500 kV濰嶗線277號塔中相引流線脫落情況分析及防范措施

朱德祎，鄭連勇

（山東電力超高壓公司，山東 濟南 250021）

0 引言

目前對輸電線路中的跳線串僅要求其對跳線起固定作用，其金具和絕緣子的荷載沒有引起足夠重視。2008年5月24日，山東電網(wǎng)發(fā)生了一起500 kV電網(wǎng)跳線脫落故障，雖然具有偶然性，但是不能不引起我們的重視。

1 故障過程

2008年 5月 24日 8：33，500 kV 濰嶗線 B相跳閘，重合不成,三相跳閘，故障測距0.08 km。根據(jù)測距，巡視人員發(fā)現(xiàn)500 kV濰嶗線277號塔B（中）相跳線已與兩懸垂絕緣子脫離。大號側(cè)懸垂絕緣子從導(dǎo)線側(cè)第七節(jié)傘裙處斷裂為兩部分，小號側(cè)懸垂絕緣子四個跳線線夾全部斷裂，致使跳線與懸垂絕緣子完全脫離，墜落至橫擔（圖1），對塔身放電造成永久性故障重合不成功。

2 原因分析

500 kV濰嶗線于2001年3月投運，277號段采用4×LGJX400/35導(dǎo)線，鐵塔為DG41-24型，B相共有兩組跳線串，跳線絕緣子均為德國赫斯特公司生產(chǎn)的合成絕緣子。

圖1 故障現(xiàn)場照片

2.1 跳線絕緣子斷裂原因分析

該合成絕緣子為德國赫斯特公司1999年生產(chǎn)，額定荷載120 kN，長度4 360mm。事后對斷裂的絕緣子檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂截面硅橡膠護套有一破損孔，芯棒表面起毛、粉化，芯棒斷裂面不整齊，顏色為棕紅色。并且從導(dǎo)線側(cè)開始到第18片傘裙之間的護套分布有16個破損孔，18片傘裙以上未發(fā)現(xiàn)破損孔（圖 2）。

圖2 合成絕緣子斷裂處的斷面及穿孔圖

經(jīng)過對第10～12片傘裙間的傘套解剖檢查發(fā)現(xiàn)：芯棒顏色變白，表面粉化，玻璃纖維外露，護套與芯棒間的界面粘接松動。

通過試驗分析認為本次合成絕緣子斷裂的原因為：合成絕緣子護套存在缺陷，在電場作用下產(chǎn)生電蝕損，造成護套破壞而進水、受潮，從而導(dǎo)致芯棒水解、粉化、腐蝕、變色，芯棒斷面機械強度下降，以至于在正常機械負荷作用下斷裂。

2.2 跳線線夾斷裂原因分析

通過對現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)大號側(cè)跳線懸垂絕緣子先斷裂，而后導(dǎo)致小號側(cè)跳線串的四個跳線線夾斷裂。

根據(jù)能量守恒定律，當大號側(cè)跳線金具落至跳線被收緊時，其速度最快，對小號側(cè)絕緣子串產(chǎn)生的沖擊力最大。

通過建立數(shù)學(xué)模型可以得出，A串跳線金具脫落，B串金具保持完好的前提下，其脫落金具的下落距離S1′為5.75m，此時跳線同塔身的最小距離S2′為1.55m。具體數(shù)據(jù)見表1，子導(dǎo)線編號見圖3，該塔跳線串采用單聯(lián)懸垂串，每串金具參數(shù)如表2。

圖3 中相跳編號示意圖

圖4 中相跳線只保留一串絕緣子時橫斷面示意圖

在搶修過程中通過現(xiàn)場測量，如圖4所示：當A串跳線金具脫落，B串金具保持完好的前提下，其脫落金具的下落距離S1為6.1m，此時跳線與塔身的最小距離 （即導(dǎo)線對橫擔上平面的最小距離）S2為 1.3m。

表1 中相繞跳跳線數(shù)據(jù)

表2 金具參數(shù)

由于A串金具在串間跳線收緊前做自由落體運動由能量守恒可得

其中m為A串金具質(zhì)量；h為A串金具在被串間跳線約束收緊前自由下落距離，為力求產(chǎn)生的速度最大，取S1和S1′中最大值6.1m，重錘連同金具下落至被串間跳線收緊時速度為V≈11m/s。

圖5 金具受力分析圖

由數(shù)學(xué)模型可推算出此時A串下落的金具串與B串絕緣子掛點所在水平線所呈φ角度約40°。

可以把A串金具的速度分解成沿跳線方向的速度V1和與跳線垂直方向上的速度V2。

串間跳線收緊前的瞬間：

理想狀態(tài)下收緊的瞬間，A金具在與跳線垂直方向上的速度V2不變，并以此速度繞B串金具作圓周運動；在沿跳線方向上，由于受到跳線的約束作用，沿跳線方向的速度會隨著跳線的伸長而迅速減小，當速度減為零時，跳線的伸長長度最大，跳線的拉力也達到最大值。此時跳線方向上的力T1由三部分組成，分別是由于A串金具的重力作用而產(chǎn)生的力G1、A金具繞B串金具作圓周運動所需的向心力F向、由A串金具對跳線沖擊而產(chǎn)生的最大拉力FV。而后跳線方向上的力就只有G1和F向，可見跳線線夾在串間跳線收緊的瞬間受到的力最大。即：

其中

L是兩串間跳線的長度,E是跳線鋼芯部分的彈性系數(shù)，S是跳線鋼芯部分總的截面面積，ΔL是跳線收緊的瞬間其伸長的最大長度。

在跳線收緊的瞬間沿跳線方向上使用動能定理得

又有式（4）代入式（5）可得

把式（6）代入式（4）得

把式（2）（3）（7）代入式（1）可得跳線方向上的力T1=150 kN。

通過分析斷裂跳線線夾可知，造成線夾斷裂的力為垂直線夾的力，此時線夾所受的力

理想狀態(tài)下每個線夾的力為f=F/4=28.7 kN。

為驗證所計算數(shù)據(jù)，進行了現(xiàn)場模擬試驗。將139.39 kg重物通過拉力表固定在離地約9m處，長度為6.1m模擬導(dǎo)線上，讓重物做自由落體運動，自由墜落距離為6.1m。其產(chǎn)生的最大沖擊力為158 kN（模擬導(dǎo)線同實際導(dǎo)線彈性系數(shù)存在少許出入，且自由落體高度和計量表計存在少許誤差所致）。

XT4-45400型能否承受的起28.7 kN力的沖擊呢？由于國家和行業(yè)均沒有對跳線線夾的破斷拉力做出規(guī)定，筆者詢問了國內(nèi)幾家大型的線路器材生產(chǎn)廠家，也都表示XT4-45400型僅對跳線起穩(wěn)定作用，沒有做過線夾破斷試驗，沒有規(guī)定具體荷載。為得到XT4-45400型線夾的荷載數(shù)值，進行了現(xiàn)場測試。靜態(tài)拉力試驗發(fā)現(xiàn)XT4-45400線夾的破斷拉力在15 kN左右，動態(tài)沖擊力試驗得出XT4-45400線夾動態(tài)破斷拉力約在4.5 kN左右。

由此可以得出，XT4-45400線夾不能承受絕緣子斷裂的瞬時沖擊。小號側(cè)跳線串的四個跳線線夾斷裂，是由于大號側(cè)跳線懸垂絕緣子斷裂，在重錘等跳線金具的下落沖力作用下造成的。

2.3 結(jié)論

通過故障現(xiàn)場分析可以看出，線路跳閘的直接原因是因為脫落的跳線同鐵塔本體安全距離不足造成的。

如果在A串跳線懸垂絕緣子發(fā)生斷裂時，B串跳線線夾沒有發(fā)生斷裂，跳線將繼續(xù)被約束在鐵塔上，跳線與塔身電氣距離最小為1.3m。北京電力試驗研究所和原水電部電力科學(xué)研究院高壓研究所曾經(jīng)做過的試驗表明（圖6）：四分裂導(dǎo)線－塔構(gòu)間隙工頻擊穿電壓，在空氣間隙為1.3m時U50擊穿電壓約為470 kV,按1.1倍運行電壓上限計算，相電壓約為318 kV，此時仍能保證線路正常運行。

圖6 四分裂導(dǎo)線-塔構(gòu)間隙工頻懸垂擊穿電壓曲線

脫落的跳線同塔身的最小距離，是因B串跳線線夾發(fā)生斷裂造成的。若選取高強度的跳線金具和絕緣子，就有可能防止A串跳線懸垂絕緣子發(fā)生斷裂后，跳線同鐵塔本體安全距離不足。

本次故障的起因是A串跳線合成絕緣子斷裂，若其沒有發(fā)生斷裂，就不會累及B串跳線線夾發(fā)生斷裂，最終造成跳線同鐵塔本體安全距離不足，線路跳閘的故障發(fā)生。

綜上所述，我們提出以下防范措施。

3 防范措施

3.1 加強合成絕緣子紅外檢測工作，發(fā)現(xiàn)局部過熱時及時進行更換

由于國內(nèi)在近幾年才開始普遍使用合成絕緣子，對于合成絕緣子長期運行后的電氣和機械性能還沒有經(jīng)驗可以借鑒，這就要求運行單位除了定期的巡視檢查外，還要加強對其開展紅外檢測工作，一旦發(fā)現(xiàn)有局部過熱現(xiàn)象，就要立即進行更換,防止合成絕緣子斷裂故障發(fā)生。

3.2 線路設(shè)計選型中提高跳線絕緣子和金具強度

目前超高壓輸電線路跳線串線夾普遍采用的是XT型，跳線合成絕緣子一般選擇額定荷載120kN的絕緣子。同時為防止風偏等跳線串裝有6～8片不等的重錘，通過以上分析我們可知對于雙跳線串來說，一旦一串發(fā)生斷裂，在其金具串的重力沖擊下極易導(dǎo)致跳線脫落。

在今后的設(shè)計中，可以對雙跳線串的跳線線夾采用直線塔所用的XGF型線夾。這種線夾破壞荷重一般在60～80 kN，遠遠大于跳線串斷裂對跳線線夾造成的沖擊力28.7 kN。實驗也證明了這一點，試驗中當采用XGF型線夾時，重錘加到8片仍沒有發(fā)生斷裂，也沒有出現(xiàn)裂紋。

跳線的合成絕緣子可以用額定荷載為210 kN的合成絕緣子代替，因為當一串跳線脫落時其沖擊力148 kN左右，其額定荷載可有效避免另一串絕緣子的斷裂。

3.3 加強合成絕緣子的全過程管理

基建驗收中，發(fā)現(xiàn)芯棒損傷的合成絕緣子，必須進行更換，不得修復(fù)后繼續(xù)掛網(wǎng)運行。設(shè)備停電檢修過程中，在合成絕緣子的運輸、施工、檢修等環(huán)節(jié)加強對其保護，嚴禁攀爬合成絕緣子，尤其不能損傷合成絕緣子芯棒護套；嚴禁掛網(wǎng)使用芯棒損傷的合成絕緣子。