新疆地區(qū)750 kV 線路覆冰與脫冰事故分析

張 健 ，李小亭，張 博，徐玉波，周文武，江 岳，劉美瑤

（1.國網(wǎng)新疆電力有限公司建設(shè)分公司，烏魯木齊 830001；2.中國電力工程顧問集團西北電力設(shè)計院有限公司，西安 710075；3.西安交通大學(xué) 土木工程系，西安 710054）

0 引言

近年來，新疆電網(wǎng)多次發(fā)生線路覆冰跳閘故障。2014 年11 月27 日，750 kV 庫巴Ⅰ線連續(xù)發(fā)生2 次跳閘故障；2015 年11 月22 日750 kV 達吐Ⅰ線連續(xù)5 次發(fā)生跳閘故障，其中3 次重合成功，2 次重合失??；2016 年11 月至12 月期間，750 kV 烏達Ⅰ，Ⅱ線共跳閘4 次，750 kV 芨塘Ⅰ，Ⅱ線跳閘2 次，750 kV 鳳亞線跳閘1 次；2018 年3 月3 日，750 kV 伊蘇線發(fā)生跳閘[1]。

對這幾次跳閘故障進行分析后發(fā)現(xiàn)，跳閘故障點均在山區(qū)爬坡段，且與導(dǎo)線、地線覆冰有關(guān)[2]?，F(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，導(dǎo)、地線單檔內(nèi)覆冰形態(tài)非均勻，雖局部覆冰厚度超設(shè)計條件，但整檔覆冰荷載并未超桿塔條件，也未引起桿塔變形或屈服破壞。覆冰跳閘重合閘不成功說明跳閘是由于導(dǎo)、地線之間的靜態(tài)接近距離不夠所引起。國內(nèi)外關(guān)于單檔非均勻覆冰下導(dǎo)、地線靜態(tài)距離的研究較少[3-6]，但通過實例分析發(fā)現(xiàn)，此情況引起的線路覆冰跳閘較多。

新疆地區(qū)資源豐富，電力外送通道眾多，隨著“西電東送”戰(zhàn)略的進一步實施，將會有更多的超、特高壓輸電線路經(jīng)過覆冰、高海拔等環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，電網(wǎng)覆冰災(zāi)害問題也將更加突出[7]。對于不斷推進的電網(wǎng)建設(shè)，現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范并未對導(dǎo)、地線單檔不均勻覆冰下導(dǎo)、地線最小接近距離作出規(guī)定，而由此導(dǎo)致的跳閘事故占比較高，尤其在翻越山峰的爬坡地帶應(yīng)更加重視此種情況下的間距校驗。

本文對新疆750 kV 線路近年來發(fā)生的跳閘事故進行總結(jié)和分析，研究覆冰跳閘故障發(fā)生的原因，提出校核導(dǎo)線脫冰、地線高懸掛端覆冰下導(dǎo)、地線最小接近距離的必要性，從而有針對性地提升750 kV 線路的抗冰能力。

1 覆冰跳閘原因分析及整改措施

近年來新疆地區(qū)750 kV 電力線路發(fā)生的典型覆冰跳閘故障的原因分析和整改方案如表1 所示。

初步對比這幾起覆冰跳閘故障可以發(fā)現(xiàn)有以下幾個特點：

（1）引起跳閘的故障檔往往處于山地或者翻越山峰的爬坡地帶，地形環(huán)境決定了線路的檔距和高差均較大，檔距從400 m 至1 120 m 不等，高差從30 m 至110 m 不等。

表1 近年來新疆地區(qū)750 kV 線路覆冰跳閘故障情況統(tǒng)計

（2）故障線路段的局部覆冰厚度往往超出了設(shè)計覆冰厚度，而且受微地形和微氣象的影響，同一檔的不均勻覆冰情況較為常見，導(dǎo)線在覆冰的同時還承受速度為3～6 m/s 的風作用。

（3）跳閘故障的主要原因是局部導(dǎo)、地線間距離不足而導(dǎo)致的放電。而造成導(dǎo)、地線間距離不足的主要原因有：地線覆冰造成地線弧垂迅速增大；導(dǎo)、地線的不均勻覆冰造成二者的弧垂最低點發(fā)生偏移；導(dǎo)、地線脫冰跳躍。

2 工程設(shè)計現(xiàn)狀

工程實踐中往往關(guān)注導(dǎo)、地線之間的間距是否滿足安全間隙的要求：在不同期脫冰時，導(dǎo)線脫冰后與地線靜態(tài)接近的距離不應(yīng)小于操作過電壓間隙值；導(dǎo)線脫冰跳躍時，與地線在檔距中的動態(tài)接近距離不應(yīng)小于工頻電壓間隙值[3]。

導(dǎo)、地線接近距離按連續(xù)檔的中間檔導(dǎo)線脫冰、其余檔導(dǎo)線和地線不脫冰計算。中間檔的脫冰率宜根據(jù)運行經(jīng)驗確定，當缺乏資料時，對110～220 kV 重冰區(qū)線路可選不小于設(shè)計冰重的60%，110～220 kV 中冰區(qū)線路可選不小于設(shè)計冰重的50%，330 kV 及以上重冰區(qū)線路可選不小于設(shè)計冰重的80%，330 kV 及以上中冰區(qū)線路可選不小于設(shè)計冰重的70%[4]。

20 世紀50 年代，前蘇聯(lián)曾進行過小比例的模擬試驗[8]，得到孤立檔全部掉冰后導(dǎo)線可能的跳躍幅值計算公式為：

式中：H 為導(dǎo)線可能的跳躍幅值；l 為檔距長度；m 為導(dǎo)線截面校正系數(shù)，可取為0.5～0.9（較小的數(shù)值用于比較小的導(dǎo)線）；Δf 為覆冰時及脫冰后的弧垂差值。

Morgan 等人在60 年代初建立5 檔132 kV 鐵塔實際模型，在導(dǎo)線中央附著重錘模擬覆冰，并通過控制器釋放重錘模擬脫冰跳躍[9]。通過Morgan的研究，脫冰跳躍電線超過掛點的高度yH與覆冰檔檔距l(xiāng)、覆冰最大弧垂fH、脫冰跳躍中檔距增大值XH、彈性模量E 有關(guān)，計算公式為：

日本電源開發(fā)公司在500 kV 天貴線咨詢設(shè)計時，曾介紹過日本類似的計算公式[4]如式（3）所示，該公式系理論探討公式，無試驗依據(jù)。

式中：K1為多檔（非孤立檔）系數(shù)；K2為線路參數(shù)影響系數(shù)，一般為0.5～1.0。

重慶大學(xué)利用有限元模型，分析了不同檔數(shù)、檔距、高差、脫冰位置、脫冰檔數(shù)、脫冰率、覆冰厚度等對輸電線路冰跳的影響，包括冰跳高度隨時間的變化規(guī)律、導(dǎo)線脫冰后的運動軌跡以及相鄰檔張力差的變化等，通過對有限元模擬計算結(jié)果的分析，給出了計算連續(xù)檔脫冰跳躍高度的經(jīng)驗公式[10-11]：

式中：σ0為導(dǎo)線自重下的初始應(yīng)力。

3 事例分析

新疆地區(qū)近年來的覆冰與脫冰事故中，1 起由覆冰超設(shè)計條件引起，1 起由脫冰跳躍引起，1起由舞動引起，2 起由地線單檔不均勻覆冰引起。現(xiàn)行規(guī)范限定了導(dǎo)線脫冰與地線的靜態(tài)接近距離和動態(tài)接近距離[3]，在舞動區(qū)規(guī)定了防舞措施和校驗方法[12-13]。關(guān)于地線單檔不均勻覆冰下的研究較少，尤其是在翻越山峰的爬坡地帶，由于空氣中液態(tài)水含量隨高度的增加而升高，因此電線懸掛點越高，霧凇越嚴重，在覆冰重壓下，地線弧垂最低點向高懸掛端偏移，導(dǎo)致導(dǎo)、地線安全距離不足，引起跳閘。

以750 kV 烏達Ⅰ線為例，80—81 號段距離81 號桿塔約180 m 處A 相（右上相）發(fā)生覆冰閃絡(luò)放電，導(dǎo)致跳閘，重合閘不成功。本線路全長97.93 km，鐵塔202 基，線路001-092 號同塔雙回路架設(shè)，導(dǎo)線采用LGJ-400/50（安全系數(shù)2.5），地線采用JLB20A-120（安全系數(shù)3.5），設(shè)計風速30 m/s，設(shè)計覆冰厚度10 mm，導(dǎo)、地線垂直掛點間距11.254 m，水平偏移2.1 m。耐張段79—85 號檔距分別為579 m，1 116 m，904 m，607 m，781 m，158 m，導(dǎo)、地線懸點高差分別為+195.0 m，+106.5 m，－97.8 m，－17.6 m，－25.1 m，+1.75 m。事故區(qū)段80—81 號段位于烏魯木齊市水磨溝區(qū)，屬天山山脈，海拔高度1 360 m，地形為翻越山峰的爬坡地帶。

事故導(dǎo)線閃絡(luò)點現(xiàn)場情況和地線覆冰形態(tài)如圖1 所示，其中導(dǎo)、地線放電導(dǎo)致導(dǎo)線出現(xiàn)斷股并灼傷，地線覆冰長度約為409 m，覆冰地線直徑約61 mm，經(jīng)換算覆冰厚度約為15.7 mm，導(dǎo)線脫冰率取80%。

圖1 導(dǎo)線放電點及地線覆冰形態(tài)

3.1 合規(guī)性校驗

按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，導(dǎo)線與地線檔距中央的距離S 在大氣過電壓（氣溫+15 ℃，覆冰0 mm，風速0 m/s）下需滿足S≥0.012l+1 m。750 kV烏達Ⅰ線耐張段79—85 號段導(dǎo)、地線弧垂和間距如表2 所示。

表2 79—85 號段導(dǎo)、地線弧垂和間距

從表2 中可以看出，79—85 號段導(dǎo)、地線間距滿足S≥0.012l+1 m 的要求，滿足設(shè)計規(guī)范。

根據(jù)80 號及81 號桿塔的塔頭尺寸，假設(shè)導(dǎo)線100%脫冰，計算導(dǎo)、地線最小距離為操作間隙（4.15 m）時的地線覆冰（均勻覆冰）厚度，結(jié)果如表3 所示。

表3 導(dǎo)、地線距離為操作間隙時地線允許冰厚

根據(jù)表3 中的數(shù)據(jù)，地線均勻覆冰條件下，如導(dǎo)線無冰，地線及光纜覆冰厚度需大于31.5 mm 才會導(dǎo)致導(dǎo)、地線間距小于操作間隙，而根據(jù)現(xiàn)場勘查及計算，地線上的覆冰約15.7 mm。

按重慶大學(xué)的方法計算[10-11]：在不同期脫冰時，導(dǎo)線脫冰后與地線在檔距中央靜態(tài)接近的距離為11.29 m；導(dǎo)線脫冰跳躍時，與地線在檔距中的動態(tài)接近距離為7.16 m。按照脫冰跳躍模型，閃絡(luò)的位置最容易發(fā)生在弧垂最大點，但現(xiàn)場覆冰不足以在脫冰跳躍情況下發(fā)生閃絡(luò)，且發(fā)生閃絡(luò)的位置并未在弧垂最大點。

綜上所述，原設(shè)計方案滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2 地線不均勻覆冰校驗

為模擬地線覆冰形態(tài)，本文利用ANSYS 軟件中的桿單元LINK10 模擬導(dǎo)、地線，LINK10 是一種帶預(yù)應(yīng)力的直線單元，可承受軸向拉力，每個節(jié)點有X，Y，Z 三個方向的自由度，并且可通過施加初始應(yīng)變的方式進行迭代找型[14-15]，使找形完成后的導(dǎo)線在自重荷載作用下保持形狀不變。通過R 命令定義實常數(shù)實現(xiàn)對單元施加初應(yīng)變，初應(yīng)變ε 的計算公式為：

式中：σ 為電線應(yīng)力；J 為電線張力；A 為電線截面積。

對于覆冰模擬，一般選擇附加冰單元法[16]和改變密度法[10]，本文通過在節(jié)點處施加等效集中力來模擬覆冰。導(dǎo)線脫冰、地線高懸掛端覆冰下的導(dǎo)、地線形態(tài)分布如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)線脫冰、地線高懸掛端覆冰下的導(dǎo)、地線形態(tài)分布

從圖2 中可以看出，導(dǎo)、地線最小間距由掛點位置向地線覆冰端偏移，出現(xiàn)在81 號小號側(cè)約204 m 處，間距為5.86 m。當導(dǎo)線脫冰率達到93%時，此間隙將小于操作間隙4.70 m，考慮到放電的隨機性，放電位置與現(xiàn)場情況基本吻合。

通過分析可知，發(fā)生工程閃絡(luò)是由單檔不均勻脫冰引起，而重合閘不成功是由導(dǎo)線脫冰、地線單端覆冰所引起。因此，在線路爬坡地帶中，現(xiàn)行規(guī)范考慮的脫冰模型與實際情況不一定相符，仍需校驗地線高懸掛端覆冰情況下的靜態(tài)接近距離。

4 結(jié)論

通過本文的分析，得出如下結(jié)論：

（1）750 kV 架空線路覆冰跳閘主要發(fā)生在山地或者翻越山峰的爬坡地帶，由單檔不均勻覆冰導(dǎo)致導(dǎo)、地線局部靜態(tài)距離不足而引起。

（2）高懸掛端覆冰下，弧垂最低點上揚并向高懸掛端偏移，導(dǎo)致高懸掛側(cè)導(dǎo)、地線間距減小。

（3）導(dǎo)線脫冰、地線高懸掛端覆冰下的導(dǎo)、地線最小接近距離小于規(guī)范要求的靜態(tài)接近距離，線路設(shè)計中應(yīng)重視此種情況下的間距校驗。