沿海220kV架空输电线路耐张塔风偏故障分析和防风措施探讨

【摘要】为了进一步提高输电线路供电可靠性，减少架空线路受强风影响造成的线路跳闸现象。本文结合江门地区输电线路运行实际情况，计算分析了沿海地区220kV架空输电线路耐张塔风偏故障原因， 通过实例介绍了沿海线路耐张铁塔防风改造的方法、措施和应用情况。

【关键词】架空线;风偏;故障分析;措施

1.线路因风偏故障跳闸情况

江门市地处南部沿海，台风多。输电线路风偏跳闸是近年来江门电网故障中较为突出的一类。运行数据表明，2008年度江门电网受台风影响引起的线路跳闸约占跳闸总数的41%。而风偏故障因其故障后不易重合成功，但台风出现的季节往往正值迎峰度夏期间，线路大负荷运行，这不仅影响区域供电，而且容易引起电网振荡甚至解列，给电网的安全运行带来较大危害。

如：2008年9月，受第14号台风“黑格比”（最大阵风：50m/s）影响，位于沿海的220kV铜能、铜水线等四回线路相继故障跳闸，两回线路均重合不成功，而220kV铜能线N14、N16、铜水线N18、N19故障点跳线、横担均有放电灼伤痕迹.采用的杆塔型号为GJ型耐张塔，故障相别均为干字形铁塔的中相。

2.线路风偏故障分析

2.1 导线舞动的分析

图1 导线波形图

导线振动波沿导线呈“驻波”分布，波形为正弦波（如图1所示）。而导线舞动实际上是一种复杂的垂直、水平和扭转的三维运动，因此导线舞动的出现带有明显的随机性，既有在覆冰和覆雪的导线上发生的，也有大跨越线段上发生的，也可在一般的线档内发生。导线舞动机理研究认为：当导线受到横向速度的风力作用时，导线将产生一个向上（下）加速度运动，即除了垂直运动外，还使导线受到一个空气动力力矩的作用而产生扭转和摆动，当扭转运动的频率与其垂直运动的频率同步时，就会产生导线舞动和摆动。一般振幅加大0.3～3米，最大者超过10米，表现在杆塔固定点上就会是：顺线路方向的舞动和垂直线路的扭转摆动，这是极易引起线路风偏的一个重要原因。

2.2 大风对线路跳闸的影响分析

风速是导线风偏的必备条件，不同风速有不同的影响，风速在5-25m/s（4～8级）时易发生导线跳跃，但在二级气象区内一般不会导致故障发生;大风（特别是阵风）易使导线发生不同期摆动，可能发生对附近物体或塔身的放电。特别是在微气象地区，当风向垂直导线轴向夹角大于45°时，易形成摆动发生风偏。

当风力作用于导线上，垂直于线路方向的分量将使导线产生横线路的摇摆偏移，摇摆幅度取决于风速、绝缘子、导线自重等因素，摇摆到一定角度后，导线与塔身的距离减少，小于正常运行时的空气间隙，在工频电压下空气隙击穿放电。而且大风条件下，导线周围的电场特性与空间电荷的分布被改变，降低了空气的绝缘强度，也可能造成相同电压下较大间隙的放电。

按现设计规程对输电线路风速的设计规定为：离地10米高处30年一遇10分钟的平均最大值，台山地区按全国风压图验算，风速的基准值应取值35米/秒。而实际上，由气象台了解到的瞬时风速相差较大。对于一般线路，水平档距、垂直档距多在几百米以上，采用平无基准风速是合适的，但对于跳线设计中，因跳线长度较短（不足10米），大风可以在较短时间内吹动整段跳线，从而引起线路闪络跳闸。

而台山电厂线路出线大都处于高山、峡谷、山口等特殊地段，输电线路所承受的风力，要超过目前的设计标准，这也是造成近年来风偏故障的主要因素之一。

3.导线风偏计算分析

从历年的数据统计来看，“干”字型塔边、中相引流线风偏放电占线路风偏放电的大多数，下面通过风偏摇摆角计算，及典型故障例子，探究线路风偏放电的原因。

3.1 耐张塔跳线风偏分析

造成跳线对塔身放电有两种情况：一是实际风速未超过设计风速时发生的放电，这是由于间隙设计不满足耐受电压或施工中跳线安装误差而引起的;二是实际风速超过设计风速而发生的放电跳闸。

输电线路跳线摇摆角的计算公式为：

式⑥

式中：

――导线跳线的摇摆角，单位：度;

g4――垂直于线路方向的风压比载，单位：kg/mm・m：

g1―― 跳线的自重比载，单位：kg/mm・m。

导线风压比载的计算公式为：

式⑦

式中：

――导线风速不均匀系数，跳线取=1.0。

――导线的体型系数，线径小于17mm 或覆冰时（不论线径大小）应取=1.2 ;线径大于或等于17mm 时 取1.1。

d――导线直径，mm;

V――风速，m/s;

导线自重比载的计算公式为：

g1=P1/A 式⑧

式中：

P1――导线自重，单位：kg/m;

A――导线截面积，单位：mm2。

以220kV铜能线#16塔计算，该塔为转角约40o，A相采用饶跳方式，在地线横担上挂双悬垂合成绝缘子串加重锤的方式。经计算，在工频电压（35m/s）的情况下，跳线的风偏角为76o。由于风偏放电发生时伴有雷雨天气，空气潮湿，绝缘性能降低。另外，在强风作用下，雨水会沿着风向形成定向的间断型水线，如果水线的方向与放电闪络路径相同，有可能使空气间隙的放电电压大为降低。因此认为线路发生风偏放电时一是导线风偏角很大，二是雨水降低了放电间隙的放电电压，三是设计中对局部微气候区、强风区等特殊区域考虑不全，设计风偏计算值不满足局部微气候条件，在杆塔设计中跳线与塔身距离偏小，使得杆塔的风偏裕度偏小。耐张塔风偏主要表现在“干字型”塔中中相跳线和外侧边相跳线在大风时对塔身放电。“干”字型塔中相引线多采用单串瓷绝缘子加撑管悬挂，中相引线较长，绕过塔身的前后侧，在风力作用下引线摇摆幅度较大。

铜鼓电厂220千伏线路出线多为单回路线路，其中转角塔均为干字型转角塔，当线路为小转角时，中相跳线导线对塔身距离侧较少，在受到台风作用的情况下，容易引起跳线导线对塔身距离不足而引起闪络跳闸。

中相跳线风偏放电原因分析：

下面以“干”字型GJ401-14/17塔中相为例：选择气象工况为最大风速40m/s、气温15℃、覆冰厚度0mm。计算绝缘子风偏摇摆角如表1所示：

绝缘子水平风压：

Pj=（n+1）AjV2/1.6

=15×0.03×402/1.6=450N

绝缘子串联接金具重量：

G0=2.16×9.8=21.17N

绝缘子串全长：

l=2044+780=2824mm=2.824m

L=lsinθ=2.824sin33.26o=1.549m

引流线距离铁塔塔材最近点为2m。

所以此时发生风偏的跳线至塔材角铁的最大距离：

e=2-1.549=0.451m<0.55m

根据风偏摇摆角绘制塔头间隙圆图如图2所示，当摇摆角达到33.26°，小弧垂的间隙圆相割于杆塔上的R1、R2点，引流线与塔身主材最近距离仅0.451m。由于引线长度较大，在个别驰度大的地方又形成了0.3m的小弧垂，也在另一种程度更减少了0.451m的距离，导致空气隙击穿放电，线路跳闸。可见风速大、引流线重量轻、驰度大是“干”字型塔中相引流线风偏放电的主要原因。

图2 干字型铁塔中相悬垂绝缘子串风偏示意图

4.预防和控制导线风偏的探讨

双回路及单回路转角塔边相导线使用跳线防风偏合成绝缘子串。该跳线绝缘子串顶端固定于横担上，当受到大风的作用时，整串绝缘子串的摆动小于0.8米，可有效地保证跳线导线对塔身的安全距离，及防止跳线大幅度频繁摆动造成耐张塔跳线与引流板压接处铝线发生断股事故。

具体布置方式为：当线路转角在15度至45度之间时，外角侧挂单串跳线防风偏合成绝缘子串，线路转角大于45度时挂双串跳线防风偏合成绝缘子串。

对于单回路转角塔，除按设计规定挂设跳线绝缘子串外，在线路中相悬挂的相应位置加装两条支撑槽钢（如图3所示），使用两条防风偏合成绝缘子对跳线串支撑，以保证跳线导线对塔身的安全距离。

图3 中相支撑槽钢安装图

耐张塔中相跳线防风偏改造措施：

“干”字型铁塔中相防风偏改造可以采用独立挂点的双绝缘子串加装支撑槽钢的方式进行，两绝缘子串间间距以1.5m～1.8m为宜，一方面绝缘子产生不同期摇摆可以抵消部分风力作用，限制了风偏摇摆角，使引流线与塔身主材的空气间隙将进一步增大;另一方面，不拆除原来的单串玻璃绝缘子和选用双放风偏绝缘子串也很大程度上加大了绝缘子的自重，有效稳定跳线在台风的狂刮下而不过于大幅度频繁摆动，防止跳线风偏对塔身放电造成线路跳闸。通过防风偏合成绝缘子（如图4所示）串上端与支撑槽钢水平铁垂直固定，来控制跳线摆动幅度。由于支撑绝缘子端部采用金具联接结构，且金具的“T”形端头具有较大接触面，用螺栓刚性联接，与铁塔横担联接稳定。

防风偏合成绝缘子解决了现有技术中合成绝缘子重量轻，防风偏能力差，容易发生风偏放电事故的不足，充分利用了绝缘子玻璃引拔棒具有较强的刚柔特性阻尼和抑制风偏的能力，减小瞬时风偏所产生的大力矩，保证发挥合成绝缘子承受拉伸及弯曲载荷，能够承受风偏摆动。从而避免跳线风偏跳闸事故的发生，有利于线路安全运行。

图4 加装跳线防风偏合成绝缘子示意图

5.综合性防风偏治理措施

（1）合理规划设计，改进设计方法

对新建线路，应结合已有的运行经验。对微气候、微气象区特征明显，台风频发地带，线路的设计应考虑到最不利的气象条件组合，适度提高风偏放电的设防水平。设计时应留有适当的裕度，以减少线路投运后遇到恶劣天气时出现跳闸的可能性。合理选择在各种气象条件下，改进设计手段和方法。在选择线路走径时，应尽可能避免横穿风口、沿海平行走向，提高强风地带的绝缘配置和机械强度。对局部微气象、微地形地区提高风速、杆塔、金具、绝缘子等的设计安全系数，加大电气距离。

（2）收集运行资料，提高防风能力

加强对微气候区的观测和记录，积累运行资料，应加强线路所经区域的气象资料收集。特别是台风的数据收集，包括发生时段、频率、风速、区域等，并加强导线风偏的观测和记录。对于已运行的线路可以进行局部改造，抑制风偏。

（3）开展科研试验，抑制风偏事故

应开展有暴雨和强风定向作用下空气间隙的工频放电试验， 得出数据及曲线，为今后的风偏设计提供合理的技术依据和参数。应研究输电线路塔上气象参数及导线风偏的在线监测系统，为确定输电线路杆塔上最大瞬时风速、风压不均匀系数、强风下的导线运动轨迹等提供直接的技术依据。对设计中气象条件的选定，各种不利气象条件的组合，风偏计算中的参数设定等应进一步探讨和研究。

6.结论

随着电网发展和延伸，通过复杂地形及恶劣气候条件地区的输电线路日益增多，设计、运行各部门应进一步深入开展对有关微地形对风速的影响、局部地区大风等灾害性天气规律的研究，加强设计和改造力度，优化维护方案，从而提高线路设计水平，减少输电线路风偏等故障损失。当然，这仅仅是对江门地区架空输电线路的研究分析和建议，对输电线路风偏问题的研究还需在今后长期的实践中不断完善、充实和提高。

参考文献

[1]110-500kV架空送电线路设计技术规范 （DI/T-5092）[M].中国电力出版社，1999.

[2]架空送电线路杆塔结构设计技术规定（DL/T 5154-2002）[M].中国电力出版社，2002.

作者简介：利国华（1965―）， 男，广东江门人， 长期从事送电线路运行管理工作。