)。對下子導(dǎo)線進(jìn)行受力分析，導(dǎo)線單位長度間的張力為水平方向，導(dǎo)線垂直方向作用力主要是靜電力、電磁力和重力。計算表明導(dǎo)線的靜電力較小，可以忽略不計[5]。子導(dǎo)線所受電磁力如圖2所示。

圖2 雙分裂導(dǎo)線電磁力

雙分裂導(dǎo)線的電磁力可按公式(5)計算[6]。

(5)

式中：F—分裂子導(dǎo)線之間的電磁力，N；

μ0—磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7N/A2·m；

I1、I2—上下子導(dǎo)線流過的電流，A；

L—導(dǎo)線長度,m；

d—上下子導(dǎo)線的間距,mm。

μ0和L固定不變、I1和I2近似相等[7]，則有：

(6)

由式(6)可知，電磁力F與電流平方成正比，與子導(dǎo)線間距成反比。

當(dāng)單位長度導(dǎo)線所受電磁力等于重力時，可得：

(7)

小四甲線負(fù)荷電流為1 108.4 A，代入式(7)可得d=37.13(mm)，下子導(dǎo)線所受電磁力的最大值和重力相等。當(dāng)上下子導(dǎo)線由于長期大負(fù)荷運行發(fā)熱，上下弧垂產(chǎn)生差異，上下子導(dǎo)線間距縮小，外界風(fēng)力作用下，間距小于這一距離時，電磁力大于重力，子導(dǎo)線間就會發(fā)生粘連，但粘連狀態(tài)非常脆弱。電流I隨時間成50 Hz頻率變化，電流平方按100 Hz頻率變化，由式(6)可知，下子導(dǎo)線所受電磁力隨時間按100 Hz頻率變化，如圖3所示。

圖3 下子導(dǎo)線受力波形

每周期內(nèi)電磁力大于重力時(T1時間段內(nèi))，下子導(dǎo)線即會向上運動；電磁力小于重力時(T2時間段內(nèi))，下子導(dǎo)線又會向下運動。因此，子導(dǎo)線間以100 Hz頻率粘連和分離，會產(chǎn)生100 Hz頻率異常聲響[8]。這種鞭擊粘連會造成子導(dǎo)線表面磨損，影響導(dǎo)線壽命。

2.3 導(dǎo)線粘連過程仿真分析

對小四甲線兩種不同距離雙分裂狀態(tài)進(jìn)行仿真，得出上下子導(dǎo)線不同間距時每米下子導(dǎo)線的電磁力受力曲線和上下子導(dǎo)線周圍的磁力線分布情況。

2.3.1 子導(dǎo)線間距420 mm

分裂線正常間距420 mm，小四甲線負(fù)荷電流1 108.4 A，頻率100 Hz下，仿真下子導(dǎo)線電磁力曲線見圖4。小四甲線每米下子導(dǎo)線所受電磁力最大值為1.18 N，小四甲線每千米導(dǎo)線質(zhì)量為1 349 kg，下子導(dǎo)線受到的拉力小于線的重力，所以小四甲線在距離420 mm時不會出現(xiàn)粘連。子導(dǎo)線周圍電場分布均勻，不會發(fā)生電暈，發(fā)熱較少。

(a)電磁力曲線

(b)磁力線分布

2.3.2 子導(dǎo)線間距60 mm

分裂線距離縮小為60 mm，在小四甲線負(fù)荷電流1 108.4 A，100 Hz頻率下仿真下子導(dǎo)線電磁力曲線，見圖5。小四甲線每米下所受電磁力最大值為6.4 N，小四甲線每千米導(dǎo)線質(zhì)量為1 349 kg，下子導(dǎo)線受到的拉力小于線的重力，所以小四甲線在距離60 mm時不會出現(xiàn)粘連。子導(dǎo)線間電場畸變，可能產(chǎn)生電暈，發(fā)熱增加。

(b)磁力線分布

下子導(dǎo)線在不同距離下所受最大電磁力變化曲線見圖6。由圖6可知，下子導(dǎo)線所受最大電磁力隨上下子導(dǎo)線間距縮短急劇增大。受導(dǎo)線外徑限制，上下子導(dǎo)線仿真最小間距為60 mm，但由式7計算可知，當(dāng)上下子導(dǎo)線間距小于37.13 mm時，下子導(dǎo)線所受電磁力大于重力，上下子導(dǎo)線可能發(fā)生粘連。

圖6 最大電磁力隨距離變化曲線

3 雙分裂導(dǎo)線粘連防治措施

針對小四甲線粘連緊急情況，現(xiàn)場進(jìn)行了人工帶電作業(yè)，人工將上下子導(dǎo)線分離。分離后上下子導(dǎo)線不再粘連，說明上下子導(dǎo)線間距只有縮短到一定程度時才會發(fā)生鞭擊粘連。

根據(jù)以上雙分裂導(dǎo)線粘連原因及現(xiàn)象分析，建議采取以下措施預(yù)防和治理雙分裂導(dǎo)線粘連：

(1)盡量避免雙分裂導(dǎo)線負(fù)荷突然增大，依據(jù)本條導(dǎo)線負(fù)荷情況分析，一旦超過2條子導(dǎo)線總負(fù)荷的66%[9]，有可能發(fā)生分裂導(dǎo)線粘連的現(xiàn)象。

(2)根據(jù)人工帶電作業(yè)將子導(dǎo)線分開后測得的子導(dǎo)線間距顯示，弧垂最低點間距270 mm<400 mm,不符合架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程[6]要求，子導(dǎo)線間距過小也是造成粘連的重要原因。在運行過程中，應(yīng)按要求及時測量子導(dǎo)線間距，通過調(diào)整懸垂線夾間距，在耐張桿塔使用延長金具[10]，使下子導(dǎo)線微量增長或改用大分裂金具等措施增大子導(dǎo)線間距。

(3)對于已經(jīng)發(fā)生粘連的線路，可進(jìn)行人工帶電作業(yè)，通過繩梯攀登到弧垂最低點，人工將子導(dǎo)線分離。負(fù)荷穩(wěn)定后，不會再發(fā)生導(dǎo)線粘連現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

通過對220 kV雙分裂導(dǎo)線小四甲線的粘連情況分析，針對小四甲線粘連之后導(dǎo)線溫度上升、異常聲響原因、下子導(dǎo)線的受力分析，得出：

(1)粘連導(dǎo)線溫度與未粘連導(dǎo)線溫度比較，溫度升高是因為雙分裂導(dǎo)線等效截面下降。

(2)雙分裂導(dǎo)線存在的異常聲響是因為存在著100 Hz粘連與分離的交換過程。

(3)分析下子導(dǎo)線的運動過程，只有在高溫環(huán)境下負(fù)荷驟增，導(dǎo)線發(fā)熱，上下子導(dǎo)線不平衡伸長，再有外界風(fēng)力作用下，導(dǎo)線間距小于37.13 mm時，上下子導(dǎo)線才可能發(fā)生粘連現(xiàn)象，且這種粘連現(xiàn)象是運動的鞭擊粘連，因此會對導(dǎo)線產(chǎn)生較大的磨損。