安利強，楊　勃，李本良，張志強

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2. 國網北京經濟技術研究院，北京100052)

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超、特高壓交直流同塔多回線路桿塔防風偏閃絡可靠度研究

安利強1，楊勃1，李本良2，張志強1

(1. 華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003；2. 國網北京經濟技術研究院，北京100052)

摘要：針對超、特高壓交直流同塔多回線路I-V型和單I型絕緣子串布置的塔型，采用剛體直桿模型法計算懸垂絕緣子串風偏角，建立了桿塔防風偏閃絡可靠度計算模型；并以±800 kV/330 kV和±800 kV/750 kV交直流同塔多回線路兩種塔型為例，采用SORM方法編程求解其防風偏閃絡可靠度指標。結果表明：工頻電壓下發(fā)生風偏閃絡故障概率最大，在設計中可以只校核工頻電壓下的風偏；下橫擔、中橫擔和上橫擔處發(fā)生風偏閃絡故障的概率依次增大，即防風偏閃絡可靠度水平依次略微降低；兩種塔型防風偏閃絡可靠度均滿足正常使用極限狀態(tài)目標可靠度指標1.5的要求，其中導線對其所在橫擔下表面閃絡可靠度相對較低，可通過適當增加絕緣子串長度提高其可靠度。

關鍵詞：超、特高壓；交直流同塔；桿塔防風偏閃絡；可靠度分析

0引言

隨著國家“西電東送”戰(zhàn)略，超、特高壓全國聯網工程的繼續(xù)推進，位于甘肅省西北部的“河西走廊”成為新疆、甘肅西部向全國電網輸送電力的重要通道。但該通道內密集分布著保護區(qū)、城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)、廠礦工業(yè)園區(qū)、油氣管線、鐵路、高速公路、軍事設施，以及已投運的輸電線路等，可利用走廊最窄處不到400 m[1]。據國家電網公司規(guī)劃[2]，截止2020年，以西北750 kV超高壓電網為送端支撐，配合哈密、準東和伊犁等風電、煤電綜合能源基地開發(fā)，將建成多條特高壓直流線路向“三華”電網輸電。其中，正在開展前期工作的準東送出±1 100 kV、酒泉送出±800 kV特高壓直流工程，以及遠期規(guī)劃的特高壓直流、750 kV和330 kV超高壓交流線路都將要經由“河西走廊”，亟需研究超、特高壓交直流混合同塔多回輸電技術，以充分利用線路走廊，節(jié)約其投資。

目前，混合電壓等級同塔多回輸電技術已趨于成熟[3]，但我國乃至世界范圍內尚無超、特高壓交直流線路同塔架設的設計和運行經驗。作為全國電力聯網的骨干，超、特高壓同塔多回線路輸送容量大，發(fā)生故障對電網的影響和損失也更大，甚至可能誘發(fā)大面積停電事故，對結構的安全性和可靠度提出了更高的要求。為適應這一發(fā)展要求，國家電網公司開展了超、特高壓交直流同塔多回線路桿塔可靠度研究。

統(tǒng)計研究[4]表明，風偏閃絡是電網運行故障原因中較為頻繁的一種，且由于大都發(fā)生在工頻電壓下，重合閘成功率低。本文將采用剛體直桿模型法計算懸垂絕緣子串風偏角，建立輸電線路桿塔防風偏閃絡可靠度計算模型；并以±800 kV/330 kV和±800 kV/750 kV兩種塔型為例，采用SORM方法編程求解其可靠度指標，分析超、特高壓交直流同塔多回線路桿塔防風偏閃絡可靠度。

1桿塔防風偏閃絡可靠度計算模型

發(fā)生風偏閃絡的直接原因是強風造成絕緣子串向桿塔傾斜，導致導線和桿塔的空氣間隙不能滿足絕緣強度要求時發(fā)生閃絡[5]。因此，防風偏閃絡可靠度的研究主要圍繞在風偏角和導線到桿塔空氣間隙的計算上。

基本思路是：首先計算工頻電壓、操作過電壓、雷擊過電壓和帶電檢修4種工況下的絕緣子串風偏角；并確定超、特高壓交直流同塔復雜電磁環(huán)境下，各工況下導線與桿塔構件的最小安全空氣間隙。然后以絕緣子串掛點為圓心、絕緣子串長度為半徑畫??；根據所求風偏角標出絕緣子串的形影偏離位置，以偏離位置處的導線掛點為圓心，以對應的最小安全空氣間隙值為半徑畫間隙圓。若間隙圓與桿塔構件部分相切或相離，則滿足要求；反之，則認為桿塔發(fā)生風偏閃絡，即其防風偏閃絡可靠度失效。

1.1　風偏角計算模型

依據西北電力設計院研究成果[6]，對于±800 kV/750 kV和±800 kV/330 kV交直流同塔分別采用圖1和圖2所示導線布置型式。因此計算導線風偏角及塔頭空氣間隙時，需要考慮Ⅰ-V型及單Ⅰ型絕緣子串布置。

圖1　±800 kV/750 kV塔頭導線布置示意圖

圖2　±800 kV/330 kV塔頭導線布置示意圖

架空輸電線路防風偏閃絡計算中，懸垂絕緣子串風偏角的計算多采用剛體直桿模型法、弦多邊形法和導線替代法3種方法。本文采用剛體直桿模型法，并假設[7]：絕緣子串和導線為剛體，風荷載為均勻作用在導線和絕緣子串上靜態(tài)力，導線和絕緣子串風偏角中在受力平衡時最大。

雖然桿塔、絕緣子串和導線之間構成復雜的三維結構，但考慮到懸垂絕緣子串在順線路方向上的偏移較小，在校驗導線與桿塔之間最小空氣間隙時，一般簡化到二維平面分析[8]。在上述假設條件下，絕緣子串和導線的簡化受力如圖3所示。

圖3　懸垂絕緣子串風偏角計算受力圖

圖3中，GJ和PJ分別為絕緣子串自重和橫向風荷載，GD和PD分別為導線自重和橫向風荷載。因此，懸垂絕緣子串風偏角為

(1)

1.2　桿塔防風偏閃絡功能函數

絕緣子風偏角主要受惡劣氣象條件如強風等影響，通常不存在積累效應，而是一個隨機概率值。這里將絕緣子串風偏導致導線到桿塔空氣間隙的減小看作是外界對絕緣性能的破壞力，即“應力”S；導線與桿塔的最小安全空氣間隙視為絕緣“強度”R。定義

(2)

因此，桿塔發(fā)生風偏閃絡的概率即為在絕緣子串風偏的影響下，導線與桿塔安全間隙“強度”的降低程度。

由于V串風偏很小，在塔頭空氣間隙求解中忽略之，只討論I-V串和單I串的防風偏閃絡可靠度計算功能函數。

(1)I-V型絕緣子串布置

對于I-V型絕緣子串，繪制其塔頭空氣間隙求解示意圖，如圖4所示。

圖4　I-V串布置空氣間隙求解示意圖

設I-V串所在橫擔的長度為B，懸垂絕緣子串長為l，兩種絕緣子串布置的掛點間距為L，人體安全活動距離為d?？紤]到工況的不同，設V串和I串的間隙圓半徑分別為r1和r2，列出I-V串布置桿塔防風偏閃絡可靠度計算功能函數為

①考慮I-V串兩個間隙圓相切

(3)

②考慮懸垂串對所在橫擔下表面間距

Z2=lcosφ-r2-d

(4)

(2)單I型絕緣子串布置

對于單I型絕緣子串，以750 kV上橫擔懸垂絕緣子串為例，繪制其塔頭空氣間隙求解示意圖，如圖5所示。

圖5　單I串布置空氣間隙求解示意圖

設該懸垂絕緣子串所在橫擔長度為B1，其下部橫擔長度為B2，下橫擔斜角為θ，橫擔間高度為H，電氣間隙(間隙圓半徑)為r。列出單I串桿塔防風偏閃絡可靠度計算功能函數為

①考慮懸垂串對塔身間距

Z3=B1-r-d-lsinφ

(5)

②考慮懸垂串對所在橫擔下表面間距

Z4=lcosφ-r-d

(6)

③考慮懸垂串對其下部相鄰橫擔斜面間距

Z5=[H-lcosφ-(B2-r-d)tanθ]cosθ-r-d

(7)

若I型懸垂絕緣子串所在橫擔在最下面一層，則功能函數Z5無需考慮。

1.3　桿塔防風偏閃絡可靠度計算方法

根據功能函數Z值的大小，可以判斷導線與桿塔的安全間隙是否能滿足絕緣功能要求，故稱Z=0為桿塔防風偏閃絡可靠度極限狀態(tài)方程，如圖6所示。

圖6　桿塔防風偏閃絡可靠度功能函數狀態(tài)示意圖

考慮為時不變可靠性問題[9]，假設n維輸入隨機向量X=[x1,x2,…,xn]的聯合概率密度函數為fX(x,θf)，桿塔防風偏閃絡可靠度功能函數為g(x,θg)(θf表示輸入隨機變量的分布參數，θg表示極限狀態(tài)函數中確定性參數)。于是桿塔防風偏閃絡可靠度失效概率可采用下式的n維積分求得：

(8)

而桿塔風偏閃絡多為小概率事件，采用蒙特卡洛模擬計算量較大，本文采用SORM方法編程求解。

圖7　二階可靠度方法(SORM)

對于桿塔防風偏閃絡目標可靠度指標，由于架空輸電線路桿塔設計尚未頒布相關標準，設計規(guī)范多參考《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB 50068-2001的有關原則，只規(guī)定了承載力極限狀態(tài)的可靠度指標，而未對正常使用極限狀態(tài)可靠度指標進行規(guī)定。而實際上，輸電桿塔的安全性一般由可變荷載(主要有風荷載、覆冰荷載、斷線荷載等)起控制作用，其中風荷載效應與永久荷載效應的比值ρ可達到4～8，遠高于建筑中的0.25～1.0[11]。因此，對于桿塔設計規(guī)范直接套用參照、套用建筑設計可靠度標準，學者們爭議較大；特別是對于超、特高壓交直流同塔多回線路桿塔，其正常使用極限狀態(tài)設計目標可靠度取多少合適，需要在行業(yè)內廣泛征求意見，開展系統(tǒng)的調研和分析工作。

對于這一問題，作者通過咨詢專家、查閱文獻進行了研究，認為桿塔防風偏閃絡可靠度校核應當參照現行“國標”和“行標”。故考慮桿塔發(fā)生風偏閃絡為正常使用極限狀態(tài)，根據《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB 50068-2001對正常使用極限狀態(tài)可靠度指標按可逆程度取0～1.5的規(guī)定，選取桿塔防風偏閃絡目標可靠度指標為1.5進行校核。

2工程算例

由1.2節(jié)桿塔防風偏閃絡功能函數可知，超、特高壓交直流同塔多回線路桿塔防風偏閃絡可靠度跟塔型及導線絕緣子串布置方式，導線型號及參數、絕緣子型號及片數、橫擔尺寸、最小安全空氣間隙、檔距和風速等眾多因素有關。本課題線路所在地域為河西走廊，氣象條件參考該地區(qū)，海拔高度取1 500 m。

2.1　確定性參數

(1)塔型及布置型式

確定塔型及導線、絕緣子串布置方式，如圖1和圖2所示。

(2)導線和絕緣子型號

確定導線和絕緣子型號，如表1所示。

表1　導線和絕緣子型號

(3)橫擔尺寸

橫擔的結構尺寸直接關系到懸垂絕緣子串發(fā)生風偏時桿塔的絕緣配合情況，根據選定的塔型，將兩種塔型的橫擔尺寸標注于圖8，9中。

圖8　±800 kV/750 kV橫擔等尺寸

圖9　±800 kV/330 kV橫擔等尺寸

(4)導線與桿塔最小安全空氣間隙

根據研究成果[6]，將交直流同塔復雜電磁環(huán)境下，750 kV，330 kV導線與桿塔在不同工況下的最小安全空氣間隙列于表2。

表2　750 kV/330 kV導線與桿塔最小安全空氣間隙

注：帶電檢修最小間隙需考慮人體活動范圍0.5 m。

(5)線路規(guī)劃檔距

線路的水平、垂直檔距主要用來計算導線的風載荷，其規(guī)劃值如表3。

表3　同塔交直流混合線路規(guī)劃檔距

2.2　隨機性參數的選擇

由于該算例主要校核上述兩種超、特高壓交直流同塔多回線路桿塔的防風偏閃絡可靠度，隨機性參數僅考慮該地的風速，取風速變異系數為0.1。本課題線路地域為河西走廊，因此氣象條件主要參考該地區(qū)，風速的分布類型和均值如表4。

表4　風速分布類型和均值

在導線和絕緣子串風荷載計算中，考慮絕緣子串的最大風偏，即按90°風向考慮。

2.3　結果分析

采用SORM方法計算上述±800 kV/750 kV和±800 kV/330 kV兩種塔型的防風偏閃絡可靠度指標，分別列于表5和表6。

表5　±800 kV/750 kV同塔防風偏閃絡可靠度指標

表5中，∞表示對應的可靠度指標較高，可以認為風偏閃絡故障發(fā)生的概率為零。對于±800 kV/750 kV同塔，各工況相比，工頻電壓下發(fā)生風偏閃絡故障概率最大，建議在設計中主要校核工頻電壓風偏。

各橫擔處發(fā)生風偏閃絡概率按其功能函數最小可靠度指標考慮。對于任一工況，下橫擔、中橫擔和上橫擔處發(fā)生風偏閃絡的概率依次增大，這是因為較高處橫擔的導線和絕緣子串所受風壓增大，懸垂絕緣子串風偏角較大，導致導線與桿塔的安全空氣間隙相對較小，防風偏閃絡可靠度水平略微降低。

表6　±800 kV/330 kV同塔防風偏閃絡可靠度指標

兩種塔型對比，±800 kV/330 kV同塔布置桿塔防風偏閃絡可靠度水平比±800 kV/750 kV同塔布置略低，但各工況下兩者的防風偏閃絡可靠度特征相同。

結果表明，兩種塔型防風偏閃絡可靠度均滿足正常使用極限狀態(tài)目標可靠度指標1.5的要求。其中，導線對其所在橫擔下表面閃絡可靠度相對較低，對塔身和下部橫擔斜面的閃絡可靠度較高，可通過適當增加絕緣子串長度提高其可靠度。

3結論

(1)各工況相比，工頻電壓下發(fā)生風偏閃絡故障概率最大，建議在設計中主要校核工頻電壓下的風偏。

(2)對于任一工況，下橫擔、中橫擔和上橫擔處導線發(fā)生風偏閃絡故障的概率依次增大，即防風偏閃絡可靠度水平略微降低。

(3)兩種塔型防風偏閃絡可靠度均滿足正常使用極限狀態(tài)目標可靠度指標1.5的要求。其中，導線對其所在橫擔下表面閃絡可靠度相對較低，可通過適當增加絕緣子串長度提高其可靠度。

參考文獻：

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《電力科學與工程 》

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Research on Trip Prevention Reliability from Windage Yaw of EHV/UHV AC and DC Towers with Multi-circuit

An Liqiang1, Yang Bo1, Li Benliang2, Zhang Zhiqiang1(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China； 2.State Power Economic Research Institute, Beijing 100052, China)

Abstract：For extra and ultra high voltage AC and DC multi-circuit lines on one tower of I-V and single I type insulator string arrangement, calculated wind angle of insulator string by rigid straight bar model method. Then, taking ±800 kV/330 kV and ±800 kV/750 kV DC and AC Towers with multi-circuit for example, solved their reliability indexes of trip prevention from windage yaw with the method of SORM. Result shows: The probability of wind partial flashover occurring at the power frequency voltage is the maximum, so only windage yaw at the power frequency voltage is needed to be checked in design. The probability of wind partial flashover occurring at below, middle and up cross-arms under each condition gradually increases, that is to say, the trip prevention reliability from windage yaw slightly reduces in succession. The trip prevention reliability from windage yaw of both two towers meets the target reliability index 1.5 of serviceability limit state, where in the reliability of conductor to below surface of its cross-arm is relatively lower, which can be improved by increasing the length of insulator string.

Keywords：EHV/UHV；AC and DC towers with multi-circuit；trip prevention from windage yaw；reliability analysis

作者簡介：安利強(1974-)，男，副教授，主要從事輸電線路工程、風能技術與設備、結構優(yōu)化設計方面的研究工作，E-mail：alq2146@163.com。

基金項目：國家自然科學基金(51408221)；國家電網公司科技項目(超、特高壓交直流同塔多回電磁環(huán)境及設計應用研究)。

收稿日期：2015-09-21。

中圖分類號:TM726.3

文獻標識碼:A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.12.013