±800 kV特高壓直流輸電線路典型故障分析

席崇羽，王海躍，段非非，李游

(1.國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410015；2.國網湖南省電力公司，湖南長沙410007)

±800 kV特高壓直流輸電線路典型故障分析

席崇羽1，王海躍2，段非非1，李游1

(1.國網湖南省電力公司檢修公司，湖南長沙410015；2.國網湖南省電力公司，湖南長沙410007)

文章對國家電網公司已投運的4條特高壓直流輸電線路故障進行分類總結，并對可能危及特高壓直流輸電線路安全運行的各類風險因素進行了分析，從設備內因、環境外因、管理思路等方面，提出了有針對性的防治措施。

特高壓；直流輸電線路；雷擊故障；山火故障；防治措施

±800 kV直流輸電線路，是目前世界電壓等級最高，輸送距離最長，輸送容量最大的直流輸電線路，是國家西電東送、北電南送能源配置格局的大動脈。其分布范圍廣，地理環境、社會環境、氣象條件等極為復雜，當不利條件組合足以導致線路故障時，將會影響到直流系統安全運行，并對送端、受端電網造成巨大沖擊，進一步威脅人民正常生活和社會經濟建設。

隨著±800 kV宜賓至金華特高壓直流輸電線路正式投入運行，國家電網公司(以下稱國網公司)旗下已有4條直流輸電線路正式運行。盡管各條特高壓直流輸電線路投運至今未因線路故障引起重大電網事故，但已發生的數起線路故障對電網安全運行的影響不容忽視。深入研究和分析特高壓直流輸電線路各類運行故障的特點和機理，提出有針對性的防治措施，進一步增強特高壓直流輸電線路抵御自然災害和提高安全運行水平十分必要。

1 在運特高壓直流輸電線路基本情況

目前，國網公司在運±800 kV直流線路共4回，分別為±800 kV復龍至奉賢特高壓直流輸電線路、±800 kV錦屏至蘇州特高壓直流輸電線路、±800 kV哈密至鄭州特高壓直流輸電線路、±800 kV宜賓至金華特高壓直流輸電線路(以下分別簡稱為復奉線、錦蘇線、天中線、賓金線)，線路總長度為7 807 km，其中復奉線1 886 km，錦蘇線2 059 km，天中線2 210 km，賓金線1 652 km。

4條特高壓直流輸電線路投運至2015年5月底，共發生了15次故障，除天中線外，其它線路均有故障記錄(見表1)。從表1中數據可知特高壓直流線路故障次數總體呈上升趨勢。

表1 特高壓直流線路跳閘次數及跳閘率表

2 典型故障分析

4條特高壓直流線路15次故障的原因，其中雷擊故障11次、冰害2次、設備原因1次、外力破壞1次，分別占73.33%，13.33%，6.67%，6.67%。其中11次故障再啟動保護裝置動作成功，4次再啟動不成功系統閉鎖。

2.1 雷擊故障

2.1.1 雷擊故障性質

特高壓直流線路發生的11次雷擊故障均為雷電繞擊，未發生雷電反擊故障。從表2中可知，歷次故障雷電流幅值最大為－69.8 kA，小于特高壓直流線路反擊耐雷水平。歷次跳閘事件中，故障桿塔接地電阻測量值最大為30 Ω，最小為1.1 Ω，均符合設計要求。分析認為，特高壓直流線路發生雷電反擊故障的概率較低，不是雷擊跳閘的主要原因。

表2 特高壓直流線路雷擊故障雷電流幅值

2.1.2 雷擊故障極性

11次雷擊故障中，極Ⅰ(＋)為9次，占81.8%，極Ⅱ(－)為2次，占18.2%，正極性吸引雷擊幾率遠大于負極性。從各次雷擊故障分析存在2個原因:①自然界中雷電以負極性為主，根據性國內外實測結果表明，負極性雷占絕大多數，約占75%～90%，正極性側導線容易發生雷擊閃絡；②正極性側有較強的產生上行先導能力，與負極性側避雷線產生的上行先導競爭攔截雷電先導，雷電繞擊正極性側導線的概率大大增加〔1〕。

2.1.3 雷擊故障桿塔兩側檔距

11次雷擊故障中，檔距大于700 m的共5次，檔距大于500 m的共4次，檔距小于500 m的2次，見表3。特高壓直流線路大檔距更容易因雷電繞擊跳閘，檔距越大，雷擊入射點越可能避開了塔頂直接繞擊檔中央導線，大檔距塔位防雷若僅安裝可控避雷針、塔頂側針，效果可能不明顯。

表3 特高壓直流線路雷擊故障塔位相關信息表

2.1.4 雷擊故障地形

各次雷擊故障所占比例對比分析如圖1所示，共9次故障桿塔地處山峰、山谷等地形，并且都位于C1－C2級多雷區，僅2次故障塔位處于水田中。所在地面傾斜角大于60°的共2次，大于30°的共5次，大于20°的2次，0°的2次。地形地貌對雷擊故障影響較大，邊坡效應嚴重削弱架空地線屏蔽作用，增大了架空地線的等效保護角，使導線缺乏有效屏蔽。有研究表明，當正極處于下邊坡時，隨著下邊坡地面傾角的增大，正極繞擊跳閘率顯著增大，當地面傾角達30°時，正極繞擊跳閘率可達平原地區的5倍〔2〕。另外特高壓直流線路本身鐵塔高度較高，導線對地距離較大，當跨越山谷等地形時，大地屏蔽效能將會降低。

圖1 雷擊故障區段所處地形比例圖

2.1.5 防雷治理措施

上述發生故障的塔位在投運后未進行防雷改造工作，特高壓直流線路的防雷工作處在逐漸積累經驗的過程。在借鑒其它交直流線運行有效經驗的同時，再結合特高壓直流線路結構特征以及各種防雷措施的優缺點和適用范圍，提出以下防治措施:

1)掌握線路走廊雷電分布特征。由于特高壓直流線路跨越數省、市遠距離送電，部分區段走廊雷電基本參數還未掌握，可根據路徑和實際增設雷電觀站，通過雷電定位系統逐步積累每年落雷分布、雷電流強度，并分析研究它們與特高壓直流線路故障之間的內在規律，逐步掌握雷擊與雷電流強度、地形、線路結構等之間的關系，找出多雷區的易擊段和易擊桿塔，進一步開展特高壓直流線路雷擊閃絡風險，確定防雷差異化技術方案。

2)差異化防雷設計。按照目前國內已投運的直流輸電線路雷擊故障規律，負極性雷導致線路正極性側發生故障的比例非常大。在特高壓直流線路設計時，應對特高壓直流線路正極性側防雷設計采取更多措施，如采取讓正極性導線靠近上山坡，采取不平衡絕緣適當增加正極性側絕緣子串干弧距離等措施。

3)安裝可控放電避雷針。可控放電避雷針有提前觸發產生向上迎面先導的特性，引發上行雷閃放電，達到攔截、中和雷云電荷，保護被保護對象的目的〔3〕。在接地電阻有保障的情況下，可控放電避雷針對桿塔前后側檔距較小的線路防繞擊效果比較客觀，而且因其造價較低、安裝方便等特性使其在全國各大電網中得以長時間推廣。但其保護范圍有限，只適合于小檔距、低電阻的桿塔，對于平均檔距較大的特高壓直流輸電線路的防繞擊效果較小。

4)降低桿塔接地電阻。雖然截至目前特高壓直流線路尚未發生過雷電反擊，但從故障塔位的耐雷電反擊水平計算來看，部分塔位接地電阻雖滿足設計要求，但幾乎接近了設計最大值30 Ω，仍有較大的概率會發生雷電反擊事件。降低桿塔接地電阻，可以使其耐雷水平呈指數規律增加。對于計劃安裝可控放電避雷針的塔位和容易發生雷擊桿塔或避雷線的塔位，應盡量降低桿塔接地電阻。

5)安裝線路避雷器。直流避雷器作為目前直流線路防雷性能最優的防雷措施，部分±500 kV直流線路上已得到試點應用，防雷效果顯著，但造價相對較高，安裝程序復雜，在一定程度上制約了推廣應用。±800 kV直流線路避雷器還處于研發階段，當第一批產品投入試用時，應選安裝在具有代表性的塔位，并實時跟蹤運行情況、搜集運行數據，為直流線路避雷器改進提供依據。

2.2 山火故障分析

2013年3月8日，錦蘇線因線路走廊內大面積山火導致極Ⅱ、極Ⅰ先后閉鎖，這也是4條特高壓直流線路投運以來唯一一次山火跳閘事件。

2.2.1 故障現場情況

該次山火故障所在區域連續晴天多日，天氣干燥，風速5 m/s，相對濕度52%RH。所查故障點位于＃1202－＃1203之間，現場地形以小號側往大號側呈40°左右的斜坡，導線與下方樹木凈空距離16 m，植被以干枯茅草及松樹為主。山火借助風力，由下山坡往山上燃燒，由地面茅草小火逐漸演變為松樹樹冠高強度火，由于高溫加濃煙最終導致導線對下方樹木放電引發線路故障。

2.2.2 山火故障原因分析

承擔直流輸電線路兩極間、極對地絕大部分絕緣任務的是空氣，但空氣在溫度達到727℃后會出現明顯熱游離，輸電線路現場發生的山火可達1 000℃以上，導線與樹木間的不均勻電場中，兩極間電荷數量將大幅增加，火勢越強、燃燒時間越長，電荷增加量越大；另外導線加熱后，有電子從其表面游離。當電荷增加到一定程度時，電場發生強烈畸變，大量空間電荷復活而產生光子而造成光游離，在局部強場中發展成為衍生電子崩；衍生電子崩與主電子崩匯合發展成為流注，形成具有高電導和低場強的負先導通道，空氣絕緣特性被徹底破壞〔4〕。另外松樹燃燒后會產生大量煙塵顆粒，帶電質點吸附到微小顆粒上后隨氣流上升過程中不斷靠近導線端電荷區，更有利于負先導通道形成，最終導致線路跳閘。

因山火導致線路對樹木放電的主要是超長間隙放電，突破了特高壓直流輸電線路運行規程中關于導線對樹木的垂直距離(13.5 m)，高強度山火(易出現樹冠火區域)使這一過程變得更易于進行。

2.2.3 防山火治理措施

1)特高壓直流輸電線路選線時宜避開茅草灌木叢生等易發山火的墳墓集中區域，確保線路與其距離大于100 m。

2)運行階段應加強重要輸電線路的巡視，并根據巡視情況，及時對塔基進行清理，每年定期清除近地檔段通道內茂盛的樹木、灌木、雜草、蕨類植物，特殊晴熱時段適當增加防山火清障次數。

3)可聯合林業部門砍伐防火隔離帶，防火隔離帶參照林業或森林防火相關標準執行；在易發山火的植被茂盛區線路通道外側種防火林帶樹種，形成15～20 m的綠色生物防火隔離帶。

4)根據線路區域的氣候條件、生產規律、風俗習慣等，開展防山火宣傳，在山火高發時段，對山火高風險區段進行滾動巡視，或設置瞭望哨進行觀察，對于易引發山火的墳區應安排專人蹲守。

(5)安裝防山火在線監測裝置，或通過衛星遙感技術，實時監控線路走廊周邊火源，一旦發現異常升溫的熱點，就啟動應急程序處置山火。

2.3 設備本體質量可能導致故障

2.3.1 地線耐張線夾斷裂

2012年1月18日，復奉線發生一起由設備質量原因導致的閉鎖事件，原因為地線脫冰跳躍時，U型螺栓耐張線夾底部斷裂、地線跌落后與導線相接觸，一次重啟動不成功閉鎖。

經事故調查及后續深入分析，該次事故是由U型螺栓失效斷裂為多重因素疊加作用引起。結構不合理的U型螺栓運行過程中連接處存在應力集中，當長期振動疲勞積累、遇脫冰跳躍引起的沖擊動載時，在應力集中處首先開裂，由于晶粒比較粗大，鐵素體沿晶界分布，低溫下韌性有所降低，裂紋沿晶界擴展，表現為解理斷裂〔5〕，當有效截面減小到一定數值時，U型螺絲瞬間整體斷裂。

該型U型螺栓耐張線夾存在安全隱患，不利于長期穩定運行。事故后，復奉線各省市運維單位對該型號地線耐張線夾使用情況進行了排查，并全部將其更換為雙耐張結構的預絞式耐張線夾，并在其后改進了后續建設的特高壓直流線路地線耐張線夾設計，其改進前后串型示意圖如圖2所示。

圖2 復奉線地線耐張線夾斷裂前后串型示意圖

2.3.2 鋁管硬跳線滑移隱患

2011年7月，復奉線耐張塔鋁管發生滑移，雖未導致線路故障，但已嚴重危及到線路的安全運行。滑移原因為鋁管硬跳線的管部分采用兩段不等長鋁管通過內襯管對接后再用外接頭緊固的方式，接頭的強度依賴于外接頭和鋁管之間的摩擦力，當螺栓松動后接頭有可能發生滑移。

通過計算分析和實驗，最終確定了采用鉆孔加裝銷釘的措施進行加固處理，克服單純依靠摩擦力的缺點，利用插銷的抗剪作用保證接頭的握著強度。該措施可使接頭強度達到原來的2倍以上，即使螺栓松動，接頭也不會滑移，根除了鋁管接頭滑移的隱患。插銷插入孔后底部與內襯管接觸、頂部用金屬膠密封，在運行中與接頭成為一體，不會產生相對運動。插銷不承擔導流作用，為非體磁性材料，不會產生發熱問題，其溫度不會高于接頭體的溫度。因此，接頭中增加插銷有利于防止接頭的滑移，不會引起副作用，對跳線的正常運行無不良影響。

2012年復奉線停電檢修期間，復奉線10家運維單位按照上述方法對627基耐張塔鋁管硬跳線接頭進行了加固處理，再未發現接頭滑移現象。

2.3.3 地線懸垂線夾斷裂

2015年3月，賓金線＃1513鐵塔右側地線雙線夾靠小號側(后側)的一個線夾斷裂，地線僅由一個線夾懸掛，該線夾損傷嚴重。左側地線靠小號側(后側)的一個線夾損傷嚴重，在檢修之前該線夾整體往大號側(前側)傾斜。左右兩側地線線夾恢復后均往大號側(前側)傾斜。該現象說明＃1513鐵塔左右兩側地線均存在往大號側(前側)的不平衡張力。

發現問題后，對損傷線夾進行了失效樣品宏觀分析、材質分析、結構形式分析、力學性能試驗、受力分析，綜合得出事件原因。地線懸垂線夾斷裂應發生在覆冰期，先期損傷的懸垂線夾由于本身承受了安裝導致的不平衡張力，在覆冰、風振等外載荷作用下首先將腰鼓型包箍壓裂后，所有荷載全部由U型鋁合金帶承擔，最終導致U型鋁合金帶被壓斷導致事故發生。分析認為，原線路上使用的地線懸垂線夾腰鼓型抱箍為兩塊組裝而成，兩塊之間通過卡扣合成一體，兩者之間并沒有防松開裝置。線夾所承受的垂直荷載由包箍和外側鋁合金U型帶共同承擔，當內側包箍松開后，所有荷載只能由鋁合金U型帶單獨承擔，安全裕度較小。

賓金線停電檢修期間，更換了損傷的線夾，后續將對懸垂線夾傾斜進行重點檢測，發現類似問題將更換為外側U型帶材質為不銹鋼的腰鼓型包箍采用鉸鏈連接線夾。

2.3.4 設備本體質量缺陷防治措施

1)新型設備設計時，不能盲目參照或套用其他設計結果，必須建立在好的概念設計、結構計算和構造措施的基礎上，通過圖紙設計、放樣加工、多次試驗，并經認證、質檢合格后方能投入使用，否則很容易會產生大規模的家族性缺陷，危及到電網安全運行。

2)嚴格執行設備監造相關要求，對產品用料、成型、試組裝、出廠檢驗等環節進行全方位管控，不合格產品決不能流向市場。

3)工程驗收階段應對設備本體、通道環境等進行詳細查驗，對新型設備更應加大檢查力度，盡量在線路正式投產前將缺陷或隱患處理到位。

4)運維階段應加大設備巡視檢查力度，利用直升機巡線、無人機拍攝和紅外、紫外成像儀等方法，及時發現線路上存在的缺陷或隱患，并及時采取相對應的治理措施。

3 特高壓直流輸電線路故障防治

隨著投運時間的增加，一些尚未在當前階段凸顯出來的故障原因可能會逐步出現，將逐步呈現出多樣化。除以上分析的3個因素外，還有機械外破、異物、冰害、舞動、風害、地質災害、污閃、樹線放電、鳥害等9個可能會導致特高壓直流輸電線路發生故障。2014年，國家電網公司提出了重要輸電通道(特別是特高壓直流輸電線路)風險評估和防護保障管理理念，在對上述12類風險因素進行逐基逐檔開展隱患排查后，按照HIRA(危險源辨識及風險評估)方法進行風險值計算得出通道最終風險等級，并按照風險等級和輕重緩急制定滾動治理計劃。治理計劃主要從加強運行維護管理、配備相應的觀測或監測設備、通過技術改造或技術大修消除缺陷或隱患等方面入手，并對今后重要輸電通道規劃設計、建設等工作提出指導意見。

特高壓直流輸電線路故障防治，主要從設備本體、通道環境、管理機制、人員配置、工具配置等五個方面，對12類風險因素進行逐項排查，摸清問題癥結所在并對癥下藥。

設備本體方面，對通道內線路回數、線間距離、耐張端長度、桿塔型式、絕緣配置、導線對地距離、重要交叉跨越、基礎穩定等一系列的結構性重要設備進行隱患排查治理。

通道環境方面，全面掌握氣象條件、地理環境、風俗習慣、污染源頭、雷電參數、主要植被、山火區域、機械施工、易漂浮異物等因素對線路安全運行造成的影響，列入運行工作重心和設備治理重點。

管理機制方面，在逐步積累特高壓運行維護經驗的基礎上總結管理經驗，建立風險因子排查、評估、治理的長效機制，建立相應的動態更新隱患臺賬，確定相應隱患的處置措施和流程，明確巡護重點和治理先后計劃，完善應急管理機制。

人員配置方面，根據特高壓直流輸電線路的實際情況合理配置巡視、維護、檢修、檢測人員和監督檢查人員，加強從業人員理論知識和實際操作水平的培訓，配置足以處置突發事件的應急隊伍并定期開展演練，依托屬地供電公司和地方政府部門開展協同護線工作。

工具配置方面，為巡視、維護、檢修、檢測、在線監測等工作配置充足的工器具，充分依托當前互聯網、無人機、直升機等科技設備開展設備巡查和監測，提高特高壓直流輸電線路的智能化水平。

〔1〕陳智，陳俊武，高俊.對特高壓直流線路繞擊屏蔽的一種新觀點〔J〕.高電壓技術，2006，32(12):142-145.

〔2〕黃福勇，彭展旗，巢亞鋒，等.±500 kV江城線雷擊跳閘原因分析及對策〔J〕.湖南電力，2013，33(3):6-9.

〔3〕龔志勇.可控放電避雷針與傳統避雷針保護性能的區別〔J〕.水電與新能源，2010(3):9-12.

〔4〕張云，尤飛等，陳海翔，等.山火引發輸電線路跳閘事故的統計與分析〔J〕.消防科學與技術，2011，30(12):1 177-1 180.

〔5〕梁克炳.解理斷裂機制〔J〕.無錫職業技術學院學報，2003，2(4):25-26.

Typical cases analysis of±800 kV UHV DC transmission line

XI Chongyu1，WANG Haiyue2，DUAN Feifei1，LI You1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Maintenance Company，Changsha 410015，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410007，China)

The paper analyzes the faults of the 4 UHV DC transmission lines which have already put into operation in the State Grid.The possibilities of risk factors which may influence to its safe operation of the UHV DC transmission is analyzed at the same time.Corresponding preventive measurements are put forward in terms of those possibilities from internal causes of equipment，external causes of environment，and management thought.

UHV；DC transmission line；lightning stroke fault；forest fire fault；prevention measurement

TM721.1

B

1008-0198(2016)01-0055-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2016.01.016

2015-05-11