220 kV輸電線路分裂導(dǎo)線粘連分析與處理方法

李冬，潘一帆，江召，劉宏波，李凱，藍(lán)敏雪

（中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，云南 昆明 650051）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國電網(wǎng)建設(shè)也緊跟其后，支撐著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的穩(wěn)定。我國大多數(shù)地區(qū)的遠(yuǎn)程輸電以220 kV輸電線路為主，同時220 kV 輸電線路也是省級電網(wǎng)的骨干電力網(wǎng)絡(luò)，其重要性尤其突出。增加線路穩(wěn)定性，減少線路可能出現(xiàn)的問題是一個值得研究的內(nèi)容[1]。自1990 年以來，全國各個地區(qū)都發(fā)生了多起分裂導(dǎo)線粘連的故障，嚴(yán)重危害了電網(wǎng)的運(yùn)行安全與輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對于分裂導(dǎo)線粘連的成因和校驗(yàn)及其解決方法都有研究的意義[2-3]。

在以往工程中，發(fā)現(xiàn)分裂導(dǎo)線之間無法保持所需要的電氣間距時，通常會采用在分裂導(dǎo)線上加裝間隔棒的方式來防止導(dǎo)線粘連[4-5]，但在實(shí)際工程運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)，在受到施工弧垂誤差及風(fēng)振等因素的影響下，部分間隔棒會夾持導(dǎo)線部位，導(dǎo)致導(dǎo)線磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)鋁線斷股等嚴(yán)重問題。本文提出兩種方法來解決導(dǎo)線粘連問題，以蘭騰220 kV 輸電線路的導(dǎo)線粘連問題來驗(yàn)證方法的合理性。

1 導(dǎo)線粘連的原因

1.1 導(dǎo)線的粘連

對于雙分裂導(dǎo)線，可以視為兩條相互平行的電流分別為I1、I2且電流方向相同的通電導(dǎo)體，如圖1 所示。由右手螺旋定則得到，在電流通過后所產(chǎn)生的磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲?，同時根據(jù)電磁力的左手定則可以分別得到兩條導(dǎo)線受到的電磁力為F1和F2，電磁力的大小根據(jù)公式（1）計(jì)算[6]：

圖1 雙分裂導(dǎo)線示意圖

式中：F為電磁力，N；μ=4 π×10-7為真空磁導(dǎo)率，H/m；d為雙分裂導(dǎo)線之間的距離，m。

在電磁力的作用下，同相的雙分裂導(dǎo)線的受力的方向向著對方靠攏。在設(shè)計(jì)雙分裂導(dǎo)線的時候已經(jīng)考慮到電磁力對導(dǎo)線產(chǎn)生的影響，在輸電線路正常運(yùn)行的過程中，電磁力并不會導(dǎo)致分裂導(dǎo)線粘連，但是長距離輸電線路一般架設(shè)在野外環(huán)境中，野外復(fù)雜的環(huán)境可能出現(xiàn)大風(fēng)、分裂導(dǎo)線溫差、長時間高負(fù)載導(dǎo)致的溫升和施工誤差，都會加大粘連的可能性。當(dāng)導(dǎo)線某處發(fā)生粘連，兩導(dǎo)線的距離d會受力縮短，受到的電磁力進(jìn)一步提高，導(dǎo)致粘連不斷延伸，直至懸掛點(diǎn)，才會因金具的剛性間隔維持力的平衡，停止粘連。

1.2 風(fēng)速對導(dǎo)線粘連的影響

220 kV 輸電線路多用于長距離輸電，通過的環(huán)境一般為野外，野外的自然環(huán)境相對復(fù)雜，特別在山嶺地區(qū)，為了合理利用地形，降低工程的總造價，常會將輸電線路的桿塔立于兩山峰之間，以此減少桿塔的使用數(shù)量[7]。此時檔距中間為山谷地形，而山谷地形為風(fēng)口，相對于平原等地區(qū)有著更大的風(fēng)速。同時，隨著檔距的增大，風(fēng)速更加快，由風(fēng)力導(dǎo)致的導(dǎo)線擺動就會愈加劇烈。當(dāng)分裂導(dǎo)線在風(fēng)力的作用下擺動不一致而相互接近時，風(fēng)產(chǎn)生的作用力會抵消一部分自重。同時，導(dǎo)線距離d的減小會加大電磁力，從而導(dǎo)致的導(dǎo)線粘連。風(fēng)速產(chǎn)生的風(fēng)力由表1 所示：

表1 風(fēng)速對導(dǎo)線的作用力

1.3 導(dǎo)線溫度差異對導(dǎo)線粘連的影響

220 kV 輸電線路常常會因?yàn)槿照?、風(fēng)速、覆冰等一系列原因造成分裂導(dǎo)線溫度出現(xiàn)差異，同時220 kV 輸電線路常為長距離輸電導(dǎo)線，特別在檔距較大的線路中，隨著檔距的增加，弧垂也會加大，弧垂的計(jì)算公式如下[8]：

式中：H為導(dǎo)線的弧垂，m；L為導(dǎo)線的長度，m；Fz為導(dǎo)線的張力，N；Gz為導(dǎo)線的重力，N；C 為導(dǎo)線參數(shù)決定的拉斷力，N；Sz為導(dǎo)線截面積，m2；ξ為安全系數(shù)，正常計(jì)算為2.5。

溫度升高的熱脹冷縮會使得導(dǎo)線截面積的上升和導(dǎo)線長度變長，分裂導(dǎo)線的溫度差異會導(dǎo)致導(dǎo)線弧垂增長水平不一，分裂導(dǎo)線距離d縮短，最后電磁力升高雙分裂導(dǎo)線發(fā)生粘連。如表2 所示為弧垂與溫度的關(guān)系。

表2 弧垂與溫度變化關(guān)系

對于220 kV 輸電線路，雙分裂導(dǎo)線的分裂間距最大不會超過600 mm，在溫差的影響下，根據(jù)表2 可知，會大幅度減少間距，分裂導(dǎo)線距離d縮短，最后電磁力升高雙分裂導(dǎo)線發(fā)生粘連。

1.4 載流量對導(dǎo)線粘連的影響

對于導(dǎo)線載流的設(shè)計(jì)一般以線路平均載流量為主[9]，對于220 kV 輸電線路，以LGJ-300/40 為例，根據(jù)公式（1）計(jì)算分裂導(dǎo)線的電磁力，得到表3。

表3 輸送功率與電磁力的關(guān)系

由表3 可知，隨著輸送功率的上升，單位電磁力逐漸升高，同時分裂間距越小，單位電磁力的提升越大。

雖然在設(shè)計(jì)時會考慮到載流量加大造成的電磁力增大的問題，但設(shè)計(jì)的載流量一般以平均能耗為標(biāo)準(zhǔn)，近些年隨著一些高耗能產(chǎn)業(yè)的興起與發(fā)展，例如電解硅等，都會持續(xù)大量耗能。長時間的高負(fù)載會使得導(dǎo)線溫度上升發(fā)生形變，同時大電流提高的電磁力使得分裂導(dǎo)線更易粘連。

1.5 施工對導(dǎo)線粘連的影響

雖然設(shè)計(jì)上是保持了安全的分裂間距，但是在放線的過程中難免會出現(xiàn)一些小問題，例如放線時上子導(dǎo)線的弧垂比下子導(dǎo)線大，或下子導(dǎo)線的弧垂為負(fù)誤差，會導(dǎo)致分裂導(dǎo)線兩線之間的分裂間距小于設(shè)計(jì)規(guī)定值，這時，任何前文所分析的原因都可能會導(dǎo)致導(dǎo)線粘連的概率大大提高。

2 220 kV蘭騰雙回路輸電線路案例分析

蘭騰雙回路輸電線路為220 kV 的輸電線路，采用2*LGJ-300/40 的鋼芯鋁絞線，分裂導(dǎo)線采用垂直排列，分裂間距為400 mm，全長70.5 km，氣候條件為覆冰5 mm，基本風(fēng)速為25 m/s，穿越地形多為高山丘陵。

2.1 導(dǎo)線粘連的起因、處理與現(xiàn)狀

工程建設(shè)于2006 年，在投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線發(fā)生粘連現(xiàn)象，分析得出原因是施工放線誤差導(dǎo)致的分裂導(dǎo)線間距縮短，同時導(dǎo)線跨越區(qū)間時有大風(fēng)現(xiàn)象，綜合導(dǎo)致的導(dǎo)線粘連問題，最后采用加裝間隔棒的方式來解決問題。

在2020 年發(fā)現(xiàn)，線路上加裝的導(dǎo)線間隔棒受到施工弧垂誤差、風(fēng)振和溫度等一系列影響，部分間隔棒夾持導(dǎo)線部位，導(dǎo)線磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)鋁線斷股等嚴(yán)重問題。

間隔棒安裝在分裂導(dǎo)線上的主要目的是固定各分裂導(dǎo)線間的間距，用于防止導(dǎo)線互相鞭擊、抑制微風(fēng)振動和次檔距振蕩。間隔棒一般安裝在檔距中間，每個安裝相隔50～60 m[10]。而此工程中的間隔棒發(fā)生了位移，兩個、甚至多個間隔板位移而貼緊到了一起，還會發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.2 采用間隔棒的弊端

由事例可以知道，采用間隔棒來保持分裂導(dǎo)線間距還是會導(dǎo)致諸多問題，例如間隔棒位移、導(dǎo)線磨損、導(dǎo)線拉拽等。

雖然導(dǎo)線在設(shè)計(jì)上，雙分裂導(dǎo)線的兩條子導(dǎo)線的弧垂應(yīng)該相同，但無論是自然環(huán)境的影響還是施工時的誤差都會導(dǎo)致兩條子導(dǎo)線出現(xiàn)一定高的弧垂差。在放線時如果上子導(dǎo)線放線較設(shè)計(jì)較少，會出現(xiàn)上子導(dǎo)線通過間隔棒強(qiáng)行拉扯下子導(dǎo)線的情況，會嚴(yán)重增加導(dǎo)線的磨損，出現(xiàn)間隔棒因?qū)Ь€磨損的位移現(xiàn)象，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)子導(dǎo)線的鋁線斷股等問題。在放線時如果下子導(dǎo)線放線較大，會出現(xiàn)上子導(dǎo)線因間隔棒的原因額外承受另一子導(dǎo)線的自重，同樣會出現(xiàn)導(dǎo)線磨損加劇，受力接近拉斷力等問題，造成斷股等問題。

2.3 分裂間隙驗(yàn)證

在發(fā)現(xiàn)間隔棒導(dǎo)致的諸多問題后，考慮對間隔棒進(jìn)行拆除，但同時還需要預(yù)防導(dǎo)線粘連的問題，就導(dǎo)線粘連問題，對分裂導(dǎo)線的分裂間隙進(jìn)行重新分析驗(yàn)證。

在分裂間距正常的情況下，根據(jù)公式（1），取LGJ-300/40 型導(dǎo)線允許載流量770 A，環(huán)境溫度35 ℃，平衡溫度90 ℃。經(jīng)計(jì)算，400 mm分裂間距條件下，單位長度導(dǎo)線間電磁力為0.3 N/m，單位長度導(dǎo)線自重力為11.09 N/m，導(dǎo)線自重力遠(yuǎn)大于導(dǎo)線間電磁力。因而在不考慮其他因素（施工放線誤差，導(dǎo)線材質(zhì)誤差）影響下，導(dǎo)線間電磁力不會導(dǎo)致導(dǎo)線粘連。導(dǎo)線分裂間距滿足相關(guān)要求。

考慮到工程施工時會產(chǎn)生的誤差，根據(jù)《110 kV～750 kV 架空輸電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50233-2014）[11]的要求，220 kV 及以上誤差為±2.5%，若上子導(dǎo)線為正誤差，下子導(dǎo)線為負(fù)誤差，300 m 代表檔距條件下，弧垂差近0.277 m，導(dǎo)線分裂間距剩余123 mm，導(dǎo)線間電磁力為0.97 N/m，仍不足以發(fā)生導(dǎo)線粘連。但如果施工時操作出現(xiàn)問題，上下子導(dǎo)線放線誤差分別為3.5%和-3.5%，則弧垂差近0.388 m，導(dǎo)線分裂間距僅剩12 mm，此時導(dǎo)線間電磁力已達(dá)10.4 N/m，十分接近導(dǎo)線自重力，極易發(fā)生導(dǎo)線粘連。

子導(dǎo)線的弧垂也會存在一定的差異，受導(dǎo)線直流電阻誤差、日照條件差異、垂直導(dǎo)線風(fēng)速等因素影響，上下子導(dǎo)線存在一定溫升差異。經(jīng)計(jì)算：300 m 代表檔距情況下，上下子導(dǎo)線溫差若達(dá)到10 ℃，則弧垂差近0.38 m，導(dǎo)線分裂間距僅剩20 mm。檔距與弧垂的關(guān)系如表4。

表4 檔距與弧垂的關(guān)系

若導(dǎo)線間分裂間距近10 mm 時，電磁力即可達(dá)到12 N/m，此時電磁力已大于導(dǎo)線自重力，從而導(dǎo)致上下子導(dǎo)線粘連。

由導(dǎo)線粘連校驗(yàn)、施工弧垂誤差校驗(yàn)、子導(dǎo)線弧垂差異校驗(yàn)和輸送容量校驗(yàn)可以得到結(jié)論，400 mm 的分裂間距理論上是滿足分裂導(dǎo)線對于導(dǎo)線粘連的預(yù)防的，對于間隔棒可以進(jìn)行拆除。

3 解決導(dǎo)線粘連的方法

通過對于220 kV 蘭騰雙回路輸電線路案例的分析和驗(yàn)證?？梢悦黠@看出，對于當(dāng)前應(yīng)對導(dǎo)線粘連的主流處理方式加裝間隔棒在解決了粘連問題的同時，會產(chǎn)生許多新的問題，并不是一個很好的解決方法。

3.1 更換導(dǎo)線排列方式

對比水平排列，垂直排列更省金具，在考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題上，除重冰區(qū)都采用垂直排列作為常用排列方式。由垂直排列變換到水平排列也相對簡單，只需要替換絕緣子串部分金具即可完成。對于垂直排列和水平排列的耐張串設(shè)計(jì)如圖2 和圖3 所示。

圖2 垂直排列耐張串

圖3 水平排列耐張串

水平排列相較于垂直排列，可以防止因?yàn)榛〈拐`差的原因造成的分裂導(dǎo)線的分裂間隙縮短的問題；同時在放線施工出現(xiàn)誤差時，并不會縮短分裂導(dǎo)線的分裂間距；當(dāng)溫度上升導(dǎo)致的熱脹冷縮使得導(dǎo)線弧垂增大也不會影響導(dǎo)線的分裂間距?？梢杂糜诮鉀Q分裂導(dǎo)線的因電磁力產(chǎn)生的粘連問題。

3.2 調(diào)整導(dǎo)線弧垂提高分裂間距

在許多實(shí)際工程中，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)輸電線路發(fā)生粘連情況時早已投產(chǎn)多年，對線路進(jìn)行耐張串改造會造成長時間停電，造成大量的危害和損失。以220 kV 蘭騰雙回路輸電線路為例，經(jīng)過多方面計(jì)算和驗(yàn)證，證明導(dǎo)線的分裂間距在非極端環(huán)境下，都可以保證線路不發(fā)生粘連。在考慮到經(jīng)濟(jì)性和停電造成的影響，只對間隔棒進(jìn)行拆除工作，同時采用減少上子導(dǎo)線的弧垂，加大下子導(dǎo)線的弧垂，通過這樣的方法再次增加分裂導(dǎo)線的分裂間隔，以此給出足夠的冗余量，防止出現(xiàn)大風(fēng)、上下子導(dǎo)線溫差、長時間大輸送功率等帶來的粘連發(fā)生的可能性，不給導(dǎo)線粘連發(fā)生的條件。同時，該方法也應(yīng)用于解決220 kV 羊麗雙回線的導(dǎo)線粘連問題，取得了良好的效果。

4 結(jié)束語

1）導(dǎo)線發(fā)生粘連的最主要原因是分裂導(dǎo)線的電磁力隨著子導(dǎo)線距離的縮短而增大，導(dǎo)致超過自重粘連到一起。導(dǎo)致分裂導(dǎo)線間距減少的原因有大風(fēng)造成的作用力、溫差導(dǎo)致的弧垂變化、載流量長時間處于高負(fù)載狀態(tài)、施工失誤的間隔減少等問題。

2）通過對于事例的分析，證明間隔棒并沒有完全解決導(dǎo)線粘連的問題，同時還會導(dǎo)致隔棒位移、導(dǎo)線磨損、導(dǎo)線拉拽等問題，不能作為導(dǎo)線粘連的解決辦法。

3）當(dāng)前可以良好解決導(dǎo)線粘連的辦法有采用水平排列和加大導(dǎo)線的分裂間距，對于未投產(chǎn)工程，采用水平排列的耐張串可以良好的解決導(dǎo)線的粘連問題。對于已經(jīng)投產(chǎn)的工程，考慮到線路改造導(dǎo)致的長時間停電問題和經(jīng)濟(jì)性，一般采用增大導(dǎo)線分裂間距的辦法。