寧夏西北山區(qū)輸電線路風(fēng)害治理措施研究

徐兆國，張振華，董慎學(xué)

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

寧夏地區(qū)地形地貌特殊，常年干旱，且多風(fēng)少雨。地形南北狹長，山體多，地勢南高北低，受到新疆、西伯利亞等地區(qū)強冷空氣的影響，風(fēng)向主要為西風(fēng)環(huán)流[1-2]。局部微地形區(qū)域多且易發(fā)生極端瞬時大風(fēng)等惡劣天氣，造成輸電線路倒塔、斷線、風(fēng)偏等故障,并且冬季導(dǎo)線一旦形成偏心覆冰，輸電線路很容易發(fā)生大規(guī)模舞動[3-6]。

線路風(fēng)害的影響因素眾多，如地理位置、氣象環(huán)境以及微地形、微氣象特征、線路建設(shè)情況等，因此不同地域的風(fēng)害及防風(fēng)策略也不同：如王寶成[7]等對蒙東地區(qū)多條220 kV線路風(fēng)害進行了研究，認為故障主要原因為線路設(shè)計不滿足實際要求，并提出了采用硬質(zhì)挑擔加重錘，單回路桿塔換位，提高防風(fēng)設(shè)計標準配置等措施；徐雪丹[8]、謝錫漢[9]等研究了沿海地區(qū)線路風(fēng)害問題，結(jié)果表明沿海地區(qū)風(fēng)害主要由臺風(fēng)導(dǎo)致，臺風(fēng)風(fēng)速超過輸電線路原有設(shè)計值，致使輸電塔塔材或者基礎(chǔ)無法繼續(xù)承載，風(fēng)偏角度大于設(shè)計值，由此導(dǎo)致風(fēng)害事故；牛彪[10]等則研究了地處高原環(huán)境的山西地區(qū)風(fēng)害特征，并研究了防風(fēng)偏絕緣隔離拉索的應(yīng)用效果；針對寧夏地區(qū)輸電線路風(fēng)害頻發(fā)問題，常彬[2]等結(jié)合氣象數(shù)據(jù)、地形及大氣環(huán)流等因素，研究了寧夏風(fēng)區(qū)的分布特征，并根據(jù)風(fēng)區(qū)分布特征提出了寧夏輸電線路防風(fēng)策略；徐兆國[1]等統(tǒng)計了寧夏地區(qū)6個代表氣象站1981—2010年記錄的最大風(fēng)速、極大風(fēng)速，分析了兩種風(fēng)速的月、年變化特征，并根據(jù)氣象風(fēng)速特征制訂輸電線路防風(fēng)偏及防倒塔的策略。隨著全球氣候變化，加之寧夏西北山區(qū)獨特的地理環(huán)境，各種防風(fēng)措施的采用并沒有完全解決風(fēng)害問題，線路風(fēng)害事故仍然時有發(fā)生，這對該地區(qū)差異化防風(fēng)工作提出了新的挑戰(zhàn)。

本文以寧夏石嘴山地區(qū)為例，對其地形、地貌、風(fēng)區(qū)分布、氣候以及輸電線路運行經(jīng)驗進行分析，特別針對位于瞬時風(fēng)速較大的山區(qū)輸電線路進行研究，對比整理近年來氣象風(fēng)速的變化特征，分析各個防風(fēng)措施的優(yōu)缺點，提出合理可行的差異化風(fēng)害治理措施，從而達到預(yù)防輸電線路發(fā)生風(fēng)害故障的目的，給西北山區(qū)電網(wǎng)整體風(fēng)害治理提供借鑒。

1 輸電線路風(fēng)害的主要故障類型

1)倒塔類。強風(fēng)風(fēng)力等級超過桿塔承受能力，使得鐵塔受力主材變形，導(dǎo)致鐵塔自塔身折斷或整體傾倒。

2)風(fēng)偏類。強風(fēng)吹動導(dǎo)線，導(dǎo)線靠近塔身距離過近放電，導(dǎo)致單相接地事故。

3)導(dǎo)地線斷股和斷線類。位于山區(qū)風(fēng)口地區(qū)的線路，長期處于強風(fēng)環(huán)境中，導(dǎo)地線長期處于連續(xù)晃動狀態(tài)，最終造成導(dǎo)地線斷股、斷裂等情況。

4)絕緣子和金具損壞類。強風(fēng)可造成絕緣子承受過大的機械應(yīng)力，導(dǎo)致絕緣子鋼腳開裂、芯棒斷裂等問題；大風(fēng)造成耐張線夾、螺栓及金具出現(xiàn)磨損甚至斷裂。

石嘴山地區(qū)位于寧夏西北賀蘭山東麓，是寧夏風(fēng)害最為嚴重、最具典型的地區(qū)之一。該地區(qū)風(fēng)速快，風(fēng)力等級高且持續(xù)時間長，導(dǎo)致輸電線路帶電體與桿塔之間的空氣間隙不斷減小，當空氣間隙的絕緣距離小于安全距離時，會發(fā)生風(fēng)偏跳閘，即使輸電線路進行重合閘操作，但在風(fēng)的作用下依舊會形成二次擊穿現(xiàn)象，對輸電線路的穩(wěn)定運行帶來了巨大威脅[11-13]。

2 輸電線路風(fēng)害故障統(tǒng)計分析

2005年至2021年，石嘴山地區(qū)35 kV及以上架空輸電線路共發(fā)生風(fēng)害故障21次。按電壓等級統(tǒng)計，35 kV線路5次，110 kV線路5次，220 kV線路11次；按風(fēng)害類型統(tǒng)計，風(fēng)偏13次，倒塔8次。具體情況如圖1所示。經(jīng)過統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)偏事故占總體比例的61.9 %，是石嘴山地區(qū)主要的風(fēng)害類型；倒塔事故占總體比例的38.1%，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行影響較大；2010年發(fā)生風(fēng)偏次數(shù)最多，而2015年則發(fā)生多次倒塔事故。

(a)風(fēng)害統(tǒng)計(按電壓等級)

此外，根據(jù)近年的運維經(jīng)驗，石嘴山地區(qū)大風(fēng)天氣及由其引起的惡劣氣象條件在每年的4月至5月最為集中，局部瞬時風(fēng)速較大的天氣一般發(fā)生在9月至10月，極易引起倒塔故障。

3 輸電線路風(fēng)害治理措施

3.1 技術(shù)措施

3.1.1 防風(fēng)偏措施

3.1.1.1 改變絕緣串連接方式

將單回直線塔對強風(fēng)區(qū)域的線路邊相(上風(fēng)側(cè))、中相單串懸垂串改為“V”型串。將不能夠改為“V”串的邊相或中相絕緣子串，通過技術(shù)改造為倒“V”或“八”型串結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

(a)“V”型串

以V型絕緣子為例，當V型串絕緣子一側(cè)受風(fēng)力F時，迎風(fēng)側(cè)的絕緣子會承受極大的拉力F1，而背風(fēng)側(cè)的絕緣子隨著風(fēng)力增大所承受的拉力F2逐漸減小，并由向下的拉力變?yōu)橄蛏系膲毫3。迎風(fēng)側(cè)絕緣子對金具的拉力和背風(fēng)側(cè)絕緣子的支撐力對輸電導(dǎo)線路起到更好的穩(wěn)固作用[14-18]。

對石嘴山地區(qū)某220 kV輸電線路2.24 m長的I型復(fù)合絕緣子進行八字串及V型串的改裝后，進行了有限元仿真計算，如圖3所示。結(jié)果顯示，30 m/s風(fēng)速下，相對于I串，八字串可降低風(fēng)偏位移14%，V型絕緣子串可降低風(fēng)偏角位移超過95%。兩種串型的絕緣子防風(fēng)偏效果均較為顯著。

(a)八字串改裝仿真計算

3.1.1.2 加裝導(dǎo)線防風(fēng)拉線

通過在上風(fēng)側(cè)導(dǎo)線線夾處加裝懸垂線夾，連接絕緣子后用鋼絞線側(cè)拉至地面，中相線用絕緣子將導(dǎo)線與塔身拉住，起到在大風(fēng)時防止風(fēng)偏的作用。由于線路走向為橫風(fēng)向，只需在上風(fēng)側(cè)的邊相及中相安裝即可。圖4為防風(fēng)拉線結(jié)構(gòu)，其中迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線采用對地側(cè)拉，而中相導(dǎo)線采用對塔側(cè)拉。

圖4 導(dǎo)線加裝防風(fēng)拉線

圖5為迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)線的受力分析，F(xiàn)1為對地側(cè)防風(fēng)拉線拉力，F(xiàn)11為水平拉力，F(xiàn)12為垂直拉力。水平方向的力作用向桿塔外側(cè)，當輸電線受到水平方向的自然風(fēng)力時可以避免導(dǎo)線向內(nèi)側(cè)接近，使輸電導(dǎo)線與桿塔保持安全的絕緣距離；而豎直向下的力使得輸電導(dǎo)線在自然風(fēng)力的作用下不易向上偏動。加裝防風(fēng)拉線不僅能夠防止導(dǎo)線因水平風(fēng)引起的閃絡(luò)故障，而且還能有效抑制豎直風(fēng)引起的導(dǎo)線上揚，保障輸電線路在惡劣大風(fēng)環(huán)境下的正常運行。

圖5 導(dǎo)線加裝防風(fēng)拉線受力分析

此方法普遍適用于無人大風(fēng)區(qū)，并且安裝方便簡潔，防風(fēng)偏效果好，但是由于拉線連接至地面，使得本方法不適用于城鎮(zhèn)人口聚集地和車輛較為頻繁的地域，還應(yīng)采取防風(fēng)拉線的防盜、防松、防撞(如噴涂醒目的警示涂料或安裝警示套管等)措施。此外，由于輸電鐵塔和導(dǎo)地線是一個耦聯(lián)的系統(tǒng)，導(dǎo)線受風(fēng)的作用產(chǎn)生振動將會在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生很大的動張力，進而對輸電鐵塔產(chǎn)生強大的拖拽作用，導(dǎo)致輸電鐵塔遭到破壞。當采用導(dǎo)線防風(fēng)拉線時，拉線對導(dǎo)線的拉力與風(fēng)的動張力方向相反，可有效減少動張力的產(chǎn)生，從而對防止倒塔起到一定的作用。另外減小風(fēng)的動張力也就可減小導(dǎo)線振動，從而減少對線路金具的磨損，避免了落線事故及其帶來嚴重后果。

3.1.1.3 加裝斜拉式防風(fēng)偏絕緣拉索

使用拉索將絕緣子掛點與塔身連接起來，拉鎖由絕緣棒本體和兩端連接金具組成，兩端分別連接在掛線點及塔身處。如圖6所示。棒體包括傘裙和棒芯(選取多節(jié)合成絕緣子代替)，兩端金具為常用的配套連接金具，且兩端金具只需固定在鐵塔塔材螺栓孔洞中即可，操作方便。

圖6 導(dǎo)線加裝斜拉式防風(fēng)偏絕緣拉索

加裝斜拉式防風(fēng)偏絕緣拉索無需地錨等用于固定拉線的設(shè)施，材料常見，安裝方便，無需擔心外力破壞風(fēng)險，但需要通過實驗來確定當導(dǎo)線受風(fēng)力偏轉(zhuǎn)后運動軌跡靠近塔身最小距離d時，角θ的大小為多少才能保證安全距離，即確定絕緣拉索的長度和安裝位置。

當風(fēng)力過大，防風(fēng)偏拉索會使導(dǎo)線絕緣空氣間隙縮短，可使用橫拉式防風(fēng)偏絕緣拉索。如圖7所示。橫拉式防風(fēng)偏絕緣拉索相比較斜拉式，其優(yōu)點在于當受到側(cè)向風(fēng)力F時，橫拉式防風(fēng)偏絕緣拉索保持反向拉力F1可以有效地保證導(dǎo)線不發(fā)生偏移。其本身的機械性能可以滿足風(fēng)力對其的拉伸要求。

圖7 導(dǎo)線加裝橫拉式防風(fēng)偏絕緣拉索

3.1.2 防倒塔措施

3.1.2.1 加裝桿塔防風(fēng)拉線

針對自立鐵塔，塔型如酒杯塔、貓頭塔等，在塔身迎風(fēng)一面加裝鋼絞線，與地面的地錨相連接，且鋼絞線與塔身之間用合成絕緣子過渡連接。

拉線布置位置方式如下：在靠近塔頭的塔身處沿塔身對角線方向均勻裝設(shè)鋼絲繩拉線，保證拉線與地面水平夾角約為30°～ 45°，這樣既可以使拉線能夠平衡桿塔受到的水平風(fēng)力，又可以使桿塔與拉線的總體結(jié)構(gòu)比較緊湊，減小拉線的占地寬度。拉線連接高度主要在塔身處，具體連接點需要保證導(dǎo)線和拉線最小距離大于安全放電間隙。

如圖8所示。這種方法可以對抗風(fēng)能力不足的自立鐵塔是一種很好的保護措施，能夠有效提高鐵塔抗風(fēng)能力，杜絕了倒塔事故。

圖8 塔身加裝防風(fēng)拉線

3.1.2.2 補強桿塔

對7727型鐵塔等薄弱塔型的塔腿和塔身連接處包鋼進行補強，將鐵塔上下兩段主材連接牢固；定期進行桿塔螺栓緊固，對重點防風(fēng)區(qū)段的鐵塔采用薄型防松防卸螺帽。

3.2 管理措施

1)加強設(shè)計方案審查。對輸電線路設(shè)計時是否充分考慮了微地形、微氣象區(qū)及其他影響因素，是否對易發(fā)風(fēng)害地區(qū)采取了差異化設(shè)計措施等進行嚴格審查，避免因設(shè)計條件不當造成的風(fēng)偏、風(fēng)荷載安全裕度不足。

2)嚴把工程驗收質(zhì)量。對輸電線路工程竣工驗收時嚴格按照防風(fēng)設(shè)計條件執(zhí)行，落實驗收標準及十八項反事故措施，重點對塔基、螺栓等隱蔽工程加強驗收，確保輸電線路零缺陷投運。

3)定期開展風(fēng)害隱患排查。對地腳螺栓和螺帽不匹配、螺帽松動及保護帽破損等情況及時進行整改，并擴大同類型桿塔的排查范圍；對已采取防風(fēng)措施的輸電桿塔進行風(fēng)偏角和機械性能校核，并對其應(yīng)用效能進行評估，對不滿足要求的桿塔區(qū)段及時進行優(yōu)化改造。

4 應(yīng)用成效

石嘴山地區(qū)220 kV正蘭乙線等7條線路桿塔地處賀蘭山沿風(fēng)帶，該區(qū)域多發(fā)大風(fēng)極端天氣，當大風(fēng)以接近90°的角度吹向線路時，易引起導(dǎo)線風(fēng)偏跳閘，或使導(dǎo)線長時間大幅擺動、疲勞受損，甚至導(dǎo)致桿塔損壞，嚴重影響線路安全運行。

以220 kV正蘭乙線9號塔進行風(fēng)害治理前后對比分析為例，220 kV正蘭乙線9號塔原懸垂串串長為2.563 m，改為雙串后，風(fēng)速角取60°，等效串長可以減少0.18 m，在相同風(fēng)偏角度時可以增加間隙0.1 m，折算到風(fēng)偏角度可以減小約1.9°；同時將懸垂線夾改為加重式懸垂線夾，串重可以增加41.2 kg，在相同風(fēng)速下，可以減小風(fēng)偏角度0.5°。通過上述理論計算，可提高原線路的設(shè)計風(fēng)速約1.3 m/s，緩和了導(dǎo)線因大風(fēng)引起的縱向不平衡張力，限制了導(dǎo)線和絕緣子串風(fēng)偏幅度，有效地保障了輸電線路的空氣間隙，防止線路發(fā)生放電和風(fēng)偏閃絡(luò)事故。

自石嘴山電網(wǎng)2013年實施該防風(fēng)策略以來，輸電線路風(fēng)偏及倒桿斷線等風(fēng)害故障次數(shù)明顯減少，截止到2017年底，輸電線路僅發(fā)生過1起風(fēng)偏故障，防風(fēng)策略實施效果顯著，降低了寧夏石嘴山電網(wǎng)的經(jīng)濟損失，提高了輸電線路的安全穩(wěn)定運行水平，相關(guān)輸電線路風(fēng)害措施及治理經(jīng)驗值得推廣。

5 結(jié) 語

輸電線路運維管理單位應(yīng)根據(jù)自身地區(qū)氣象特點，堅持理論聯(lián)系實際的方法，借鑒其他單位的成功經(jīng)驗，結(jié)合自身地區(qū)特點及運行經(jīng)驗，采取針對性的防風(fēng)措施，不斷從加強線路風(fēng)害資料的收集、持續(xù)完善風(fēng)害區(qū)域分布圖、冬季加強強風(fēng)地區(qū)線路的巡視等方面下功夫，提出適用于本地區(qū)輸電線路的防風(fēng)策略，切實做好輸電線路風(fēng)害技術(shù)改造和設(shè)計工作，確保輸電線路安全運行。