郭振宇,張林波,劉宗川
(國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司,山西 長治 046011)
近年來,因氣候變化發(fā)生的突發(fā)性惡劣天氣逐漸增多,給電力線路安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)重威脅,尤其是因大風(fēng)引起的輸電線路風(fēng)偏故障時(shí)有發(fā)生,常常會(huì)造成線路跳閘、導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線等。由于風(fēng)偏跳閘的重合成功率很低,一旦發(fā)生風(fēng)偏極易造成線路停運(yùn),導(dǎo)致電網(wǎng)的供電可靠性降低,嚴(yán)重加劇了電力供應(yīng)的緊張局面。
國網(wǎng)長治供電公司近3年來共發(fā)生220 kV輸電線路風(fēng)偏跳閘4次。分別是2012年長蘇線1次;2013年康西線、漳西線各1次;2014年西蘇II線1次。具體跳閘情況見表1。
風(fēng)偏故障是輸電線路在大風(fēng)天氣下導(dǎo)線(帶電體)與桿塔、拉線、樹、竹、建筑物等(地電位體)之間或與其他相導(dǎo)線的空氣間隙小于大氣擊穿電壓而造成的跳閘故障[1]。風(fēng)偏故障不能消除或發(fā)生相間短路時(shí),會(huì)擴(kuò)大事故范圍。
風(fēng)偏故障主要類型有直線桿塔絕緣子對(duì)塔身或拉線放電;耐張桿塔引流線對(duì)塔身放電;導(dǎo)線對(duì)通道兩側(cè)建(構(gòu)) 筑物或邊坡、樹竹木等放電[2]。其中,耐張桿塔引流線風(fēng)偏放電占多數(shù),約為70%。其次是直線桿塔導(dǎo)線對(duì)塔身或橫擔(dān)放電。
根據(jù)風(fēng)偏故障類型可把國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司近3年的風(fēng)偏跳閘進(jìn)行分類、定性。其中220 kV長蘇線屬于耐張桿塔引流線對(duì)塔身放電;220 kV康西線、漳西線屬于直線桿塔絕緣子對(duì)塔身放電;220 kV西蘇II線屬于導(dǎo)線對(duì)通道兩側(cè)建筑物放電。
輸電線路的風(fēng)偏放電一直是影響線路安全運(yùn)行的問題之一[3]。分析國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司近3 a的4次220 kV線路風(fēng)偏跳閘,故障時(shí)放電桿塔區(qū)域均有強(qiáng)風(fēng)且伴有大到暴雨天氣,桿塔構(gòu)架或金具、導(dǎo)線均有明顯的電弧燒傷痕跡;重合閘成功率僅有25%,強(qiáng)風(fēng)消失后均試送成功。
造成風(fēng)偏閃絡(luò)的原因主要分外因和內(nèi)因兩方面。外因是指自然界發(fā)生的強(qiáng)風(fēng)和暴雨天氣,強(qiáng)風(fēng)
表1 220 kV輸電線路風(fēng)偏跳閘
使導(dǎo)線在水平方向發(fā)生大幅度擺動(dòng),同時(shí)雷雨天氣下空氣放電間隙距離變大,當(dāng)導(dǎo)線與桿塔或建筑物之間的距離小于導(dǎo)線的放電間隙圓半徑時(shí),發(fā)生風(fēng)偏放電。內(nèi)因是輸電線路抵御強(qiáng)風(fēng)能力不足[4],主要是設(shè)計(jì)階段對(duì)線路走廊內(nèi)微氣象掌握不充分,施工階段對(duì)導(dǎo)線馳度緊固不到位,運(yùn)行中風(fēng)偏角計(jì)算對(duì)實(shí)際氣象條件考慮不全面,導(dǎo)致線路不滿足防風(fēng)偏放電的要求,在強(qiáng)風(fēng)作用下線路風(fēng)偏閃絡(luò)概率變大。帶電體與接地體最小放電間隙見表2。
表2 帶電體與接地體最小放電間隙
2012年6月1 3日19時(shí)13分,220 kV長蘇線雙套主保護(hù)動(dòng)作掉閘,故障相為B相,重合復(fù)跳。據(jù)長治氣象臺(tái)當(dāng)日天氣預(yù)報(bào):最高氣溫33℃,最低氣溫16℃,晴轉(zhuǎn)雷陣雨,西南風(fēng)3級(jí),濕度10%,19時(shí)左右長治地區(qū)突發(fā)9~10級(jí)短時(shí)大風(fēng)并伴有沙塵。登塔檢查發(fā)現(xiàn)220 kV長蘇線1號(hào)塔中相引流線及橫擔(dān)附近主材上均有明顯放電燒傷痕跡,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況判定為風(fēng)偏故障。
跳閘時(shí)長治地區(qū)出現(xiàn)了9~10級(jí)強(qiáng)風(fēng)(氣象部門稱這種強(qiáng)風(fēng)為颮線風(fēng)),該強(qiáng)風(fēng)由局部區(qū)域的冷暖強(qiáng)對(duì)流空氣造成,形成一定寬度的風(fēng)帶,瞬時(shí)風(fēng)速最大達(dá)30 m/s以上,具有陣發(fā)性強(qiáng),持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)。強(qiáng)風(fēng)出現(xiàn)的同時(shí),同區(qū)域內(nèi)的220 kV長蘇線1號(hào)鐵塔B相跳線串絕緣子在強(qiáng)風(fēng)的作用下向鐵塔擺動(dòng),致使引流線與鐵塔主材安全距離不足而放電,重合后強(qiáng)風(fēng)持續(xù)導(dǎo)致線路復(fù)跳。
故障后對(duì)全線同型號(hào)耐張塔引流線進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,發(fā)現(xiàn)引流線弛度不一,引流線距離塔身最大距離為3 645 mm,最小距離為2 901 mm,而故障桿塔的距離最近。
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查測(cè)量結(jié)果分析:強(qiáng)風(fēng)造成跳線串各部位承受風(fēng)壓不均勻,跳線串出現(xiàn)不規(guī)則擺動(dòng),由于跳線張力未緊固到位,跳線松弛,弧垂超標(biāo),在強(qiáng)風(fēng)作用下引流線最大偏移點(diǎn)與塔身距離不能滿足放電間隙的要求,導(dǎo)致線路跳閘。
2013年8月1 1日19時(shí)54分,220 kV康西線兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作,跳B相,重合復(fù)跳。據(jù)長治市潞城氣象信息顯示,故障時(shí)風(fēng)力達(dá)8級(jí)以上,最大風(fēng)速達(dá)21 m/s,并伴有閃電,降雨量為26 mm。登塔檢查發(fā)現(xiàn)220 kV康西線13號(hào)塔中相導(dǎo)線及塔身均有明顯燒傷放電痕跡。結(jié)合同一時(shí)間發(fā)生的漳西線中相導(dǎo)線跳閘斷定此為同類型風(fēng)偏跳閘事故。
220 kV康西線13號(hào)塔處于山口處,在瞬時(shí)大風(fēng)情況下(現(xiàn)場(chǎng)氣象條件超過設(shè)計(jì)氣象條件值),造成中相導(dǎo)線向右擺動(dòng),與右曲臂的距離不足而放電,在大風(fēng)的持續(xù)作用下導(dǎo)線同時(shí)左右傾斜,導(dǎo)致重合復(fù)跳。
實(shí)際風(fēng)速超過設(shè)計(jì)風(fēng)速是造成此次故障的主要原因,但是對(duì)逐基同類型桿塔懸垂絕緣子串進(jìn)行風(fēng)偏校驗(yàn)之后,發(fā)現(xiàn)13號(hào)塔風(fēng)偏角超過設(shè)計(jì)值,存在一定的風(fēng)偏隱患。
綜上分析,風(fēng)偏驗(yàn)算不準(zhǔn)確是本次事故的原因之一,運(yùn)行中風(fēng)偏角計(jì)算對(duì)實(shí)際氣象條件考慮不全面,導(dǎo)致線路不滿足防風(fēng)偏放電要求;再者風(fēng)偏驗(yàn)算軟件的應(yīng)用比較滯后,國網(wǎng)山西省電力公司于2007年4月首輪全網(wǎng)風(fēng)偏驗(yàn)算后,僅在風(fēng)偏故障和缺陷分析中進(jìn)行風(fēng)偏驗(yàn)算,數(shù)量十分有限,由于計(jì)算過程復(fù)雜導(dǎo)致風(fēng)偏校驗(yàn)少,造成防風(fēng)偏反措落實(shí)不到位。
2014年7月2 1日18時(shí)23分,220 kV西蘇II線兩側(cè)開關(guān)雙套主保護(hù)動(dòng)作,跳A相,重合復(fù)掉。據(jù)長治氣象臺(tái)7月21日天氣預(yù)報(bào):壺關(guān)縣最高氣溫33℃,最低氣溫22℃。晴,濕度42%。18時(shí)左右刮西南風(fēng),瞬時(shí)最大風(fēng)力達(dá)9級(jí),有短時(shí)強(qiáng)降雨。經(jīng)過故障查線在220 kV西蘇II線1號(hào)—2號(hào)右導(dǎo)線(A相)跨越中南鐵路東側(cè)接觸網(wǎng)處,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線與鋼柱頭有明顯放電痕跡,確認(rèn)此處為事故故障點(diǎn),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生瞬時(shí)大風(fēng)與短時(shí)強(qiáng)降雨的氣象狀況,判定此次故障為導(dǎo)線對(duì)中南鐵路東側(cè)接觸網(wǎng)鋼柱風(fēng)偏放電。
強(qiáng)烈的西南風(fēng)使導(dǎo)線發(fā)生風(fēng)偏,與穿越的中南電氣化鐵路東側(cè)接觸網(wǎng)鋼柱頭部距離不足,造成線路跳閘。由于大風(fēng)、暴雨的持續(xù)性,在線路重合時(shí)間內(nèi)絕緣強(qiáng)度未能恢復(fù),線路復(fù)跳。
通過分析220 kV西蘇II線1號(hào)—2號(hào)跨越電氣鐵路放電故障,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線不滿足風(fēng)偏要求?,F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量導(dǎo)線與鐵路軌頂最小垂距為12.9 m,軌道側(cè)面鋼柱總高度為14.5 m,導(dǎo)線比鋼柱頂?shù)?.6 m左右,導(dǎo)線距電氣化鐵路鋼柱水平距離為5.8 m,在強(qiáng)風(fēng)作用下,發(fā)生偏移,造成線路風(fēng)偏跳閘,由于重合閘啟動(dòng)時(shí),導(dǎo)線與鋼柱的凈空距離仍然不滿足放電間隙要求,重合復(fù)跳。故障后對(duì)交跨處進(jìn)行了風(fēng)偏校驗(yàn),表3—表7為設(shè)備參數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。
表3 桿塔參數(shù)m
表4 導(dǎo)線參數(shù)
表5 絕緣子串參數(shù)
表6 西蘇II線故障點(diǎn)信息m
表7 西蘇II線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)m
4.3.1 風(fēng)偏校驗(yàn)結(jié)果(設(shè)計(jì)風(fēng)速28 m/s)
4.3.1.1 導(dǎo)線風(fēng)偏角取值
導(dǎo)線自重比載g1=0.031 075 N/(m·mm2)。
導(dǎo)線風(fēng)壓比載(V=28 m/s)。
g4=0.028 874 N/(m·mm2)。
導(dǎo)線風(fēng)偏角β=tg-1(g4/g1)=42.89°。
增加3°的裕度,導(dǎo)線風(fēng)偏角取45°。
4.3.1.2 設(shè)計(jì)弧垂導(dǎo)線應(yīng)距電鐵鋼柱水平距離
最大風(fēng)時(shí)(V=28 m/s),導(dǎo)線風(fēng)偏角45°。
設(shè)計(jì)弧垂f=5 m,串長λ=3.05 m。
導(dǎo)線偏移水平距離
l=(f+λ) ×sin45°=5.7 m。
最大風(fēng)偏下導(dǎo)線距離電鐵鋼柱凈空距離l1=1.9 m。
無風(fēng)條件下邊導(dǎo)線距離電鐵鋼柱水平距離l2=7.6 m。
4.3.1.3 實(shí)測(cè)弧垂導(dǎo)線應(yīng)距電鐵鋼柱水平距離
最大風(fēng)時(shí)(V=28 m/s),導(dǎo)線風(fēng)偏角45°,
實(shí)測(cè)弧垂f=11 m,串長λ=3.05 m。
導(dǎo)線偏移水平距離
l=(f+λ) ×sin45°=9.9 m。
最大風(fēng)偏下導(dǎo)線距離電鐵鋼柱凈空距離l1=1.9 m。
無風(fēng)條件下邊導(dǎo)線距離電鐵鋼柱水平距離l2=11.8 m。
4.3.2 風(fēng)偏校驗(yàn)分析
通過運(yùn)行單位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量,220 kV西蘇Ⅱ線邊導(dǎo)線距離電鐵鋼柱水平距離僅5.8 m,不能滿足設(shè)計(jì)弧垂風(fēng)偏距離(7.6 m)和實(shí)測(cè)弧垂風(fēng)偏距離(11.8 m) 的要求。
分析表明導(dǎo)線張力明顯未緊固到位,張力松弛,弧垂偏大,在大風(fēng)作用下水平偏移量超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),與接觸網(wǎng)鋼柱凈空距離不足,是造成線路跳閘的重要原因。線路巡視人員及相關(guān)管理人員對(duì)該交叉處進(jìn)行多次巡視,對(duì)接觸網(wǎng)鋼柱高于導(dǎo)線、兩者凈空距離偏小的情況也曾進(jìn)行記錄,但對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)辨析能力不足,意識(shí)不到潛在的危害,未進(jìn)行具體的測(cè)量,未進(jìn)行風(fēng)偏驗(yàn)算,具體工作沒有做細(xì)、做實(shí),是造成線路跳閘的主要原因。模擬風(fēng)偏跳闡圖見圖1。
圖1 模擬風(fēng)偏跳閘圖
無論是新架線路還是老舊線路,當(dāng)風(fēng)偏故障頻發(fā),應(yīng)對(duì)線路設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行驗(yàn)證,核實(shí)最大風(fēng)速的選取是否滿足線路運(yùn)行的氣象條件。
驗(yàn)算風(fēng)偏角、風(fēng)偏距離。正確驗(yàn)算檢查帶電體與塔頭、塔身、拉線的空氣間隙;導(dǎo)線與周圍建筑物、構(gòu)筑物、邊坡、樹木的空氣間隙[5]。
加強(qiáng)新建輸電線路設(shè)計(jì)中運(yùn)行環(huán)境的勘測(cè)和資料收集工作,對(duì)線路的氣象、微氣候方面做深入的調(diào)查,特別對(duì)出現(xiàn)過局部微氣候、大風(fēng)、舞動(dòng)等特殊條件的地區(qū)運(yùn)行單位要及時(shí)向設(shè)計(jì)單位提供相關(guān)資料,使線路工程設(shè)計(jì)時(shí)能夠確切掌握各方面的設(shè)計(jì)參數(shù);同時(shí)設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)行等單位要對(duì)線路工程的初設(shè)、施工圖進(jìn)行嚴(yán)格審查,及時(shí)發(fā)現(xiàn)并提出問題,以便設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算和更改。
把好新建線路竣工驗(yàn)收關(guān),嚴(yán)格線路驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行部門特別要對(duì)風(fēng)偏故障區(qū)域的新建輸電線路進(jìn)行風(fēng)偏校驗(yàn),加強(qiáng)導(dǎo)線跳線的驗(yàn)收,測(cè)試跳線松弛度和對(duì)塔身凈空距離,檢查導(dǎo)地線弛度,線路周圍構(gòu)筑物、樹木等風(fēng)偏距離是否滿足運(yùn)行要求。
按照風(fēng)偏故障主要類型可將防風(fēng)偏改造分為3類,即耐張桿塔引流線防風(fēng)偏改造,直線桿塔中相絕緣子防風(fēng)偏改造,交叉跨越段防風(fēng)偏改造。
5.3.1 耐張桿塔引流線防風(fēng)偏改造
針對(duì)耐張桿塔引流線對(duì)塔身放電,提出采取引流線托架下拉的防風(fēng)偏措施。以220 kV長蘇線1號(hào)JG3塔型為例,JG3型干字塔為國家標(biāo)準(zhǔn)塔型。其跳線為單掛點(diǎn)懸掛,用跳線托架支撐,以保證跳線與塔身保持足夠的的電氣間隙,在投運(yùn)的220 kV線路中廣泛采用。多年以來,不論掛點(diǎn)設(shè)計(jì)在橫擔(dān)上或改掛在塔身中間都沒有看到過跳線對(duì)塔身風(fēng)偏放電的事故通報(bào)。經(jīng)查,此次局部大風(fēng)天氣,局部風(fēng)力超過10級(jí),因此不排除是因?yàn)轱L(fēng)力過大,超過設(shè)計(jì)值而造成風(fēng)偏放電;同時(shí)也深刻地意識(shí)到,實(shí)際施工及運(yùn)行后引流線弛度不一,存在差異,所以不能僅因?yàn)轱L(fēng)力超過設(shè)計(jì)值就任由線路掉閘,必須采取可靠的改進(jìn)措施。
為了杜絕此類事故再次發(fā)生,經(jīng)過設(shè)計(jì)部門分析可知,跳線在遭受順向大風(fēng)的情況下上下、左右歪扭,造成一側(cè)引流線與塔身距離過近,是造成風(fēng)偏掉閘的主要原因,燒傷的位置也正好可以印證這一點(diǎn)。為此提出了采取引流線托架下拉的防風(fēng)偏措施改造方案,將引流線托架用4串—6串(試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定)復(fù)合絕緣子下拉至桿塔下橫擔(dān)處。
經(jīng)過下拉固定,在出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)引流線托架不會(huì)向左右或者上下大幅度擺動(dòng),從而達(dá)到防風(fēng)偏的要求,從根本上避免了線路風(fēng)偏跳閘。結(jié)合改造后2 a的運(yùn)行情況,經(jīng)過改造的同類型塔未發(fā)生風(fēng)偏放電事故,也沒有因?yàn)楦淖冭F塔原有架構(gòu)帶來其他的問題,說明此類防風(fēng)偏改造是成功的、有效的。
5.3.2 直線桿塔中相絕緣子防風(fēng)偏改造
近年來,許多單位在線路防污閃改造中大量調(diào)爬,增加了瓷質(zhì)或玻璃絕緣子串的長度,在大風(fēng)作用下與塔窗的凈空距離變小,抗風(fēng)偏放電能力降低;再者是把110 kV或220 kV架空輸電線路的瓷瓶串更換為復(fù)合絕緣子懸垂串,由于后者較前者輕,風(fēng)偏角將增大,造成上端的防鳥裝置或均壓環(huán)碰撞橫擔(dān)而受損,或下端帶電導(dǎo)線離塔身安全距離過小而發(fā)生閃絡(luò),對(duì)垂直擋距小的線路影響更甚。因此,在原為瓷瓶串設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)上更換為復(fù)合絕緣子懸垂串時(shí)必須作風(fēng)偏角和空氣間隙校核,而往往施工單位及運(yùn)行單位忽略了這一點(diǎn)。
目前,國內(nèi)防風(fēng)偏具體措施現(xiàn)基本采用以下方式,即對(duì)于新建線路采用雙聯(lián)“V”形串配置,這種方法不適用于舊線路改造;對(duì)于新建線路、技改線路均可采用在絕緣子下端安裝重錘,通過增加絕緣子的重量限制絕緣子的擺動(dòng)以達(dá)到防止風(fēng)偏閃絡(luò),但此種方法對(duì)改善絕緣子串風(fēng)偏的作用有一定的限制。鑒于以上方法在解決導(dǎo)線風(fēng)偏存在一定的局限性,采取中相導(dǎo)線下拉,可較有效地解決直線桿塔中相導(dǎo)線風(fēng)偏閃絡(luò)問題。
以220 kV康西線風(fēng)偏跳閘為例,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察、分析,發(fā)現(xiàn)位于峽谷、風(fēng)口等微地形區(qū)域的220 kV線路ZM1、ZM2塔型已不能滿足原來的風(fēng)偏設(shè)計(jì)要求,主要表現(xiàn)為塔窗小,中相導(dǎo)線易發(fā)生風(fēng)偏放電。為消除風(fēng)偏放電隱患,國網(wǎng)長治供電公司成立了輸電專業(yè)防風(fēng)偏專家組,經(jīng)研究討論,決定對(duì)位于峽谷、風(fēng)口等微地形區(qū)、大風(fēng)微氣象區(qū)的ZM型鐵塔進(jìn)行中相導(dǎo)線下拉固定。主要措施是將中相導(dǎo)線用復(fù)合絕緣子下拉至塔窗下橫擔(dān)處。
220 kV康西線、220 kV漳西線等線路進(jìn)行防風(fēng)偏改造后,運(yùn)行至今還未出現(xiàn)風(fēng)偏跳閘故障,證明此次風(fēng)偏改造是成功的、有效的。
5.3.3 交叉跨越段防風(fēng)偏改造
針對(duì)220 kV西蘇II線跳閘事故,運(yùn)行單位對(duì)故障相導(dǎo)線進(jìn)行下拉處理,此種方法稱為拉線固定法。對(duì)位于偏僻山區(qū)或行人較少地區(qū)的輸電線路,如果該區(qū)域風(fēng)力特別強(qiáng),風(fēng)偏閃絡(luò)經(jīng)常發(fā)生,可以采取在導(dǎo)線側(cè)打絕緣拉線的方法以穩(wěn)固導(dǎo)線,這種方法只能作為臨時(shí)性的防范措施,而且占地面積較大,安全防范措施成本高。若要徹底解決風(fēng)偏不足問題,則需要結(jié)合停電計(jì)劃對(duì)桿塔進(jìn)行加高處理,抬高導(dǎo)線平均高度,從根本上杜絕風(fēng)偏事故發(fā)生。
輸電線路的各類事故與沿線微地形及微氣候特征密切相關(guān)。防風(fēng)偏故障應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)地理特征的調(diào)查,如沿線大風(fēng)的風(fēng)速及風(fēng)向頻率、局部風(fēng)口的地形特征以及附近有關(guān)大風(fēng)災(zāi)害的調(diào)查等。調(diào)查方式可采取向氣象部門收集資料,向電力及通信部門收集事故資料等;尤其應(yīng)注意向沿線居民調(diào)查了解,這是取得微地形及微氣候特征的最有效的手段;再者就是加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)線松弛、交跨安全距離不足等進(jìn)行測(cè)量、統(tǒng)計(jì)。對(duì)重要線路、特殊區(qū)域進(jìn)一步加大巡視力度,在惡劣天氣下縮短巡視周期,實(shí)時(shí)監(jiān)控線路的運(yùn)行狀況,及時(shí)制定防范措施,對(duì)輸電線路防止風(fēng)偏故障能夠起到一定的積極作用。
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