超高压输电线路风偏闪络及导线风荷载取值讨论白志超

超高压输电线路风偏闪络及导线风荷载取值讨论白志超

白志超

（国网内蒙古东部电力有限公司经济技术研究院呼和浩特市010020）

摘要：目前，我国的综合国力在不断地加强，社会在不断的进步，根据某超高压输电线路风偏闪络故障气象信息和线路结构参数可开展故障分析。当采用规范建议的单摆模型进行检验时，计算结果远小于发生闪络故障的风偏角阀值，据此可认为规范的导线风荷载参数取值以及刚性直棒法存在一定的不安全因素。因此，建立四跨绝缘子串–导线耦合体系有限元模型，采用时域法分析不同基本风速下绝缘子串的风偏角极值，对风偏角极值与基本风速关系式进行拟合以预估风偏闪络的临界风速，并讨论了风压不均匀系数α和风荷载调整系数βc的取值。结果表明：基于拟合公式得到的故障塔处发生风偏闪络的临界风速介于实测事故风速区间内，略小于设计基本风速；刚性直棒法没有考虑风速脉动的影响，且规范规定的风压不均匀系数α偏小，从而大幅低估了大风下导线风偏响应；当α取1.0，βc取1.2时，本线路基于刚性直棒法的计算结果接近有限元动态风偏计算结果，更符合实际情况。

关键词：风偏闪络；闪络临界风速；导线风荷载；风压不均匀系数；风荷载调整系数

引言

用电负荷的不断增加和电力用户对供电可靠性要求的不断提高，促使电网基础设施和超高压输电线路不断建设。由于电压等级高，输送距离远，超高压输电线路极易遭受天气、环境、外力及绝缘老化等因素综合影响。近年来，短时大风等极端恶劣天气频发，超高压输电线路风偏跳闸事故发生频次居高不下，风偏故障成为威胁电网安全的重大隐患，风偏故障的防治工作成为提高输电线路抵御风害能力、保障电网安全的重要环节。

1风偏故障的特点

1)风偏故障常伴随恶劣天气状况。通过梳理和分析近年来发生的风偏故障可知，输电线路发生风偏故障时，均有强风出现。大多数情况下还伴有大暴雨或冰雹，且常发生在无明显地貌特征的地区，风速最强时可达30m/s，具有阵发性强的特点。此时，导线会受风力的影响产生一定偏移而使空气间隙减小，同时伴随大风的冰雹或暴雨会降低导线的工频放电电压，二者的共同作用将引发风偏跳闸故障的发生。2)风偏故障时重合闸成功率低。风偏跳闸往往是在工作电压情况下，由强风等恶劣天气引起，重合闸成功率较低，严重影响供电可靠性。风偏故障时，由于重合闸动作时间通常小于强风的持续时间，造成重合闸动作时放电间隙仍然很小;而重合闸动作时系统产生的操作过电压，会导致再次放电，而且再次放电可能在间隙较大时发生。若同时发生多处风偏跳闸，电网系统稳定性将会受到巨大破坏，严重时还会导致电网大面积停电。3)风偏故障放电路径清晰、特性明显。按放电路径划分，风偏故障主要有三种类型，分别是导线对杆塔构件放电、导地线线间放电和导线对周边物体放电。它们的共同点是，导线或导线侧金具上有明显烧伤痕迹。相比较而言，导线对杆塔构件放电最为常见。主放电点多在角钢端部、脚钉等突出位置，杆塔构件上均有明显放电痕迹。导地线线间放电，多发生于地形特殊地区，如大档距区段(一般大于SOOm)等，导线放电痕迹较长。导线对周边物体放电，放电痕迹长度可超过一米，周边物体会出现明显的黑色放电痕迹。

2故障综述

2014−04−22夜间到24日，受强冷空气影响，线路所在地区出现以大风、降温为主的寒潮天气过程。2014−04−23T09:01:01，该超高压输电线路B相故障跳闸，2014−04−23T10:53:37，B相再次故障跳闸。通过现场巡线，最终确定故障杆塔为326号。故障发生时，故障区域无雷电活动，排除了雷击跳闸的可能。故障发生当日气温基本在0~10℃之间，无覆冰的可能性，排除了冰闪及舞动的可能。根据线路故障区段周围环境及现场情况，结合超高压线路运维经验，初步判定局部强对流天气造成导线及绝缘子串向塔身侧倾斜（风偏），造成导线与塔身最小空气间隙不能满足运行要求而引起的空气击穿，从而造成线路跳闸。故障区段附近296号塔安装微气象装置，安装高度32m，距326号故障塔位14km。故障时刻现场10min内平均最大风速35m/s，风向为北风，风向与导线成一定夹角，范围在75°~90°之间。通过中尺度数值预报技术，得到故障杆塔在故障发生时前后一段时间内的风速如图3。该超高压输电线路发生风偏跳闸的时间为2014−04−22T09:01:01，同时刻风速仪记录的风速为33.3m/s。

3基于有限元法风偏动态分析

传统的风偏计算采用刚性直棒法，将绝缘子串当成一个独立系统，忽略了绝缘子串和导线的耦合作用且没有考虑脉动效应的影响，将会造成一定的计算误差。尤其对超高压输电线路而言，其绝缘子串长度较长。因此本文考虑了绝缘子串和多分裂导线的共同作用，建立故障塔处输电线路的绝缘子串–导线耦合模型。实际建模过程中，端部采用铰支座，如果跨数过少对中间绝缘子串的位移会有约束作用，导致所得风偏角偏小。从计算结果看，当跨数为4跨时，中间故障塔处风偏角极值与根据全耐张段计算所得风偏角极值基本一致，说明此时端部约束的影响已可忽略。为了兼顾计算精度和效率。大风作用下，多分裂导线各子导线以顺风向运动为主，且由于间隔棒的作用，各子导线运动基本同步。文献[13]通过建立包含分裂导线子导线、间隔棒的细化有限元模型和考虑参数等效后的单导线有限元模型进行风偏响应计算，结果表明两者风偏角均方根值差异不大，且基于细化有限元模型所得的风偏角均值略微偏小。由此表明，将分裂导线等效为单导线对于风偏响应计算而言具有足够的精度，因此本文将六分裂导线等效为单导线建立有限元模型。其中导线采用Link10单元，经过试算，确定导线单元长度取10m可满足收敛性和精度要求。由于绝缘子串一直处于受拉状态，其刚度相对导线大很多，因此采用Link8杆单元模拟。自重作用下导线初始形状为悬链线，本线路跨中垂度与跨度之比<0.1，可采用抛物线描述

式中：f为跨中垂度，计算式为f=qL2/(8H)；x为节点到起始挂点的水平距离；H为运行水平张力；q为单位长度重力；L为水平跨距；C为挂点高差，当起始挂点较高时取值为正，反之则为负。风荷载方面，六分裂导线的阻力系数根据高频天平试验结果取0.92，绝缘子串取1.0。故障塔所处区域按建筑结构荷载规范确定为B类地貌（α=0.15），基于指数律函数获得各节点平均风速。为体现近地层中湍流尺度随高度变化的特点，本文采用Kaimal谱并考虑Davenport空间相关性，运用谐波叠加法生成各节点脉动风速时程。

结语

1）基于四跨绝缘子串–导线耦合体系有限元模型计算得到最大风偏角的拟合式，推算发生风偏闪络的临界基本风速为27m/s，与实测风速一致性较好，接近设计基本风速28m/s。2）按规范建议的风荷载参数采用刚性直棒法计算所得的风偏角远小于风偏故障阀值。这是由于规范中风压不均匀系数取值偏小，且刚性直棒法没有考虑到风速脉动引起的风偏脉动效应，从而低估了导线的风偏响应。3）考虑到线路故障区段所处场地较为空旷，且遭遇的强风为大尺度风，覆盖面广，风压不均匀系数α值建议取1.0，并需考虑风速脉动的影响，风荷载调整系数βc取1.2。

参考文献：

[1]胡毅，刘凯，吴田，等.输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J].高电压技术，2014，40(11)：3491-3499.

[2]胡毅.输电线路运行故障分析与防治[M].北京：中国电力出版社，2007.