輸電線路“六防”在線路初步設(shè)計中的應(yīng)用研究

陳萬意 CHEN Wan-yi；侯添元 HOU Tian-yuan；任唯賀 REN Wei-he；孫志 SUN Zhi

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司超高壓公司，長春 130000）

0 引言

輸電線路保安全、保暢通的關(guān)鍵在于防護意識強烈、防護措施得當(dāng)，否則，線路受損以及出現(xiàn)故障的概率將大幅提升。通過線路設(shè)計人員與施工人員多年的摸索，針對輸電線路的安全防護工作提出了“六防”策略，并針對每一個影響線路安全運行的因素，制訂了一系列科學(xué)有效的措施，并在實際工作當(dāng)中得到大面積推廣和應(yīng)用。實踐證明，做好“六防”工作，不僅能夠延長輸電線路的使用壽命，同時，也能夠增強整個電力網(wǎng)絡(luò)的安全性與穩(wěn)定性。

1 引發(fā)輸電線路跳閘故障的主要因素

按電壓等級劃分，輸電線路主要包括35kV、110kV、220kV、330、500kV等，由于輸電線路多以架空形式為主，因此，受到自然環(huán)境因素以及人為破壞因素的影響，極易出現(xiàn)跳閘等故障，進而給整個電網(wǎng)的運行埋下了安全隱患。

1.1 雷擊

眾所周知，架空輸電線路長年暴露在空氣當(dāng)中，并且不同電壓等級的線路，距離地面建筑物的最小垂直距離也有所不同，如表1所示。

表1 高壓輸電線路與地面建筑物間最小垂直距離

從表1中可以看出，電壓等級越高，線路與地面建筑物的最小垂直距離越大，隨著垂直距離的升高，輸電線路受到雷擊的概率也明顯增加。一旦遭受雷擊，輸電線路將極易發(fā)生跳閘現(xiàn)象，進而引發(fā)絕緣子閃絡(luò)放電，在這種情況下，瓷質(zhì)絕緣子表面釉層將燒傷脫落，玻璃絕緣子表面將出現(xiàn)不規(guī)則的網(wǎng)狀裂紋。如果雷擊產(chǎn)生的電流過大，線路的燒損面積也將隨之增大，進而使終端用戶的供電安全性受到嚴(yán)重影響。

1.2 低溫結(jié)冰

線路低溫結(jié)冰多發(fā)于我國的北方地區(qū)，或者早晚溫差較大的地區(qū)。在冬季到來時，由于輸電線路表面會凝結(jié)成一層厚厚的冰晶，隨著冰晶厚度的增加，與帶電粒子發(fā)生反應(yīng)的概率也將明顯上升，這時，整條線路便會發(fā)生冰閃現(xiàn)象。如果輸電線路長期處于雨雪交加的氣候環(huán)境里，那么，輸電線路表面也會結(jié)一層厚厚的冰晶，并且處理難度與工作量相對較大[1]。

1.3 風(fēng)力過大

在架設(shè)高壓輸電線路時，需要綜合考慮安全指標(biāo)與經(jīng)濟指標(biāo)，因此，線桿之間也將間隔較大的距離，以節(jié)省更多的線桿材料費用與架設(shè)費用，而這種架設(shè)方式的弊端是連接兩個線桿的線路過長，一旦遇到大風(fēng)天氣，線路將出現(xiàn)大幅度搖擺，如果風(fēng)向不定，線路的擺動方向也具有隨意性，當(dāng)達(dá)到一定風(fēng)力時，部分線路將極易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，或者與高聳的建筑物、高大樹木相互纏繞，這時，輸電線路也將出現(xiàn)短路跳閘事故，進而影響整個電網(wǎng)的安全運行。

1.4 鳥類的頻繁活動

絕大多數(shù)高壓輸電線路都架設(shè)在野外或者無人區(qū)，由于這些區(qū)域的鳥類活動較為頻繁，使得一些線路受到鳥類破壞的概率明顯上升。比如一些鳥類經(jīng)常在桿塔上棲息過夜，這就增加了線路本身的自重量，如果超出線路的承載范圍，那么，線路則極易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。另外，鳥類排放出的糞便一旦與輸電線路接觸，那么糞便當(dāng)中的水分將直接給絕緣子的絕緣性能造成影響，在這種情況下，將極易引起接地短路，進而出現(xiàn)跳閘等故障。

1.5 人為因素

人為影響因素可以從兩方面予以考慮，一方面是人為惡意破壞，比如一些建筑或者基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工單位，在施工過程中，并未遵照施工設(shè)計圖紙要求，而盲目進行施工，以至于破壞了大量的輸電線路，甚至給現(xiàn)場施工人員的生命安全構(gòu)成直接威脅。另一方面是專業(yè)技術(shù)水平低。眾所周知，電力系統(tǒng)維修與線路維護需要大量的專業(yè)技術(shù)人員，但是，由于輸電線路維修與維護作業(yè)條件惡劣，并且高空作業(yè)的安全風(fēng)險高，造成大量專業(yè)技術(shù)人員流失，在這種情況下，線路架設(shè)、線路維修與維護等工作的專業(yè)性也將受限，進而給整個電力網(wǎng)絡(luò)埋下了重大的安全風(fēng)險隱患。

2 輸電線路“六防”在線路初步設(shè)計中體現(xiàn)的應(yīng)用價值

所謂輸電線路“六防”主要是針對引發(fā)輸電線路短路、跳閘等故障的主要因素而采取的針對性預(yù)防與治理措施，即便輸電線路故障的發(fā)生具有不可預(yù)知性，但是，通過事前的精準(zhǔn)防范，能夠?qū)⒐收巷L(fēng)險的發(fā)生概率或者故障損失降到最低點，因此，輸電線路“六防”對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起到關(guān)鍵性作用。

從輸電線路“六防”的具體工作內(nèi)容分析，不僅囊括了雷擊、外力破壞、樹線放電、鳥害、大風(fēng)、冰凍等的主要預(yù)防措施，并且可以根據(jù)損害類型，進行點對點防范，每一種損害類型都與每一個防護與治理措施相對應(yīng)，一旦輸電線路出現(xiàn)故障，工作人員能夠快速啟動應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，進而最大限度的挽回故障損失。與此同時，輸電線路“六防”不僅可以作為現(xiàn)場安全管理規(guī)范，并且，也是電力企業(yè)安全管理工作的重中之重，只有各級管理人員能夠始終將“六防”工作落到實處，整個電力企業(yè)才能逐步向規(guī)范化、科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

3 輸電線路“六防”在線路初步設(shè)計中的應(yīng)用策略

3.1 防雷擊策略

以110kV的高壓輸電線路為例，為了提升線路的整體防雷水平，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)根據(jù)地線保護角的取值范圍來確定最佳的保護角度，如表2所示。

表2 輸電線路地線保護角取值范圍

如果輸電線路所經(jīng)的區(qū)域多為山區(qū)，那么，在架設(shè)線路時，一般沿著山坡傾斜的角度架設(shè)，并適當(dāng)減小地線保護角，這也是防止繞擊雷閃絡(luò)事故的一條有效路徑。

另外，降低接地電阻也是提高線路耐雷水平的有效措施，采取這種方式來降低雷擊概率也能夠節(jié)省大量的線路運行與維修成本。如果考慮季節(jié)因素，假設(shè)變電站進出線2km區(qū)段，檔距在1000m以上，塔高在100m以上的大跨越段桿塔接地電阻值不得超過10Ω，而正常跨越區(qū)段的接地電阻值不得超過20Ω。遵循這一原則，在設(shè)計輸電線路桿塔接地體時，應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：第一，如果考慮季節(jié)影響因素，土壤處于干燥狀態(tài)時，變電站進出線1-2km范圍內(nèi)與大跨越區(qū)段，電阻值在10Ω以下，其它區(qū)段的最大接地電阻值不得超過20Ω。第二，如果采用人工接地方式，接地體單根射線長度應(yīng)當(dāng)在60m以下，如果采用雙螺連接方式，桿塔外引線數(shù)量為2根，使接地體與桿身形成明導(dǎo)通。第三，在選擇接地引下線時，其接地體材質(zhì)應(yīng)當(dāng)以角鋼為主，引下線材質(zhì)多以圓鋼為主，圓鋼直徑應(yīng)當(dāng)在12mm以上。第四，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制接地體的埋置深度，對于水量充沛的地區(qū)，如果土壤電阻率在100Ω·m以下，接地體埋置深度應(yīng)當(dāng)在0.8m以上。如果土壤電阻率介于100Ω·m與300Ω·m之間，接地體埋置深度應(yīng)當(dāng)在0.6m以上，如果土壤電阻率介于300Ω·m與2000Ω·m之間，埋置深度在0.5m以上，如果土壤電阻率超過2000Ω·m，埋置深度最小不得低于0.3m。如果遵循這一設(shè)計原則，輸電線路發(fā)生雷擊事故的概率將大幅下降。

3.2 防外力破壞策略

除自然災(zāi)害的破壞因素外，人為對輸電線路的破壞事故也時有發(fā)生，尤其在其它建設(shè)項目的施工過程中，受到人為破壞的概率呈逐年上升趨勢。另外，人類的一些行為活動，也會給線路的正常運行造成破壞。比如植樹造林工程、燃放易燃易爆物品、放風(fēng)箏、釣魚等行為都可能引發(fā)線路短路或者跳閘事故。因此，在設(shè)計輸電線路時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)制訂一套切實可行的防外力破壞策略。以林木植被的繁茂的山區(qū)為例，如果在該地區(qū)架設(shè)110kV的高壓輸電線路，那么，設(shè)計需要考慮森林火災(zāi)的破壞、高大樹木的破壞以及建筑物的施工破壞等因素，為此，設(shè)計人員盡量避開易發(fā)生山火的區(qū)域以及建筑物較為密集的區(qū)域，如果線路跨越鄉(xiāng)鎮(zhèn)公路或者城鎮(zhèn)，則可以采用呼高較高、根開較小的鐵塔作為跨越支撐物，以此來減少鐵塔的占地面積，提升導(dǎo)地線的跨越高度，這樣一來，線路受損的概率也將大幅下降。

3.3 防樹線放電策略

由于我國幅員遼闊，電網(wǎng)密集，輸電線路幾乎遍布每一個角落，尤其在進入二十一世紀(jì)后，我國加大了對偏遠(yuǎn)山區(qū)以及廣大農(nóng)村的線路架設(shè)力度，以至于一些新建的輸電線路占用了大量的山地、林地以及農(nóng)業(yè)耕地，同時針對當(dāng)?shù)氐木€路保護工作也提出了一些嚴(yán)格要求，比如在線路保護區(qū)域內(nèi)，廣大農(nóng)戶不得栽種一些高桿植物或者建造廠房，這一規(guī)定的出臺不僅增加了輸電線路的架設(shè)成本，同時，也損害了廣大農(nóng)戶的基本利益。針對這一問題，在新修訂的《架空線路設(shè)計規(guī)范》中明確規(guī)定，凡是經(jīng)過上述區(qū)域的架空線路，都應(yīng)當(dāng)采用高跨成片林設(shè)計方案，在這一方案的引導(dǎo)下，輸電線路的跨越方式發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，這不僅保障了農(nóng)戶的基本利益，并且，樹線放電事故也明顯減少。

3.4 防鳥害策略

3.4.1 防污設(shè)計

目前，多數(shù)輸電線路使用的絕緣子為鋼化玻璃材質(zhì)，電力部門可以在此基礎(chǔ)上，使用一些大盤徑、大爬距的防污型產(chǎn)品。以提高絕緣子串的爬電距離，絕緣子串爬電距離越大，線路的清潔度越高，并且可以減少大量的清掃與維護工序。比如以大盤徑的絕緣子串為例，這種絕緣子串靠近橫擔(dān)處加裝一片大盤徑絕緣子，或者在絕緣子串中間安裝大盤徑絕緣子，這種絕緣方式在防止鳥類糞便等污穢物方面將起到良好的防護作用。究其原因主要是由于絕緣子表面在堆積鳥類糞便以后，隨著糞便等污穢物的增多，外界潮濕空氣與雨霧將同時作用于污穢物上面，這時，絕緣子表面極易出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象。而輸電線路如果暴露在干燥的空氣中，鳥類糞便降低絕緣子閃絡(luò)電壓的能力受限，這就使污閃出現(xiàn)的概率大幅下降。因此，輸電線路發(fā)生污閃的主要原因與鳥糞的電導(dǎo)率、污穢物的表面積大小以及污穢的來源路徑有著密切關(guān)系。通過對線路污閃原因的分析，設(shè)計人員也可以利用噴涂RTV涂料的方法，來保護玻璃絕緣子。

3.4.2 防鳥害設(shè)計

為了防止鳥類損壞輸電線路，設(shè)計人員可以采取以下三種方式：第一，優(yōu)選塔型。即設(shè)計人員可以采用懸垂串掛點處叉鐵少的塔型，這種塔型可以有效防止鳥類在橫擔(dān)處筑巢壘窩，這樣一來，筑巢所用的雜草也不會與線路發(fā)生短接效應(yīng)。第二，防鳥與治鳥。設(shè)計人員可以在易于筑巢的橫擔(dān)處加裝驅(qū)鳥器或者安裝防鳥刺，一旦鳥類在線路上棲息和停留，這兩種裝置可以直接驅(qū)散鳥類。第三，類似于防止線路污閃的方法，設(shè)計人員可以采用大盤徑絕緣子插花，來防止鳥類糞便的侵害。

3.5 防覆冰策略

近年來，南方地區(qū)頻繁發(fā)生冰凍災(zāi)害，而北方地區(qū)在冬季來臨時，一些輸電線路也會出現(xiàn)大面積覆冰現(xiàn)象，如果不及時予以處理，輸電線路極易發(fā)生短路與跳閘事故，甚至某一區(qū)段的線路會嚴(yán)重受損。因此，在規(guī)劃和設(shè)計輸電線路時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)全面考慮冰凍災(zāi)害給輸電線路造成的不利影響，并遵循“避、防、融”的防冰凍原則，制定切實可行的防覆冰方案。

3.5.1 線路覆冰危害

輸電線路覆冰一般包括以下幾種形式：霧淞、雨淞、混合淞、凍霧、濕雪等，出現(xiàn)上述任何一種覆冰形式，輸電線路的安全性與穩(wěn)定性都將受到嚴(yán)峻考驗。其中，對線路危害指數(shù)最高的是雨淞這種覆冰形式，當(dāng)覆冰厚度達(dá)到極限值，將會引發(fā)斷線與倒塔事故。比如2013年南方大部分地區(qū)出現(xiàn)的輸電線路覆冰事故，覆冰厚度最大區(qū)段達(dá)到50mm以上，在這種情況下，覆冰自重量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了線路的承載上限，繼而多地發(fā)生了倒塔事故。一旦線路表面覆冰，線路本身將在風(fēng)力的作用下發(fā)生低頻率、大幅度擺動，如果擺動持續(xù)的時間過長，線路、絕緣子、鐵塔的耐受能力將明顯降低，這時，線路便會出現(xiàn)疲勞損傷，甚至?xí)l(fā)塔材脫落、線路斷裂與鐵塔解體等嚴(yán)重事故[5]。

3.5.2 防覆冰設(shè)計

為了防止輸電線路出現(xiàn)覆冰事故，設(shè)計人員可以采取以下措施進行預(yù)防：第一，優(yōu)化線路跨越路徑，即線路穿越的地帶可以選擇一些地勢較低的區(qū)域，這種走線方式可以大幅度降低覆冰的概率，線路的平均海拔每降低100m，線路覆冰概率也隨之下降，并且覆冰程度也有所減輕。同時，也可以選擇一些轉(zhuǎn)角度數(shù)較小的區(qū)域，這樣能夠大幅提升轉(zhuǎn)角塔的抗冰凍能力。第二，對于線路跨越檔距較大的區(qū)段，可以采取增設(shè)桿塔數(shù)量地、減少檔距的方法，這樣可以增加線路的過載能力，降低桿塔的荷載量。也可以對直線桿塔的高差進行有效控制，尤其對不平衡張力的直線桿塔，其位置與數(shù)量應(yīng)當(dāng)合理予以確定。第三，為避免冰閃現(xiàn)象的發(fā)生，可以對輸電線路的懸垂串進行插花處理，以增加雙懸垂串之間的間隔距離。第四，為避免斷線與倒塔事故的發(fā)生，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)合理選擇桿塔的塔型，首先可以利用數(shù)學(xué)建模的方式，設(shè)計出鐵塔的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)模型計算出線路的疲勞強度值，然后對與桿塔相連的第一個金具進行加強處理，這樣，對延緩線路的疲勞周期將起到關(guān)鍵性作用。

3.6 防風(fēng)偏策略

輸電線路距離地面的垂直距離越高，受到風(fēng)的作用力越大，線路受損的概率也將隨之升高，因此，在設(shè)計輸電線路時，設(shè)計人員首先需要明確強風(fēng)是引發(fā)線路發(fā)生風(fēng)偏的主要原因。因為在強風(fēng)的作用下，絕緣子串將向桿塔方向傾斜，這時，桿塔與線路間的間隔距離縮小，如果這一距離無法滿足放電的最低電壓要求，那么，線路發(fā)生閃絡(luò)的概率將明顯上升。其次，如果絕緣子在強風(fēng)的作用下向著桿塔相反的方向傾斜，那么線路與通道內(nèi)樹竹的間隔距離將縮小，在這種情況下，也極易發(fā)生閃絡(luò)。經(jīng)過實地驗證，在強風(fēng)作用下，絕緣子向桿塔相反方向傾斜的概率明顯高于同方向傾斜的概率。尤其對山區(qū)的輸電線路來說，如果線路與山區(qū)樹木的間隔距離越小，那么線路發(fā)生閃絡(luò)的概率也就越大，因此，針對這種情況，近年來，電力部門著力對影響線路正?？缭铰窂降牧帜具M行砍伐，但是，由于當(dāng)?shù)孛癖姳Ｗo林木的意識增強，使得砍伐難度越來越大。為了有效解決這一問題，設(shè)計人員可以對桿塔進行加強處理，并將絕緣子片數(shù)控制在9-10片左右，使線路與樹竹的間隔距離能夠始終在安全距離的范圍之內(nèi)。同時，在選擇線路跨越路徑時，也可以盡量避開一些林木高度較高的區(qū)域，或者采用呼高較高的桿塔，這樣也可以有效預(yù)防風(fēng)偏事故的發(fā)生。

4 結(jié)束語

綜上，輸電線路“六防”在線路初步設(shè)計中的有效應(yīng)用，不僅解決了輸電線路常見的短路、跳閘的問題，并且，給整個電網(wǎng)的安全運行提供了強大的技術(shù)保障。因此，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)在“六防”工作思路的引導(dǎo)下，不斷對輸電線路的設(shè)計方案進行優(yōu)化，進而在保安全、保暢通的同時，最大限度的提高輸電線路的運行能力。