220 kV架空線舞動(dòng)跳閘分析及改進(jìn)措施

趙士永

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 河北唐山 063020）

引言

曹妃甸區(qū)某鋼鐵公司共配置4條220 kV進(jìn)線架空線給2 座220 kV 站供電。2 座220 kV 站通過(guò)兩回聯(lián)絡(luò)線實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行，在其中一座220 kV 變電站2條進(jìn)線全部停電的情況下，通過(guò)聯(lián)絡(luò)線與另外一座220 kV 站互為備用，保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和連續(xù)性。作為公司重要的送電通道，這幾條線路的安全運(yùn)行直接決定著公司生產(chǎn)的安全順?lè)€(wěn)運(yùn)行。架空線出現(xiàn)故障跳閘將直接影響鋼鐵產(chǎn)量，嚴(yán)重時(shí)可能造成公司3座特大型高爐全部灌渣。

1 故障概述

2020 年2 月14 日，曹妃甸區(qū)域逐步出現(xiàn)凍雨、雨夾雪、大雪等惡劣天氣并伴隨強(qiáng)風(fēng)降溫過(guò)程，該過(guò)程中該鋼鐵公司4條220 kV架空線路因差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，順序發(fā)生跳閘，最嚴(yán)重時(shí)4 條線路僅剩1 條線路，如果最后1條線路再發(fā)生跳閘，將直接造成公司高爐全部灌渣，長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入檢修狀態(tài)。

2 故障原因分析

2.1 氣象原因分析

2020 年2 月14 日曹妃甸區(qū)域逐步出現(xiàn)凍雨、雨夾雪、大雪等惡劣天氣并伴隨強(qiáng)風(fēng)降溫過(guò)程。故障發(fā)生時(shí)當(dāng)?shù)貧庀髼l件：雨夾雪，氣溫-3°C，東北方7～8 級(jí)，空氣相對(duì)濕度90%。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線、絕緣子串表面有明顯覆冰，本次發(fā)生舞動(dòng)跳閘的4 條架空線走向?yàn)槲鞅?東南布置，發(fā)生跳閘的瞬間風(fēng)的走向與架空線的走向之間的夾角已經(jīng)超過(guò)45°，此種風(fēng)速及線路走向極易造成線路舞動(dòng)。

2.2 舞動(dòng)現(xiàn)象分析

覆冰、風(fēng)的激勵(lì)是導(dǎo)致舞動(dòng)出現(xiàn)的主要因素[1]。

（1）覆冰

在風(fēng)的影響下，導(dǎo)線上會(huì)堆積濕雪、霜淞及雨淞，覆冰現(xiàn)象隨之出現(xiàn)，因此會(huì)導(dǎo)致舞動(dòng)。降雨量、降雨方式與導(dǎo)線覆冰之間的關(guān)系密切，但溫度變化同樣會(huì)顯著影響到導(dǎo)線覆冰，特別是在先雨后雪、溫度從零上迅速降到零下等氣溫迅速下降條件下更易導(dǎo)致導(dǎo)線覆冰。導(dǎo)線覆冰通常呈各種不規(guī)則形狀（D 形、扇形、新月形等[2]），冰的厚度不一，一般在數(shù)毫米至數(shù)十毫米之間（歷史記錄峰值曾經(jīng)達(dá)到50 mm），也就是說(shuō)，導(dǎo)線覆冰大多表現(xiàn)為不均勻狀態(tài)。這種現(xiàn)象有利于導(dǎo)線空氣動(dòng)力性能[3]，此時(shí)如果受到風(fēng)的激勵(lì)，舞動(dòng)現(xiàn)象即會(huì)出現(xiàn)。

（2）風(fēng)的激勵(lì)

舞動(dòng)離不開(kāi)風(fēng)的激勵(lì)[4]。冬、春（初春）時(shí)節(jié)，冷暖氣流交匯會(huì)加大風(fēng)力等級(jí)，輸電線路如果處于風(fēng)口、開(kāi)闊、地勢(shì)平坦區(qū)域且有導(dǎo)線（不均勻）覆冰現(xiàn)象[5]，那么在線路走向與風(fēng)向呈≥45°夾角[6]、4～20 m/s 風(fēng)速條件下，導(dǎo)線舞動(dòng)易出現(xiàn)。最嚴(yán)重的舞動(dòng)通常出現(xiàn)在線路走向與風(fēng)向呈90°夾角時(shí)。究其原因，主要是由于風(fēng)的分量（和線路走向垂直）愈大，愈易形成更加明顯的導(dǎo)線（不均勻覆冰后）激勵(lì)效應(yīng)、導(dǎo)線因此獲得的升力更強(qiáng)，系統(tǒng)線路會(huì)因此聚集起更充足的能量，線路不均勻覆冰條件下就會(huì)打破本來(lái)的系統(tǒng)平衡狀態(tài)，舞動(dòng)就此形成。

（3）線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)

導(dǎo)線的舞動(dòng)同樣會(huì)受到導(dǎo)線的檔距結(jié)構(gòu)、張力、型式、固有頻率等技術(shù)參數(shù)的影響。

2.3 本次線路舞動(dòng)過(guò)程分析

特殊的天氣下導(dǎo)線覆冰，導(dǎo)線下方形成機(jī)翼構(gòu)造冰凌→45°～90°風(fēng)向吹向?qū)Ь€→機(jī)翼構(gòu)造冰凌的機(jī)翼效應(yīng)與重力、導(dǎo)線張力共同作用→導(dǎo)線形成蕩秋千現(xiàn)象，加速導(dǎo)線的舞動(dòng)。舞動(dòng)沒(méi)有統(tǒng)一性（各相線間），空氣間隙有可能因此變得過(guò)于狹小，閃絡(luò)跳閘隨之出現(xiàn)。

2.4 分析結(jié)論

2月14日，220 kV線路故障跳閘期間，通過(guò)對(duì)線路舞動(dòng)現(xiàn)實(shí)并結(jié)合現(xiàn)有理論分析，4 條220 kV 線路滿足舞動(dòng)發(fā)生的各項(xiàng)條件[7]，最終產(chǎn)生線路舞動(dòng)跳閘事故。

3 線路舞動(dòng)解決方案討論

輸電導(dǎo)線防止舞動(dòng)主要從3 個(gè)方面解決，實(shí)質(zhì)上就是：導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)、風(fēng)速和風(fēng)向、覆冰與覆冰截面形態(tài)。針對(duì)這些方面，目前主要有3 種防舞動(dòng)措施：

（1）采用導(dǎo)線覆冰預(yù)防措施，除冰，將舞動(dòng)易形成的覆冰區(qū)避開(kāi)。

（2）舞動(dòng)抵抗力提升。即：基于導(dǎo)線參數(shù)指標(biāo)調(diào)節(jié)與改變，將相關(guān)構(gòu)件或設(shè)備（導(dǎo)地線等）的承載能力適當(dāng)增加，或?qū)U塔檔距適度縮小，也可以將耐張塔使用量適度增加。

（3）防舞技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用。如果是已建成運(yùn)行線路，那么必須采用相應(yīng)的防舞策略與設(shè)備來(lái)預(yù)防擺動(dòng)，這種策略一般包括將各類防舞設(shè)備安裝在線路上，以此對(duì)舞動(dòng)幅度形成抑制，將舞動(dòng)危害弱化直至消除，防舞目標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)。

4 確定整改方案

防舞策略因防舞途徑不同而具有一定的差異性。

（1）基于導(dǎo)線特性改變進(jìn)行舞動(dòng)抑制的防舞策略[8]，整體式偏心重錘、雙擺防舞器、失諧擺等防舞器即屬此類[9]。

（2）基于不同防冰措施采用進(jìn)行舞動(dòng)抑制的防舞策略，使用防雪導(dǎo)線、低居里點(diǎn)合金套管等防舞器即屬此類。

（3）基于沿檔氣流擾亂進(jìn)行舞動(dòng)抑制的防舞策略，擾流防舞器等防舞器即屬此類。

（4）基于風(fēng)動(dòng)阻力提升進(jìn)行舞動(dòng)抑制的防舞策略，空氣動(dòng)力阻尼器等防舞器即屬此類。

（5）基于導(dǎo)線自阻尼提升進(jìn)行舞動(dòng)抑制的防舞策略，終端阻尼器等防舞器即屬此類。

（6）檔距縮短、導(dǎo)線運(yùn)行張力提升同樣具有相應(yīng)的抑舞作用。

根據(jù)以上防舞動(dòng)策略，制定3 個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比（見(jiàn)表1），確定最終方案。

表1 解決方案對(duì)比

從電科院報(bào)告等調(diào)查數(shù)據(jù)分析來(lái)看，在220 kV緊湊型線路上更適宜于進(jìn)行相間間隔棒安裝配置，因此決定在公司220 kV 架空線加裝相間間隔棒。采用絕緣棒機(jī)械連接回路或相間，以便對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)進(jìn)行約束，波節(jié)為其固定部位，舞動(dòng)因此變成數(shù)個(gè)半波模式，隨之即可弱化振幅，導(dǎo)線間短路預(yù)防目標(biāo)即可實(shí)現(xiàn)。其實(shí)質(zhì)上就是機(jī)械性地連接起每根導(dǎo)線，以便于每一根導(dǎo)線運(yùn)行過(guò)程中均可互相約束，實(shí)現(xiàn)舞動(dòng)抑制。相間間隔棒是一種合成絕緣結(jié)構(gòu)，組成部分包括硅橡膠護(hù)套與玻璃鋼芯棒[10]。間隔棒安裝布置方法如表2和圖1所示。

圖1 間隔棒安裝位置示意圖

表2 相間間隔棒布置方法

5 結(jié)論

該4條220 kV高壓架空線路是公司重要的供電通道，安全穩(wěn)定與否直接關(guān)系到鋼鐵公司生產(chǎn)的安全與否，因此，高壓電氣裝置維護(hù)管理的核心任務(wù)主要就在于迅速準(zhǔn)確地分析架空線發(fā)生舞動(dòng)跳閘的原因，并制定出切實(shí)可行的防舞動(dòng)措施，以此為其穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供基本保障。