新疆大风区输电线路防风措施的分析与研究

邵俊楠,魏 冲,王 燕

(1.河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007； 2.中原工学院 电子信息学院，河南 郑州 450007)



新疆大风区输电线路防风措施的分析与研究

邵俊楠1,魏 冲1,王 燕2

(1.河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007； 2.中原工学院 电子信息学院，河南 郑州 450007)

由于特殊的地形地貌和气象条件，新疆境内有许多大风区，大风区内的输电线路风偏闪络现象相当普遍，风偏跳闸率高于全国平均水平.强风是造成风偏闪络的主要原因，所以位于大风区的输电线路采取相应的防风措施是非常必要的.结合新疆大风区风速及输电线路参数等因素，对V型绝缘子串、下方防风横担、防风偏绝缘子等防风措施进行了分析和比较，得出了各种防风措施的特点和适用范围，对大风区输电线路的设计有一定的参考价值.

大风区；防风措施；受力分析

输电线路风偏闪络一直是影响电网安全运行的因素之一[1-2].在新疆，灾害性大风时常发生，经常因强风和沙尘暴造成输电线路倒杆塔、断线、风偏、污闪、绝缘子脱串和金具断裂等事故，其中风偏闪络对输电线路的危害尤为严重.

由于新疆特殊的地形地貌，每年气温突变特别是秋冬或冬春交替时容易出现大风天气，甚至出现灾害性大风天气[3-4].新疆境内有多个著名的风区，如吐鲁番小草湖-大河沿风区(又称三十里风区)、吐鲁番和哈密交接处的十三间房子风区(又称百里风区)、博尔塔拉阿拉山口风区、乌鲁木齐达坂城风区等，这些风区每年大风(8级以上大风)日数大多在100天以上，部分风区不仅大风持续时间长，而且风速极值大.位于这些地区的风电场送出线路需要采取特殊的防风措施，才能减少或杜绝因灾害性大风引起的输电线路跳闸事故.本课题根据作者的设计经验，分析和比较了几种防风措施的绝缘子串受力和实际应用的效果，得出了大风区的最佳防风方案，对大风区输电线路的防风设计有一定的参考意义.

图1 V型绝缘子串的受力分析示意图Fig.1 Analysis diagram of V-type insulator string stress

1 采用V型绝缘子串防风方案分析

V型绝缘子串在输电线路中应用普遍，多用来限制绝缘子串摆动，防止输电线路因风偏闪络而造成跳闸事故[5-7].把V型绝缘子串中每支绝缘子串看作均布荷载的刚体直棒，并且不考虑绝缘子串之间风压的屏蔽作用[8-9]，其受力分析情况如图1所示.

由图1可得

(1)

式中:Ta—A侧绝缘子串所受作用力(N)，数值为正值时表示绝缘子串受拉，反之指受压；Tb—B侧绝缘子串所受作用力(N)，数值为正值时表示绝缘子串受拉，反之指受压；GV—作用在V型绝缘子串上的导线垂直荷载(N)；FD—作用在V型绝缘子串上的导线水平荷载(N)；Gj—V型绝缘子串单支绝缘子串荷重(N);FD=PLh,P为导线风荷载(N/m)，Lh为水平档距(m)；GD=WLV，W为导线自重加冰重荷载(N/m),LV为垂直档距(m)；Fj—V型绝缘子串上的单支绝缘子风压(N),其计算公式为

(2)

式中：A1为绝缘子串受风面积，取0.03 m2，v为设计采用风速(m/s)，则杆塔Kv值计算公式为

(3)

则由式(1)～(3)编辑程序并计算可得各参数与风速的关系.

某线路导线采用LGJ-240/30型钢芯铝绞线，覆冰10 mm，V型绝缘子串夹角为110°，杆塔Kv值取1，水平档距分别取300 m，350 m，400 m，450 m，A肢绝缘子串受力随风速变化的关系见图2.由图2可知，水平档距为300～450 m时，V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串受压时的风速大致一致为31 m/s.

当水平档距取400 m、杆塔Kv值分别取0.85，0.90，0.95，1.00,其他参数不变时，A肢绝缘子串受力随风速变化的关系见图3.由图3可知，V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串受压时的风速分别为Kv值=0.85时，风速为28.7 m/s；Kv值=0.90时，风速为29.5 m/s；Kv值=0.95时，风速为30.2 m/s；Kv值=1.00时，风速为31 m/s.

图2 水平档距变化时A肢绝缘子串受力随风速变化的关系Fig.2 The relationship of A branch insulator string stress varies with wind speed change when horizontal span change

图3 杆塔Kv值变化时A肢绝缘子串受力随风速变化的关系Fig.3 The relationship of A branch insulator string stressvaries with wind speed change when Kv value change

当水平档距取400 m、杆塔Kv值取1.00时，V型绝缘子串夹角2α分别取90°，95°，100°，105°，110°，A肢绝缘子串受力随风速变化的关系见图4.由图4可知，V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串受压时的风速分别为2α=90°时，风速为26 m/s；2α=95°时，风速为27.1 m/s；2α=100°时，风速为28.4 m/s；2α=105°时，风速为29.6 m/s；2α=110°时，风速为31 m/s.

当水平档距取400 m、杆塔Kv值取1.00时，V型绝缘子串夹角2α取110°、覆冰取10 mm、导线型号分别取LGJ-300/25，LGJ-400/35和LGJ-630/45，A肢绝缘子串受力随风速变化的关系见图5.由图5可知，V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串受压时的风速如下：当导线为LGJ-300/25时，风速为31.6 m/s；当导线为LGJ-400/35时，风速为31.1 m/s；当导线为LGJ-400/35时，风速为30.1 m/s.

图4 V型串夹角变化时A肢绝缘子串受力随风速变化的关系Fig.4 The relationship of A branch insulator string stress varies with wind speed change when the angle of V-type insulator string change

图5 导线型号变化时A肢绝缘子串受力随风速变化的关系Fig.5 The relationship of A branch insulator string stress varies with wind speed change when wire type change

由以上分析可知，在输电线路或金具串的某一参数变化时，V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串受压时的风速不超过32 m/s.若风速超过32 m/s,V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串会因长时间受压造成绝缘子球头与碗头挂板相互挤压，致使碗头挂板中的R型销磨损或变形，最终导致R型销失去对球头的限位作用，造成导线脱位，所以V型绝缘子串不宜用于风速超过32 m/s地区的输电线路.

2 采用下方防风横担防风方案分析

以往新疆大风区输电线路采取的防风措施是用防风拉线对悬垂串进行固定，从而达到抑制悬垂绝缘子串风偏，这种防风措施是通过钢绞线、拉线金具和拉线棒将防风拉线的另一端固定在地面上.这种防风措施的缺点一是增加了占地面积，特别是农田地域，不利于农民耕作；二是防风拉线距离地面近的部分容易受到外力破坏而失去防风功能，还有可能造成安全隐患.

图6 采用防风横担防风方案受力分析示意图Fig.6 Stress analysis diagram of wind cross arm

目前，新建的大风区输电线路多采用防风横担对悬垂绝缘子串打拉线进行防风，即设计铁塔时，在导线横担下方设计防风横担，将悬垂绝缘子串通过防风绝缘子串或防风拉线固定于防风横担上，从而抑制悬垂绝缘子串风偏.采用防风横担的防风措施示意图见图6.假设悬垂绝缘子串和防风绝缘子串均为刚性直棒，忽略金具之间的软连接，那么当导线受到大风作用时，绝缘子串受力如图6(a)所示.由于悬垂绝缘子串和防风绝缘子串均为刚性直棒，两者均不随大风发生偏移，防风绝缘子串只受弯扭荷载，不受拉力.在大风作用下，悬垂绝缘子串和防风绝缘子串会顺风方向偏移一个很小的角度φ.假设悬垂绝缘子串的长度和防风绝缘子串相等，则绝缘子串的受力如图6(b)所示.

由图6(b)可得

(4)

式中：φ为绝缘子串偏角(°)，Fx为导线绝缘子串受拉力(kN)，Fl为防风绝缘子串所受拉力(kN)，其余参数意义同上.

导线型号取LGJ-300/25型钢芯铝绞线，覆冰取10 mm，杆塔Kv值取1.0，水平档距取400 m，绝缘子串偏角取2°，3°，4°，5°.根据公式(4)计算可得如表1和表2的结果.

表1 绝缘子串偏角变化时导线绝缘子串所受拉力与风速的变化关系Tab.1 The relationship with the pull of wire insulator string and wind speed when the angle of insulator string change

表2 绝缘子串偏角变化时防风绝缘子所受拉力与风速的变化关系Tab.2 The relationship with the pull of windproof insulatorstring and wind speed when the angle of insulator string change

由表1和表2可知，无论是悬垂绝缘子串还是防风绝缘子串，所受拉力在风速不变时均随绝缘子串偏角的增加而减少；在绝缘子允许偏角不变时，绝缘子串所受拉力随风速的增加而增加.无论何种情况，悬垂绝缘子串所受拉力与防风绝缘子串所受拉力的差值是一定的.

图7 大风区运行的线路Fig.7 Operational transmission line in strong wind area

综合考虑工程实际采用的绝缘子的荷载及工程中风速的取值，可以确定采用下方防风横担方案时绝缘子串的偏角值φ，该防风方案适用于新建的大风区输电线路.新建的华能托克逊白杨河风电场三期送出线路位于吐鲁番小草湖三十里风区，风速设计值为40 m/s,工程直线塔防风措施采用下方防风横担方案，近两年来运行良好，见图7.

3 采用防风偏绝缘子防风方案分析

新疆大风区的灾害性大风经常会造成该地区110 kV和220 kV输电线路引流跳线风偏闪络[10].目前，跳线串常采取加装重锤片的方式来抑制风偏，但这种防风措施在大风区效果欠佳，采用防风偏绝缘子可有效解决大风区跳线的风偏闪络问题.

防风偏绝缘子是采用有机高分子聚合绝缘材料制造的新型绝缘子，由芯棒(内绝缘)、伞群护套(外绝缘)、端部金具及附件组成.芯棒一般采用环氧树脂玻璃纤维棒，抗拉强度高于1 100 MPa，具有良好的抗挠动和抗疲劳性，可承受复合绝缘子的机械负荷.伞裙护套由高分子有机复合材料(高温硫化硅橡胶)组成，附着在芯棒外，保护内绝缘并提供足够的爬电距离.通用设计绝缘子串金具中第一金具多采用UB挂板或EBS挂板与铁塔连接，部分铁塔采用的连接方式为U型螺栓.根据挂点形式的不同，防风偏复合绝缘子与铁塔主要有两种连接方式：螺栓连接型(两螺栓或四螺栓)和单孔支座连接型，见图8.某个位于新疆三十里风区的输电线路应用防风偏绝缘子的情况见图9.

图8 防风偏绝缘子Fig.8 Windproof insulator

图9 大风区应用防风偏绝缘子的输电线路Fig.9 The application of windproof insulator on transmission line in strong wind area

大风区直线塔悬垂绝缘子串所受水平风荷载较大，考虑到目前防风偏绝缘子芯棒材料还不能承受较大的弯曲负荷，故目前防风偏绝缘子不宜用于大风区直线塔悬垂串.

4 结论

(1)在风速超过32 m/s时,V型绝缘子串背风侧A肢绝缘子串会长时间受压，压力使R型销失去对球头的限位作用，造成导线脱位，所以V型绝缘子串不宜用于风速超过32 m/s地区的输电线路.

(2)采用下方防风横担方案时，综合考虑防风横担承受拉线绝缘子串拉力的限值及绝缘子荷载等因素，可以确定绝缘子串的偏角φ的值，该防风方案宜使用于新建的大风区输电线路.

(3)防风偏绝缘子可有效解决大风区引流跳线的风偏问题，但目前在大风区直线塔悬垂串中的应用尚不成熟.

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Analysis and study of transmission line windproof measures in Xinjiang strong wind area

SHAO Junnan1,WEI Chong1,WANG Yan2

(1.HenanElectricPowerSurveyandDesignInstitute,Zhengzhou450007,China; 2.SchoolofElectricandInformationEngineering,ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007,China)

Due to the special topography and meteorological conditions,there are many strong wind regions in Xinjiang,the wind yaw flashover phenomenon of transmission line is quite often in strong winds area,wind yaw tripping rate is higher than the national average，strong winds was the main reason of wind yaw flashover. So it is necessary that the transmission lines in strong wind areas should take corresponding windproof measures. In this paper,combining with Xinjiang wind area factors such as wind speed and the transmission line parameters,the V-type insulator string wind cross arm and windproof insulator and several wind protection schemes are analyzed and compared. It is concluded that the characteristics of various wind protection and the applicable range are obtained,which could provide guidings to the strong wind area transmission line design.

strong wind area; windproof measures; stress analysis

2016-06-13

邵俊楠(1981-)，男，河南淮阳人，高级工程师，主要从事高压输电线路的设计与输电线路防灾减灾方面的研究.

TM75

A

1674-330X(2016)04-0045-04