沿海220kV架空輸電線路耐張塔風偏故障分析和防風措施探討

【摘要】為了進一步提高輸電線路供電可靠性，減少架空線路受強風影響造成的線路跳閘現象。本文結合江門地區輸電線路運行實際情況，計算分析了沿海地區220kV架空輸電線路耐張塔風偏故障原因， 通過實例介紹了沿海線路耐張鐵塔防風改造的方法、措施和應用情況。

【關鍵詞】架空線;風偏;故障分析;措施

1.線路因風偏故障跳閘情況

江門市地處南部沿海，臺風多。輸電線路風偏跳閘是近年來江門電網故障中較為突出的一類。運行數據表明，2008年度江門電網受臺風影響引起的線路跳閘約占跳閘總數的41%。而風偏故障因其故障后不易重合成功，但臺風出現的季節往往正值迎峰度夏期間，線路大負荷運行，這不僅影響區域供電，而且容易引起電網振蕩甚至解列，給電網的安全運行帶來較大危害。

如：2008年9月，受第14號臺風“黑格比”（最大陣風：50m/s）影響，位于沿海的220kV銅能、銅水線等四回線路相繼故障跳閘，兩回線路均重合不成功，而220kV銅能線N14、N16、銅水線N18、N19故障點跳線、橫擔均有放電灼傷痕跡.采用的桿塔型號為GJ型耐張塔，故障相別均為干字形鐵塔的中相。

2.線路風偏故障分析

2.1 導線舞動的分析

圖1 導線波形圖

導線振動波沿導線呈“駐波”分布，波形為正弦波（如圖1所示）。而導線舞動實際上是一種復雜的垂直、水平和扭轉的三維運動，因此導線舞動的出現帶有明顯的隨機性，既有在覆冰和覆雪的導線上發生的，也有大跨越線段上發生的，也可在一般的線檔內發生。導線舞動機理研究認為：當導線受到橫向速度的風力作用時，導線將產生一個向上（下）加速度運動，即除了垂直運動外，還使導線受到一個空氣動力力矩的作用而產生扭轉和擺動，當扭轉運動的頻率與其垂直運動的頻率同步時，就會產生導線舞動和擺動。一般振幅加大0.3～3米，最大者超過10米，表現在桿塔固定點上就會是：順線路方向的舞動和垂直線路的扭轉擺動，這是極易引起線路風偏的一個重要原因。

2.2 大風對線路跳閘的影響分析

風速是導線風偏的必備條件，不同風速有不同的影響，風速在5-25m/s（4～8級）時易發生導線跳躍，但在二級氣象區內一般不會導致故障發生;大風（特別是陣風）易使導線發生不同期擺動，可能發生對附近物體或塔身的放電。特別是在微氣象地區，當風向垂直導線軸向夾角大于45°時，易形成擺動發生風偏。

當風力作用于導線上，垂直于線路方向的分量將使導線產生橫線路的搖擺偏移，搖擺幅度取決于風速、絕緣子、導線自重等因素，搖擺到一定角度后，導線與塔身的距離減少，小于正常運行時的空氣間隙，在工頻電壓下空氣隙擊穿放電。而且大風條件下，導線周圍的電場特性與空間電荷的分布被改變，降低了空氣的絕緣強度，也可能造成相同電壓下較大間隙的放電。

按現設計規程對輸電線路風速的設計規定為：離地10米高處30年一遇10分鐘的平均最大值，臺山地區按全國風壓圖驗算，風速的基準值應取值35米/秒。而實際上，由氣象臺了解到的瞬時風速相差較大。對于一般線路，水平檔距、垂直檔距多在幾百米以上，采用平無基準風速是合適的，但對于跳線設計中，因跳線長度較短（不足10米），大風可以在較短時間內吹動整段跳線，從而引起線路閃絡跳閘。

而臺山電廠線路出線大都處于高山、峽谷、山口等特殊地段，輸電線路所承受的風力，要超過目前的設計標準，這也是造成近年來風偏故障的主要因素之一。

3.導線風偏計算分析

從歷年的數據統計來看，“干”字型塔邊、中相引流線風偏放電占線路風偏放電的大多數，下面通過風偏搖擺角計算，及典型故障例子，探究線路風偏放電的原因。

3.1 耐張塔跳線風偏分析

造成跳線對塔身放電有兩種情況：一是實際風速未超過設計風速時發生的放電，這是由于間隙設計不滿足耐受電壓或施工中跳線安裝誤差而引起的;二是實際風速超過設計風速而發生的放電跳閘。

輸電線路跳線搖擺角的計算公式為：

式⑥

式中：

——導線跳線的搖擺角，單位：度;

g4——垂直于線路方向的風壓比載，單位：kg/mm·m：

g1—— 跳線的自重比載，單位：kg/mm·m。

導線風壓比載的計算公式為：

式⑦

式中：

——導線風速不均勻系數，跳線取=1.0。

——導線的體型系數，線徑小于17mm 或覆冰時（不論線徑大小）應取=1.2 ;線徑大于或等于17mm 時 取1.1。

d——導線直徑，mm;

V——風速，m/s;

導線自重比載的計算公式為：

g1=P1/A " " " " " " " " " " " " 式⑧

式中：

P1——導線自重，單位：kg/m;

A——導線截面積，單位：mm2。

以220kV銅能線#16塔計算，該塔為轉角約40o，A相采用饒跳方式，在地線橫擔上掛雙懸垂合成絕緣子串加重錘的方式。經計算，在工頻電壓（35m/s）的情況下，跳線的風偏角為76o。由于風偏放電發生時伴有雷雨天氣，空氣潮濕，絕緣性能降低。另外，在強風作用下，雨水會沿著風向形成定向的間斷型水線，如果水線的方向與放電閃絡路徑相同，有可能使空氣間隙的放電電壓大為降低。因此認為線路發生風偏放電時一是導線風偏角很大，二是雨水降低了放電間隙的放電電壓，三是設計中對局部微氣候區、強風區等特殊區域考慮不全，設計風偏計算值不滿足局部微氣候條件，在桿塔設計中跳線與塔身距離偏小，使得桿塔的風偏裕度偏小。耐張塔風偏主要表現在“干字型”塔中中相跳線和外側邊相跳線在大風時對塔身放電。“干”字型塔中相引線多采用單串瓷絕緣子加撐管懸掛，中相引線較長，繞過塔身的前后側，在風力作用下引線搖擺幅度較大。

銅鼓電廠220千伏線路出線多為單回路線路，其中轉角塔均為干字型轉角塔，當線路為小轉角時，中相跳線導線對塔身距離側較少，在受到臺風作用的情況下，容易引起跳線導線對塔身距離不足而引起閃絡跳閘。

中相跳線風偏放電原因分析：

下面以“干”字型GJ401-14/17塔中相為例：選擇氣象工況為最大風速40m/s、氣溫15℃、覆冰厚度0mm。計算絕緣子風偏搖擺角如表1所示：

絕緣子水平風壓：

Pj=（n+1）AjV2/1.6

=15×0.03×402/1.6=450N

絕緣子串聯接金具重量：

G0=2.16×9.8=21.17N

絕緣子串全長：

l=2044+780=2824mm=2.824m

L=lsinθ=2.824sin33.26o=1.549m

引流線距離鐵塔塔材最近點為2m。

所以此時發生風偏的跳線至塔材角鐵的最大距離：

e=2-1.549=0.451mlt;0.55m

根據風偏搖擺角繪制塔頭間隙圓圖如圖2所示，當搖擺角達到33.26°，小弧垂的間隙圓相割于桿塔上的R1、R2點，引流線與塔身主材最近距離僅0.451m。由于引線長度較大，在個別馳度大的地方又形成了0.3m的小弧垂，也在另一種程度更減少了0.451m的距離，導致空氣隙擊穿放電，線路跳閘。可見風速大、引流線重量輕、馳度大是“干”字型塔中相引流線風偏放電的主要原因。

圖2 干字型鐵塔中相懸垂絕緣子串風偏示意圖

4.預防和控制導線風偏的探討

雙回路及單回路轉角塔邊相導線使用跳線防風偏合成絕緣子串。該跳線絕緣子串頂端固定于橫擔上，當受到大風的作用時，整串絕緣子串的擺動小于0.8米，可有效地保證跳線導線對塔身的安全距離，及防止跳線大幅度頻繁擺動造成耐張塔跳線與引流板壓接處鋁線發生斷股事故。

具體布置方式為：當線路轉角在15度至45度之間時，外角側掛單串跳線防風偏合成絕緣子串，線路轉角大于45度時掛雙串跳線防風偏合成絕緣子串。

對于單回路轉角塔，除按設計規定掛設跳線絕緣子串外，在線路中相懸掛的相應位置加裝兩條支撐槽鋼（如圖3所示），使用兩條防風偏合成絕緣子對跳線串支撐，以保證跳線導線對塔身的安全距離。

圖3 中相支撐槽鋼安裝圖

耐張塔中相跳線防風偏改造措施：

“干”字型鐵塔中相防風偏改造可以采用獨立掛點的雙絕緣子串加裝支撐槽鋼的方式進行，兩絕緣子串間間距以1.5m～1.8m為宜，一方面絕緣子產生不同期搖擺可以抵消部分風力作用，限制了風偏搖擺角，使引流線與塔身主材的空氣間隙將進一步增大;另一方面，不拆除原來的單串玻璃絕緣子和選用雙放風偏絕緣子串也很大程度上加大了絕緣子的自重，有效穩定跳線在臺風的狂刮下而不過于大幅度頻繁擺動，防止跳線風偏對塔身放電造成線路跳閘。通過防風偏合成絕緣子（如圖4所示）串上端與支撐槽鋼水平鐵垂直固定，來控制跳線擺動幅度。由于支撐絕緣子端部采用金具聯接結構，且金具的“T”形端頭具有較大接觸面，用螺栓剛性聯接，與鐵塔橫擔聯接穩定。

防風偏合成絕緣子解決了現有技術中合成絕緣子重量輕，防風偏能力差，容易發生風偏放電事故的不足，充分利用了絕緣子玻璃引拔棒具有較強的剛柔特性阻尼和抑制風偏的能力，減小瞬時風偏所產生的大力矩，保證發揮合成絕緣子承受拉伸及彎曲載荷，能夠承受風偏擺動。從而避免跳線風偏跳閘事故的發生，有利于線路安全運行。

圖4 加裝跳線防風偏合成絕緣子示意圖

5.綜合性防風偏治理措施

（1）合理規劃設計，改進設計方法

對新建線路，應結合已有的運行經驗。對微氣候、微氣象區特征明顯，臺風頻發地帶，線路的設計應考慮到最不利的氣象條件組合，適度提高風偏放電的設防水平。設計時應留有適當的裕度，以減少線路投運后遇到惡劣天氣時出現跳閘的可能性。合理選擇在各種氣象條件下，改進設計手段和方法。在選擇線路走徑時，應盡可能避免橫穿風口、沿海平行走向，提高強風地帶的絕緣配置和機械強度。對局部微氣象、微地形地區提高風速、桿塔、金具、絕緣子等的設計安全系數，加大電氣距離。

（2）收集運行資料，提高防風能力

加強對微氣候區的觀測和記錄，積累運行資料，應加強線路所經區域的氣象資料收集。特別是臺風的數據收集，包括發生時段、頻率、風速、區域等，并加強導線風偏的觀測和記錄。對于已運行的線路可以進行局部改造，抑制風偏。

（3）開展科研試驗，抑制風偏事故

應開展有暴雨和強風定向作用下空氣間隙的工頻放電試驗， 得出數據及曲線，為今后的風偏設計提供合理的技術依據和參數。應研究輸電線路塔上氣象參數及導線風偏的在線監測系統，為確定輸電線路桿塔上最大瞬時風速、風壓不均勻系數、強風下的導線運動軌跡等提供直接的技術依據。對設計中氣象條件的選定，各種不利氣象條件的組合，風偏計算中的參數設定等應進一步探討和研究。

6.結論

隨著電網發展和延伸，通過復雜地形及惡劣氣候條件地區的輸電線路日益增多，設計、運行各部門應進一步深入開展對有關微地形對風速的影響、局部地區大風等災害性天氣規律的研究，加強設計和改造力度，優化維護方案，從而提高線路設計水平，減少輸電線路風偏等故障損失。當然，這僅僅是對江門地區架空輸電線路的研究分析和建議，對輸電線路風偏問題的研究還需在今后長期的實踐中不斷完善、充實和提高。

參考文獻

[1]110-500kV架空送電線路設計技術規范 （DI/T-5092）[M].中國電力出版社，1999.

[2]架空送電線路桿塔結構設計技術規定（DL/T 5154-2002）[M].中國電力出版社，2002.

作者簡介：利國華（1965—）， 男，廣東江門人， 長期從事送電線路運行管理工作。