郑连勇,张 君,朱德祎
(1.国网山东省电力公司检修公司,济南 250118;2.国网山东省电力公司,济南 250001)
500 kV输电线路防风偏措施探讨
郑连勇1,张君1,朱德祎2
(1.国网山东省电力公司检修公司,济南250118;2.国网山东省电力公司,济南250001)
风偏跳闸事故对电网安全稳定运行的影响极大。分析500 kV聊长Ⅰ线和500 kV川淄线发生风偏事故的形成原因,提出预防风偏的多项措施。在不改变现有铁塔结构的前提下,通过改变挂线方式及提高触发风偏最大值等方法,有效地降低风偏跳闸事故发生机率,确保架空输电线路的安全运行。
风偏;最大值;简谐振动;输电线路
近年来,随着电网建设的不断加快,山东省内500 kV输电线路数量快速增加,通过复杂地形及恶劣气候条件地区的输电线路日益增多,线路风偏故障数量也显著增加。2011—2014年,山东电网所辖500 kV线路共发生风偏跳闸8次,对电网的安全稳定运行影响极大。
1.1风偏概述
风偏是指架空输电线路在风的作用下导线发生位移,使其对铁塔的距离小于最小安全距离的现象,可能会造成线路放电跳闸故障。三相导线发生位移时方向一致,各相导线之间相对距离几乎保持不变,所以档距中间不会发生相间放电故障。若线路在覆冰的状态下因不同期脱冰和风的作用,使得导线发生位移造成相间故障,将其归为线路舞动,在此不做研究。
1.2风偏产生的原因
发生线路风偏跳闸的本质原因是由于在大气环境中出现的各种不利条件造成线路空气间隙减小。当间隙的电气强度不能承受系统运行电压时就会发生击穿放电。2013年7月25日,500 kV聊长Ⅰ线101号塔发生风偏跳闸故障,边相对塔身放电,气象监测数据显示故障发生时间段内瞬时风速最高达到40 m/s。强风或飑线风的作用下使得绝缘子串向杆塔方向倾斜,减小了导线与杆塔的空气间隙,当该间隙宽度满足不了绝缘强度要求时就会发生放电[1]。
风没有超过设计时,风的叠加作用依然可以导致风偏跳闸故障的发生。2013年8月1日,500 kV川淄线87号塔发生风偏跳闸故障,左相对塔身放电,导线及铁塔左曲臂有较为清楚的放电痕迹,结合现场庄稼倒伏情况判断,线路故障时,故障杆塔周边遭遇瞬时强风,风力并没有超过设计风速,但依然发生了风偏跳闸。绝缘子串在理想状态下会以悬垂位置为中心进行有规律的简谐振动,摆幅在安全距离以内,不会造成风偏跳闸。但若绝缘子串受到一次或者多次与其摆动方向一致的风的作用,绝缘子串摆幅增大,振动能量增加,直至距离不满足要求时,会发生风偏跳闸。
针对风偏发生的原因,提出改变挂线方式和提高触发风偏最大值等措施,并以500 kV聊长Ⅰ线101号塔为例,进行相关计算和验证。
2.1加装重锤片
当悬垂绝缘子串在风力的作用下发生摇摆时,由于加装重锤片,在重力的作用下,绝缘子串趋于恢复其静止时的初始位置。聊长Ⅰ线101号塔每相绝缘子加装14片重锤片,随着绝缘子串摇摆角的变化,在重锤片重力作用下,金具串水平方向的分力作如下变化,如图1所示。
图1 金具串受力
图中:F垂直为绝缘子串垂直荷载;F水平为绝缘子串水平荷载;F垂直为增加重锤片后增加的垂直荷载;ΔF水平为垂直荷载增加后,水平荷载相应的增加值。
由图1可见,加装重锤片后,水平分力增加,摇摆的触发力相应增加,进而提高最大风偏值和导线的抗风偏能力,但是效果有限。通过聊长Ⅰ线101号塔风偏计算进行验证。
2.1.1设计参数
聊长Ⅰ线101号塔风偏设计参数为:导线型号LGJ-400/35,杆塔型号ZBV40,设计风速30 m/s,水平档距388 m,垂直档距400 m。
2.2.2荷载计算
1)导线风荷载[2]
式中:a为电线风压不均匀系数,设计风速为30 m/s,取值为0.61;μsc为电线体型系数,导线直径d>17 mm时,取值为1.1;βc为风载调整系数,设计风速为30m/s,取值为1.2;d为导线直径,取值为26.82 mm;lH为杆塔水平档距,取值为388 m;K1为风速高度变化系数,呼高为30 m,取值为1.067;v为设计风速,取值为30 m/s。
故水平导线风荷载为
2)绝缘子串风荷载公式
式中:n1为相导线所用的绝缘子串数,取值为1;n2为每串绝缘子片数,复合绝缘子等效片数为28片;Ap为每片绝缘子的受风面积,按双伞裙考虑,取值为0.04 m2;kz为风压高度变化系数,取值为1.14;v为设计风速,取值为30 m/s。
故绝缘子串风荷载为
3)导线自重荷载的计算公式
式中:K为导线单位长度重量,导线型号LGJ-400/ 35,取值为1.349 kg/m;lH为杆塔垂直档距,取值为400 m。
故导线自重荷载为
4)重锤片垂直荷载的计算公式
式中:g为单片重锤片的重量,取值为0.02 kg;S为单相加装重锤片的数量,取极限值为14。
故重锤片垂直荷载为
5)摇摆角计算
未加装重锤片的风偏角为
加装重锤片后的风偏角
6)加装重锤片前后的受力分析如图2所示。
未加装重锤片时,水平风荷载为导线水平风荷载和绝缘子串水平风荷载叠加值;
加装重锤片后,风偏角减小为θ2,假设角度为θ2时垂直荷载仍为FG1,则等效水平荷载FG1tan θ2=19.55 kN;
所以增加重锤片后,抵消的水平风荷载=ΔF水平= (FW1+0.5FW2)-FG1tan θ2=2.27 kN。
图2 加装重锤片前后的受力分析
可知,增加重锤片后摇摆角变化较小,抵消的水平风荷载数值较小,只是加大了摇摆的触发力,对控制摇摆效果有限,即使加装重锤片数量到达极限值时,其抵消的水平风荷载只有2.27 kN。
2.2安装辅助绝缘子串
为有效破坏绝缘子串简谐振动形式,适当减小振动能量,考虑加装侧向辅助复合绝缘子,设计如图3所示。现从复合绝缘子受压性能、水平风力抵消、线路稳定运行等方面来验证该方案的可行性。
图3 加装侧向辅助复合绝缘子
2.2.1复合绝缘子的受压性能
导线在风力作用下发生的振动会对绝缘子串施加水平载荷,两支绝缘子的受力状况将发生变化。水平载荷较大时,带电部分将会发生位移,其中一支绝缘子承受压力,一支承受拉力。复合绝缘子可以看作大柔度细长杆。当载荷大于临界载荷时,复合绝缘子仍具有承载能力,并且随着侧向挠度和轴向压缩量的增加,承载能力相应增加。所以,受压绝缘子可以承受很大的压应力和轴向压缩,而保持稳定的大屈曲状态[3]。
有研究曾针对复合绝缘子的受压屈曲特性进行了分析,得到了载荷与屈曲幅值关系的精确解[4]。该分析过程选取试样的结构长度为3 240 mm、直径24 mm,根据受力分析(如图4所示)计算得到轴向压缩量ΔL与最大应力Smax的关系(如图5所示)。在绝缘子的屈曲破坏试验中,24 mm直径芯棒绝缘子屈曲破坏的最大轴向压缩距离为1 800 mm,查图5可知达到试验中屈曲破坏时的轴向压缩量1 800 mm,此时对应的最大应力值为1 027 MPa(图5中A点),对应的屈曲破坏荷载为46.4 kN。
图4 受压屈曲受力分析
图5 轴向压缩量ΔL与最大应力σmax
2.2.2复合绝缘子水平风荷载抵消
根据图3设计方案,开展了相关验证,针对绝缘子在风作用下的简谐振动进行试验,分别测试了靠近铁塔侧和远离铁塔侧的水平拉力,验证辅助绝缘子破坏振动形式的作用,如图6所示。试验中,复合绝缘子由受拉状态逐渐转变为受压状态,根据拉力计的数据,绝缘子从开始弯曲至模拟发生风偏位置时,共产生6 kN的水平支撑力。
图6 现场试验布置图
该试验证明安装侧向辅助绝缘子可以减小最大风偏角,同时其在弯曲过程中不断变化的支撑力可以有效破坏原悬垂复合绝缘子的简谐振动,减小振动能量。
2.3.3运行稳定性
该设计方案施工简单,无需停电进行,安装方便。侧向合成绝缘子稳定良好的受压和受拉性能,是对原有结构的有效完善,即使破坏也不影响线路安全运行。
综上可知,安装辅助复合绝缘子可以承受一定的压力和拉力,在一定程度上可以破坏绝缘子串简谐振动形式,减小振动能量,在一定程度上减小风偏发生的概率。
2.3边相绝缘子“I”串改“V”串
目前,工程设计中“V”型绝缘子串(简称“V”串)连接是防风偏的一种有效措施。该方案设计时可忽略绝缘子串风偏角,只需按照工频电压、外过电压、内过电压以及带电作业4种条件下规程规定的最小安全距离来考虑横担尺寸。如图7所示。
图7 “V”串结构
改为“V”串,夹角选择尤为关键。夹角小,在不大的风荷载作用下,背风肢绝缘子串处于受压;夹角大,绝缘子串所受拉力增大,但背风肢绝缘子串在较大风荷时才处于受压状态。为避免最大风偏时,绝缘子串过度受压导致绝缘子损伤或脱落,“V”串的夹角的一半宜大于或等于最大风偏角,常规的“V”串设计为了避免绝缘子承受压载荷,往往采用较大的“V”型夹角,一般为90°~120°。
复合绝缘子具有稳定良好的受压性能。因此,在保证导线摆动幅度以及受压绝缘子的最大应力限制在允许范围内的前提下,可以减小“V”串的夹角,从而减小塔头尺寸和线路走廊,提高线路的输电能力。国内相关结构研究结果表明:当载荷比(水平荷载与垂直荷载的比值)小于2.194时,大于60°夹角的“V”串都可以安全运行,考虑安全裕度,可以将“V”串夹角设为65°[4]。
由“I”型绝缘子串(“I”串)改“V”串时,边横担长度不能满足安装需要,需根据“V”串最终确定边横担增加长度。以聊长Ⅰ线101号塔为例,“V”串夹角分别为120°和65°时,由“I”串改“V”串时铁塔本体改造结果如表1所示,铁塔如图8所示。
图8 ZB40铁塔单线图
表1 “I”串改“V”串铁塔本体改造结果
“V”串夹角为65°时横担增加长度远小于120°时增加的值。尽管如此,在运行线路采用此方案时需针对现有横担进行改造,施工较复杂且成本较高,故虽该方案对于抑制中相风偏有良好作用但不适用于边相防风偏改造。
2.4边相绝缘子“I”串改“Y”串
“Y”型绝缘子串(“Y”串)是一种较新的架空输电线路绝缘子串布置方式,在减小风偏、压缩走廊等方面有着结构上的优势。“Y”串可以分解为上部“V”串与下部“I”串的组合型式,如图9所示。
对于上部“V”串,在输电线路设计中,一般视为刚体,不考虑风偏角的影响;下部的“I”串的长度小于原设计中的“I”串,摆动半径明显减小。“Y”串在防风偏方面的优势说明见图10[5]。
图9 “Y”串结构
图10 “Y”串防风偏
O点为原绝缘子挂点,Q点为“Y”串的中心点。在水平风的作用下,原“I”串的摆动原点为O点,“Y”串的摆动原点为Q点。假设发生风偏时原“I”串的风偏角为α,从图中可以看出,“Y”串发生风偏至同样角度α时,带电体与铁塔的距离远小于原“I”串与铁塔的距离,此时不会发生风偏放电。
综上可知,“Y”串在防风偏方面具有良好作用。但采用此方案时仍需针对现有横担进行改造,施工较复杂且成本较高,故同样虽该方案对于抑制中相风偏有良好作用但不适用于边相防风偏改造。
2.5安装导线下拉线
已运行的输电线路,所在区域若风力特别强,风偏故障发生概率高,采取上述措施和方法后效果不明显,可以采取在导线侧安装绝缘拉线的方法稳固导线。
但是该方法只能作为临时性的防范措施,且缺点突出:一是占地面积较大,妨碍农田水利建设,安全防范措施成本高;二是由于风偏转动不灵活,长时间受力,线路金具易疲劳破坏。
对运行中的输电线路,通过加装重锤片可以增加风偏振动的触发值,在一定程度上提高线路抗风偏能力;通过加装侧向辅助绝缘子可以破坏风偏振动形式并减小线路风偏角;由“I”串改“V”、“Y”串可以限制风偏,但只适用于中相改造,不适用于边相改造。针对运行中的500 kV输电线路,可以采用安装辅助绝缘子和加装重锤片两种方案配合使用的方法,有效地降低风偏发生的机率,提高架空输电线路运行的安全性。
[1]王声学,吴广宁,范建斌,等.500 kV输电线路悬垂绝缘子串风偏闪络的研究[J].电网技术,2008,32(9):65-69.
[2]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册[M]第二版.北京:中国电力出版社,2002.
[3]林毓锜,陈瀚,楼志文.材料力学[M].西安:西安交通大学出版社,1994.
[4]乐波,候镭,王黎明,等.330 kV紧凑型线路V型合成绝缘子的荷载性能研究[J].中国电机工程学报,2005,25(15):91-95.
[5]范建斌,武雄,黄志秋,等.Y型绝缘子串交流和直流电压分布特性[J].电网技术,2007,31(14):6-9.
Measures of Preventing Wind Deflection for 500 kV Transmission Lines
ZHENG Lianyong1,ZHANG Jun1,ZHU Deyi2
(1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company,Jinan 250118,China;2.State Grid Shandong Electric Power Company,Jinan 250001,China)
Tripping accidents due to wind deflection have enormous influence upon safe and stable operation of power grid. Causes of wind deflection are analyzed for the 500 kV Liao-ChangⅠtransmission line and 500 kV Chuan-Zi transmission line and preventive measures to prevent wind deflection are proposed.Under the premise maintaining the existing tower structure,the risk of tripping accidents due to wind deflection can be effectively reduced by such methods as changing the mounting of transmission line and increasing the maximum of triggering wind deflection.These methods can ensure the safe operation of overhead transmission lines.
wind deflection;maximum;harmonic vibration;transmission lines
TM75;TM723
A
1007-9904(2015)09-0009-05
2015-04-03
郑连勇(1974),男,高级工程师,从事输电线路运行与检修管理工作。