超高壓輸電線路風(fēng)偏故障原因分析

張立明，馬 立，曹 鋮

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北宜昌 443002）

我國幅員遼闊、地形復(fù)雜，在電網(wǎng)配合負荷需求擴容的同時，架空線路穿過惡劣天氣地區(qū)的情況也更加頻繁，因而風(fēng)偏故障頻次也越來越多。風(fēng)偏是指導(dǎo)線和絕緣子串在強風(fēng)作用下產(chǎn)生搖擺偏離初始位置的現(xiàn)象，當其與鄰近物體空氣間隙小于安全距離時產(chǎn)生風(fēng)偏閃絡(luò)，引起輸電線路跳閘[1]。據(jù)統(tǒng)計，在2013—2015年，國家電網(wǎng)所轄超高壓輸電線路風(fēng)偏跳閘次數(shù)分別是146、53、46 次，占總跳閘次數(shù)比例分別是11.14%、5.78%、9.81%[2]。

輸電線路風(fēng)偏故障可以分為跳線風(fēng)偏、絕緣子風(fēng)偏、相間風(fēng)偏。文獻[3]分析了某500 kV 四分裂輸電線轉(zhuǎn)角耐張塔外角處繞引跳線懸掛在塔身腳釘引起的跳閘故障；文獻[4]討論了在驗收220 kV 海北—拉布大林—根河基建工程時發(fā)現(xiàn)的5 處雙回路換位塔存在的相間風(fēng)偏故障隱患；文獻[5]針對220 kV 某Ⅱ線線路開關(guān)跳閘故障采用剛性直棒法計算絕緣子風(fēng)偏位移，隨后采用自主研發(fā)系統(tǒng)建立了實際復(fù)雜山地三維模型及通過ANSYS 有限元仿真得到其風(fēng)速分布，然后再次計算對原結(jié)果進行修正。

本文對湖北省某500 kV 輸電線絕緣子風(fēng)偏故障原因，采用剛性直棒法進行計算分析，同時給出相關(guān)的解決方案，以消除存在的風(fēng)偏隱患保證在強對流天氣下輸電的安全可靠與持續(xù)供電。

1 設(shè)備基本情況

該500 kV 輸電線路于2002 年4 月22 日投入運行，湖北境內(nèi)全長161.457 km。故障桿塔為222#桿塔，導(dǎo)線水平排列，桿塔設(shè)計風(fēng)速為27 m/s（新規(guī)程10 m基準高度折算），風(fēng)偏校核后最大允許風(fēng)速為27.6 m/s。小號側(cè)檔距779 m，大號側(cè)檔距404 m，故障區(qū)段平均海拔高度為664.189 m，線路為東西走向，主要地形為山地。故障區(qū)段基本情況見表1。

表1 故障區(qū)段基本情況

2 故障概況

2.1 故障跳閘概況

2022 年8 月9 日19 時30 分，某500 kV 一回線A 相（右相）故障跳閘，重合閘不成功。8 月9 日22 時35 分，該回線路強送成功，故障基本情況見表2。故障測距情況如下。

表2 故障基本情況

1）分布式故障診斷裝置測距：故障位置在149 號桿塔大號側(cè)34 km，對應(yīng)桿塔號221#—222#。

2）宜昌換流站故障測距：行波測距宜昌站127.669 km，對應(yīng)桿塔號221#—222#。

2.2 故障現(xiàn)場概況

故障發(fā)生前線路所屬區(qū)段氣象臺發(fā)布了冰雹橙色預(yù)警，具體為2022 年8 月9 日19 時10 分，氣象臺發(fā)布冰雹橙色預(yù)警信號：預(yù)計未來6 h 將有可能出現(xiàn)冰雹天氣，雨量20~40 mm，陣風(fēng)8~10 級。8 月9 日19 時30 分，故障區(qū)段天氣情況為狂風(fēng)暴雨，故障區(qū)段連續(xù)10 min 最大風(fēng)速達31.8 m/s。

此外，現(xiàn)場人員觀測到，周邊樹竹存在被吹斷、連根拔起情況，房屋屋頂瓦片被吹飛，故障時段確有大風(fēng)情況發(fā)生。

2.3 故障巡視概況

8 月9 日19 時51 分接到故障信息后，國網(wǎng)湖北超高壓公司立即安排技術(shù)人員進行故障測距核算等故障查找前的技術(shù)準備工作，通過分析故障時段現(xiàn)場天氣，結(jié)合故障測距、線路平斷面圖資料及地形因素，推斷可能導(dǎo)致故障的原因為風(fēng)偏、異物等，制定了優(yōu)先巡視該回線路220#—225#區(qū)段的排查方案，派出4 名人員趕往現(xiàn)場開展故障巡視工作，并第一時間聯(lián)系護線員了解現(xiàn)場情況。

8 月9 日21 時15 分，故障巡視人員到達故障區(qū)段現(xiàn)場時，該地區(qū)天氣已轉(zhuǎn)陰，對故障區(qū)段線路通道情況進行了全面排查，未發(fā)現(xiàn)異常情況。向調(diào)度匯報后申請送電。8 月9 日22 時35 分該500 kV 線路強送成功。由于天色已晚，未能開展無人機巡檢及登桿檢查工作，當日暫未發(fā)現(xiàn)故障點。

8 月10 日5 時15 分，故障巡視人員到達故障區(qū)段現(xiàn)場，利用無人機對218#—225#開展故障巡視，6 時20 分，在222#桿塔右相導(dǎo)線防振錘、對應(yīng)上方塔材發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡，隨后安排人員帶電登桿進行了確認。根據(jù)該回線路故障測距、保護等信息，現(xiàn)場天氣情況和故障查找情況，初步判斷該處為故障點，如圖1、圖2所示。

圖1 222#桿塔塔材及導(dǎo)線端放電痕跡

圖2 222#放電通道

3 原因分析

3.1 原因排查分析

由故障錄波圖可以看出，19 時30 分50 秒，該線路發(fā)生故障，故障電流3.105 kA。故障發(fā)生時，故障區(qū)段內(nèi)無外破施工作業(yè)情況。因此，排除外破引起線路故障；通過查詢雷電定位系統(tǒng)，在故障發(fā)生時間及前后5 min 時段，該回線路通道5 km 范圍內(nèi)無符合跳閘時間的雷電活動記錄，且根據(jù)分布式故障監(jiān)測系統(tǒng)記錄的故障時刻電流行波波形，故障時刻電流行波主波頭電流上升比較陡，波尾持續(xù)時間大于40 μs，符合非雷擊跳閘故障特征，故排除雷擊故障。

通過現(xiàn)場對故障區(qū)段通道檢查，桿塔大小號側(cè)通道內(nèi)狀況良好，無超高樹木，排除樹（竹）線放電引起線路故障；通過對桿塔巡視檢查，桿塔上未發(fā)現(xiàn)鳥巢、鳥糞等鳥類活動跡象，排除鳥害引起線路故障；通過對故障區(qū)段進行全面排查，線路通道及周邊1 km 范圍內(nèi)及導(dǎo)地線、絕緣子、桿塔上無漂浮物等異物殘留痕跡，排除異物引起線路故障。

經(jīng)現(xiàn)場走訪調(diào)查，故障時現(xiàn)場出現(xiàn)局部颶風(fēng)，且在桿塔塔材及導(dǎo)線發(fā)現(xiàn)有放電點，可初步判定局地瞬時大風(fēng)強對流天氣引起導(dǎo)線及絕緣子串向塔身側(cè)傾斜（風(fēng)偏），造成導(dǎo)線與塔身最小空氣間隙不能滿足運行要求而引起空氣擊穿，從而造成線路跳閘。設(shè)計氣象條件基本風(fēng)速為Vmax=27 m/s，根據(jù)設(shè)計風(fēng)速對222#桿塔風(fēng)偏角進行校核。校核經(jīng)過如下。

1）桿塔所在區(qū)段導(dǎo)線型號為4×LGJ-400/50。

2）線路設(shè)計最大風(fēng)速為27 m/s。

3）222#桿塔前后斷面圖及明細表，明細表見表3。

表3 221#—223#桿塔明細表

4）222#桿塔導(dǎo)線懸垂串重及串長：m=283 kg；l=5.47 m。

3.2 數(shù)據(jù)計算分析

1）允許搖擺角計算。根據(jù)電力行業(yè)標準DL/T 5092—1999《（110～500）kV 架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[6]要求，500 kV 線路海拔在500 m 以上、1 000 m 以下時，帶電部分與桿塔構(gòu)件在大風(fēng)情況下的最小放電距離為1.3 m，結(jié)合ZB2 單線圖，畫出大風(fēng)情況桿塔允許風(fēng)偏角，根據(jù)桿塔間隙圓得知，ZB2 直線桿塔在大風(fēng)情況下，允許搖擺角ψ 為54.58°。

2）實際搖擺角計算。視懸垂絕緣子串為均布荷載的剛性直棒，設(shè)校驗氣象條件下懸垂絕緣子串的垂向荷載為GJ，橫向水平風(fēng)荷載為PJ，末端作用的導(dǎo)線荷載為Gd、Pd，對A點列力矩平衡方程式，有

所以

式中：γ1、γ4分別為導(dǎo)線的自重比載和風(fēng)壓比載；lh、lv分別為該基桿塔的水平檔距和垂直檔距；A為導(dǎo)線的截面積。

風(fēng)速隨高度變化指數(shù)公式為

根據(jù)《電架空路設(shè)計手冊》第五章第一節(jié)中，電線水平檔距為lh時的風(fēng)荷載計算公式為

根據(jù)《電架空路設(shè)計手冊》第五章第三節(jié)中，電線水平檔距l(xiāng)h、垂直檔距l(xiāng)v計算公式為

式中：l1v、l2v分別為某一桿塔兩側(cè)的垂直檔距，m；σ10、σ20分別為某一桿塔兩側(cè)的電線水平應(yīng)力，N/mm2；l1、l2、lh分別為桿塔兩側(cè)的檔距和桿塔的水平檔距，m；h1、h2分別為桿塔兩側(cè)的懸掛點高差，m；當鄰塔懸掛點低時取正號，反之取負號；γv為電線的垂直比載，N/（m·mm2）。

設(shè)計氣象條件基本風(fēng)速為Vmax=27 m/s，現(xiàn)根據(jù)設(shè)計風(fēng)速對222#桿塔風(fēng)偏角開始校核，4×LGJ-400/50 導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)：A=451.55 mm2，m=1.511 kg/m，d=27.63 mm。根據(jù)斷面圖上量得，221#-223#桿塔導(dǎo)線平均高度為18 m、hi=18 m、hx=10 m、Vx=27 m/s，根據(jù)公式（3）計算出Vi=29.66 m/s。根據(jù)斷面圖及明細表，l1=404 m、l2=779 m，依據(jù)公式（6）、公式（7）計算得出垂直檔距l(xiāng)v=337 m、水平檔距l(xiāng)h=592 m。斷面計算如圖3 所示。

圖3 222#斷面計算圖

根據(jù)查閱導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)及資料計算，經(jīng)公式（4）、公式（5）計算得出γ1=0.032 82 N/（m·mm2）、γ4=0.027 84 N/（m·mm2）、PJ=1 048 N、GJ=5 119 N。再通過公式（2）得出222#再設(shè)計最大風(fēng)速情況下風(fēng)偏角為ψ=53.3°，小于允許搖擺角ψ=54.58°。滿足規(guī)范要求。按照上述公式計算，當風(fēng)速超過設(shè)計最大風(fēng)速達到27.6 m/s時，222#桿塔電氣間隙小于規(guī)范要求值1.3 m。經(jīng)推算，當風(fēng)速達到31.8 mm/s 時，222#桿塔風(fēng)偏角為60.36°，電氣間隙為0.88 m，如圖4 所示。

圖4 31 m/s 風(fēng)速工況校核搖擺角

綜上所述，故障發(fā)生期間，現(xiàn)場短時風(fēng)速為31.8 m/s，超過最大允許風(fēng)速Vmax=27.6 m/s，導(dǎo)致該回輸電線路222#桿塔風(fēng)偏角為60.36°，電氣間隙（0.88 m）不滿足1.3 m 安全距離，該回輸電線路導(dǎo)線防振錘對桿塔塔身放電，造成風(fēng)偏跳閘。

3.3 整改建議

根據(jù)設(shè)備損傷情況及故障原因，建議采取如下整改方案。

1）8 月11 日前，對受強對流天氣暴雨影響的區(qū)域線路開展災(zāi)后特巡，重點排查線路周圍是否存在異物漂浮物隱患、山區(qū)滑坡及泥石流等次生災(zāi)害，并利用無人機進行精細化巡檢，重點檢查桿塔掛點螺栓、金具有無松動脫落等情況，及時發(fā)現(xiàn)消除線路缺陷隱患。對該回線路220#—225#區(qū)段桿塔完成一次螺栓緊固。

2）協(xié)同省電科院和設(shè)計單位對海拔超過500 m、峽谷風(fēng)道地形的桿塔開展風(fēng)偏校核，針對不滿足要求的桿塔采取加裝重錘、單串改雙串、I 串改V 串等措施進行治理，防止同類故障的再次發(fā)生。

3）推廣應(yīng)用微氣象在線監(jiān)測裝置。通過在已投運線路上安裝微氣象在線監(jiān)測裝置，收集積累第一手的氣象資料，特別是野外短時大風(fēng)數(shù)據(jù)，為其本身風(fēng)偏校核治理及新建線路設(shè)計提供依據(jù)和支撐。

4 結(jié)束語

本次故障暴露出國網(wǎng)湖北省超高壓公司對位于高海拔、峽谷風(fēng)道的桿塔風(fēng)偏校核工作方面存在不足，對于線路大風(fēng)環(huán)境，加上空氣濕度、溫度變化等異常環(huán)境狀態(tài)疊加預(yù)想不足，未能考慮到多種異常環(huán)境疊加的特殊工況并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，導(dǎo)致其電氣間隙小于工頻電壓最小放電間隙，引起線路風(fēng)偏跳閘故障。下一步工作應(yīng)當盡快進行故障后整改行動，采取相應(yīng)措施消除輸電線路存在的安全隱患問題。