基于MATLAB仿真的輸電線路風偏閃絡影響因素分析

王 力，胡祖?zhèn)?/p>

（安徽華電工程咨詢設計有限責任公司，安徽 合肥230009）

從1996～2012年，國家電網公司所屬線路110 kV及以上輸電線路發(fā)生風偏閃絡事故頻繁，其主要原因是導線和絕緣子串在強風下風偏角過大，使得導線對桿塔的間隙距離過小而造成風偏閃絡[1]。發(fā)生風偏閃絡的線路有單、雙回線，塔型有耐張塔、直線塔，其中耐張塔主要是跳線對桿塔構架放電，直線塔主要是導線或金具對塔臂放電。風偏閃絡導致線路停運，嚴重影響供電的可靠性，并造成很大的經濟損失。

1 導線風偏計算

直線桿塔(含直線小轉角)懸垂絕緣子串連同架空導線受橫向水平風力作用后，從其垂直位置發(fā)生偏移，受風后的偏移位置與無風時的垂直位置間的夾角稱為懸垂絕緣子串的風偏角[2]。

絕緣子串的風偏大小依其所產生的風偏大小來表示：

其中，δ為懸垂絕緣子串風偏角，PI為懸垂絕緣子串風壓，GI為懸垂絕緣子串垂直荷載，P相應于工頻、操作及雷電過電壓風速下導線風荷載，W1為導線自重，lH、lV為桿塔水平檔距和垂直檔距，α為風壓不均勻系數，βc為風荷載調整系數，μz為風壓高度變化系數，μsc為導線的體型系數，d為導線的外徑或覆冰時的計算外徑，B為覆冰時風荷載增大系數，θ為風向與導線方向之間的夾角。

從式(1)、(2)可以看出，絕緣子串的風偏與導線自身參數、輸電線路設計參數和導線風荷載等因素有關。而導線風荷載又與風壓不均勻系數、風壓高度變化系數、風荷載調整系數等有關。

2 輸電線路風偏影響因素分析

本文以安徽宣城地區(qū)某220 kV山區(qū)線路為例，導線采用2×JLHA3-425中強度鋁合金絞線，氣象條件2910氣象區(qū)。為分析以上因素對風偏的影響規(guī)律，本文采用改變其中一個影響因素而其他固定不變的方式，利用MATLAB軟件進行仿真分析，從而得出風偏影響規(guī)律。

2.1 風速及風壓不均勻系數

沿整個檔距內電線各點的風并不是每時每刻都以同樣的程度作用在輸電線路上,同一時刻每一點的風速更是不均勻的。因此,在輸電線路設計的風壓計算中引入了風壓不均勻系數α，以表征風場的上述特征。

當風荷載調整系數 βc=1.0、風向夾角 θ=90°時，分別取風壓不均勻系數 α=0.75、0.67、0.61，利用 MATLAB軟件仿真出不同風速下絕緣子風偏的變化情況，如圖1所示(為便于比較，本文選取國網典型模塊2B5-ZMC1塔)，不同風速及風壓不均勻系數下導線風偏值如表1所示。

圖1 風速及風壓不均勻系數對風偏的影響值

表1 不同風速及風壓不均勻系數下導線風偏值

可以看出，風速及風壓不均勻系數對絕緣子風偏影響較大。以風速V=30 m/s為例，比較α取0.61和0.75時的風偏角可以看出，后者比前者增大8.3°，增幅達16.5%；當 α=0.61時，取 V=25 m/s和 30 m/s時的風偏角可以看出，后者比前者增大11.73°，增幅達30.4%?？梢姡恋倪x取和風速的確定對風偏很關鍵。

我國在 1999年發(fā)布的《110～500 kV架空送電線路設計技術規(guī)程》中規(guī)定，當風速V≥20 m/s時，風壓不均勻系數均按0.61設計。但從2004年以來，國家電網公司110 kV～500 kV輸電線路風偏跳閘呈高發(fā)趨勢，許多專家認為風壓不均勻系數α取0.61不太合理，對風速打的折扣太大，預留裕度不夠[3]。在2010年發(fā)布的國標GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中，對 α的取值重新進行了規(guī)定，α的劃分也更加詳細、合理。同時國標GB50545-2010在校驗桿塔風偏間隙時對風壓不均勻系數提出了修正方案，其隨水平檔距的變換關系為：

不同水平檔距下風速及風壓不均勻系數對風偏的影響值如圖2所示。由圖2可以看出，水平檔距小則風偏角大，水平檔距大則風偏角小。此修正方案綜合反映了風壓不均勻系數隨檔距變化的客觀規(guī)律。在對已建輸電線路進行桿塔校驗時，需要針對桿塔檔距來確定風壓不均勻系數[4]。

圖2 不同水平檔距下風速及風壓不均勻系數對風偏的影響值

2.2 風壓高度變化系數及風荷載調整系數

在輸電線路風荷載計算時，均是以10 m高的風速為基準進行計算的，高度對風荷載的影響是通過風壓高度變化系數來實現的。理論上，風速沿高度的增大與地面摩擦力(粗糙程度)、地表基本風速、高度等因素有關。對架設高度大于基本風速高度(一般10 m)的線路,其最大風速則需由最大基本風速換算為高空風速。風壓高度變化系數Kh為：

其中，h為風速距地面或水面的高度，hs為線路的風速基準高度，a為與地面粗糙度有關的系數 (一般簡稱為地面粗糙系數)。

當風荷載調整系數 βc=1.0、風向夾角 θ=90°、α=0.61時，利用MATLAB軟件仿真出不同Kh下絕緣子風偏的變化情況如圖3所示(本文計算29 m/s大風情況下風偏角)。

圖3 風壓高度變化系數對風偏的影響值

由圖3可以看出，風壓高度變化系數對大風情況下風偏角的影響較明顯，這其中影響風壓高度變化系數的主要是導線離地高度和地面粗糙系數。在國標GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中對地面粗糙系數已有明確規(guī)定，因此在實際工程中，導線的架設高度成為影響懸垂絕緣子風偏閃絡的重要因素，導線架設高度越高，風偏閃絡越嚴重。隨著我國電網建設迅速發(fā)展，高桿塔和大跨越塔越來越多，合理選取風速高度換算系數就顯得更為重要。

目前，國標 GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中，僅針對500 kV及以上輸電線路風偏角計算時考慮風荷載調整系數，220 kV及以下輸電線路并沒有考慮這一系數。已有專家和學者針對風偏角計算時不考慮風荷載調整系數的不合理性進行了理論分析[5-6]，并利用有限元軟件對不同風速和不同檔距下的風偏角進行數值模擬，計算出不同風速和不同檔距下的風荷載調整系數。筆者認為此方案較能綜合反映風荷載調整系數與風偏角的客觀規(guī)律，可以為輸電線路的設計提供參考。

2.3 風向與導線軸向夾角的影響

在風偏角計算模型中，取 βc=1.0、α=0.61，利用 MATLAB軟件仿真出不同風向夾角下絕緣子風偏的變化情況，如圖4所示。

圖4 風向夾角對風偏的影響值

從圖4可以看出，風向夾角對導線懸垂絕緣子串風偏角影響很大，其中風向夾角為90°時，風偏影響最嚴重。國標 GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中，對風向夾角的取值沒有明確規(guī)定，在考慮留有足夠裕度的情況下，目前實際工程桿塔規(guī)劃及風偏校驗時都認為風是垂直于導線的，即風向與導線的軸向夾角取 90°[7]。

2.4 輸電線路設計參數的影響

2.4.1垂直檔距對風偏角的影響

仍以宣城工程為例，當水平檔距取350 m、風壓不均勻系數α=0.61時，利用MATLAB軟件仿真出不同垂直檔距、不同風速下絕緣子風偏的變化情況，如圖5所示(本文計算大風情況下風偏角)。

2.4.2絕緣子串重量對風偏角的影響

圖5 垂直檔距對風偏的影響值

近年來，隨著復合絕緣子越來越多地在工程中應用，其發(fā)生風偏閃絡的概率相對較高，許多設計人員認為這主要是由于復合絕緣子重量較輕而導致，因此在開展防風偏工作中，主張對懸垂絕緣子串導線下方加裝重錘增加絕緣子串重量或將復合絕緣子改為瓷(玻璃)絕緣子的方法。本文通過MATLAB軟件對上述方法進行校驗，取水平檔距350 m、風壓不均勻系數α=0.61，計算不同風速下風偏隨絕緣子串重量的變化情況，仿真結果如圖6所示(本文計算大風情況下風偏角)。

圖6 絕緣子串重對風偏的影響值

從圖6可以看出，在不同的風速下，絕緣子串重量由20 kg增加至70 kg時，風偏角相應只減小了2°多。同時當加裝重錘后，由于重錘為導電體，其縮小了帶電體對塔頭構件的空氣間隙，因此加裝重錘或更換復合絕緣子對風偏的抑制效果并不明顯。

3 輸電線路風偏治理措施

通過上述對輸電線路風偏影響因素的分析，在工程中可相應采取針對性的措施來抑制輸電線路風偏閃絡：

(1)風速和垂直檔距對風偏影響較大，在設計過程中應重視氣象資料的搜集以及微地形、微氣象的劃分，合理選取工程的風速取值。在山區(qū)或高低起伏較大的地形環(huán)境中應特別避免小垂直檔距的發(fā)生。

(2)風壓不均勻系數的選取對風偏有較大的影響，在輸電線路設計中，國標 GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》中對風壓不均勻系數的取值重新進行了定義，經過多年運行經驗表明，風壓不均勻系數的劃分合理、可行。但在對已運行或改造線路進行風偏校驗時，現行做法基本沒有考慮風壓不均勻系數隨水平檔距的變化關系，仿真結果表明這種做法不甚合理，在今后的風偏校驗過程中應針對不同的水平檔距合理選取風壓不均勻系數。

(3)在輸電線路規(guī)劃高塔或跨越塔時，風壓高度變化系數對風偏的影響較大，通過合理選取風壓高度變化系數，可在不增加塔頭尺寸的同時有效防止風偏發(fā)生的幾率。

(4)直線桿塔絕緣子串重量的選取對風偏的影響有限，在風偏校驗過程中通過改變絕緣子形式或增加重錘的方式只能小范圍地降低風偏閃絡幾率。在實際校驗中，可以通過改變絕緣子串形式等更加有效的防風偏技術。

本文在風偏計算的基礎上，應用MATLAB仿真軟件對風偏影響因素進行了逐一仿真，并根據仿真結果有針對性地提出改善風偏閃絡的措施，從而用最小的代價降低了風偏閃絡的幾率，為后期輸電線路設計提供參考。

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