220 kV双分裂小四甲线粘连原因分析及防治措施

何帅，王晓康，王景，邰晨凡

(国网宁夏电力有限公司吴忠供电公司，宁夏 吴忠 751100)

随着大容量远距离输电的发展，需要在提高输送容量的同时，降低输电线路的电抗，减少电晕损耗，减少对无线电通讯的干扰影响，工程上采用分裂导线[1]来解决此问题。每相导线分裂成多根方式来相应增大每相导线的等效直径，达到降低电场强度的效果，从而减少线路的损耗和对无线电、通讯线路的干扰，增加线路对地电容和线间电容，提高功率因数，减少压降。

双分裂输电线路通常采用水平排列、垂直排列以及不平衡斜向排列方式。垂直布置的双分裂导线，在不加间隔棒的情况下，有效地避免了导线舞动造成的相间故障，但是在高温天气下，随着输送负荷的骤增，如果子导线间距离选择不符合要求，在上下子导线张力不平衡和风力作用下[2]，子导线间很容易出现粘连现象。

1 故障基本情况

某220 kV变电站小四甲乙线为某铝业集团集中供电，输电线路采用同塔双回双分裂垂直布置，现已运行超过13年。2018年6月10日，对220 kV小四乙线进行综合自动化改造，双回线路负荷全部由220 kV小四甲线供电，小四甲线全长3.578 km，共12级杆塔。当日，地表气温30 ℃，小四甲线电流1 108.4 A，线路输送有功功率423 MW，无功功率144 var，功率因数0.95。导线型号2×LGJ-400/35，实际截面425.24 mm2，单位长度重量1 349 kg/km，额定持续最大电流835×2A。实测8号与9号杆塔之间分裂导线间距最小为270 mm，远小于标准要求的400 mm。

1.1 导线粘连及异常声响

2018年6月10日12时44分发现该条线路多处发生导线粘连现象，其中8号塔与9号塔之间导线粘连比较严重，导线弧垂最低点粘连最严重，向两侧杆塔方向逐渐减弱。在此档内均匀选择6个测点，粘连后子导线间距测试结果见表1。

8号至9号塔之间双分裂导线发生粘连，之后分开，随后再粘连，再分开，此过程循环重复发生，伴随有瀑布般的异常响声。

表1 8号塔至9号塔之间双分裂子导线间距

1.2 导线温升

对8号至9号塔之间的导线均匀取点进行红外测温，环境温度为30 ℃，负荷为422 MW时，各相子导线粘连处与未粘连处的红外测温情况见表2，并根据表2画出折线图，如图1所示。

表2 220 kV小四甲线8号至9号杆塔各测试点红外测温

图1 各测点温度变化折线

由表2可见，粘连部分较未粘连部分产生较大温差。两子导线粘连部分中轻微粘连处温度最高，较未粘连处温差最大为24.2 ℃，粘连紧密处较未粘连处温差最大为18.8 ℃，轻微粘连处温度更高。

双分裂导线发生粘连后，改变了磁场分布，与未粘连相比，等效减小了导线半径。导线电阻发热计算公式[3]如下：

(1)

式中：ρ—导线电阻率，Ω·m；

L—导线长度，m;

S—导线截面积,m2;

I—导线流过电流,A;

t—时间,s。

导线粘连后等效截面积S减小，粘连部分电阻增大，导线发热量增大，因此造成粘连部分导线的温度升高。

2 双分裂导线粘连原因分析

2.1 发热造成子导线间距缩短

双回线路单回运行，电流增大导致线路发热，温度变化会引起导线热胀冷缩，从而影响导线弧垂。温度升高导线伸长量增加，造成弧垂增大，档距越大时效果影响越突出。

导线弧垂计算公式为

(2)

式中：G—导线每米质量，kg/m；

L—档距，m；

T—导线张力，kg。

上子导线在电磁引力作用下的弧垂为

(3)

下子导线在电磁引力作用下的弧垂为

(4)

由式(3)和式(4)可以看出,上子导线的弧垂大于下子导线弧垂[4]。当上子导线的温度升高，它的弧垂会增大，与下子导线间距离缩短。由式(1)可以看出，子导线间距缩短又会增大导线的温升，从而形成恶性循环。

2.2 电磁力大于重力时发生粘连

垂直分布双分裂导线粘连，是作用于导线的各力在某些时刻达到了平衡的状态。对下子导线进行受力分析，导线单位长度间的张力为水平方向，导线垂直方向作用力主要是静电力、电磁力和重力。计算表明导线的静电力较小，可以忽略不计[5]。子导线所受电磁力如图2所示。

图2 双分裂导线电磁力

双分裂导线的电磁力可按公式(5)计算[6]。

(5)

式中：F—分裂子导线之间的电磁力，N；

μ0—磁导率，μ0=4π×10-7N/A2·m；

I1、I2—上下子导线流过的电流，A；

L—导线长度,m；

d—上下子导线的间距,mm。

μ0和L固定不变、I1和I2近似相等[7]，则有：

(6)

由式(6)可知，电磁力F与电流平方成正比，与子导线间距成反比。

当单位长度导线所受电磁力等于重力时，可得：

(7)

小四甲线负荷电流为1 108.4 A，代入式(7)可得d=37.13(mm)，下子导线所受电磁力的最大值和重力相等。当上下子导线由于长期大负荷运行发热，上下弧垂产生差异，上下子导线间距缩小，外界风力作用下，间距小于这一距离时，电磁力大于重力，子导线间就会发生粘连，但粘连状态非常脆弱。电流I随时间成50 Hz频率变化，电流平方按100 Hz频率变化，由式(6)可知，下子导线所受电磁力随时间按100 Hz频率变化，如图3所示。

图3 下子导线受力波形

每周期内电磁力大于重力时(T1时间段内)，下子导线即会向上运动；电磁力小于重力时(T2时间段内)，下子导线又会向下运动。因此，子导线间以100 Hz频率粘连和分离，会产生100 Hz频率异常声响[8]。这种鞭击粘连会造成子导线表面磨损，影响导线寿命。

2.3 导线粘连过程仿真分析

对小四甲线两种不同距离双分裂状态进行仿真，得出上下子导线不同间距时每米下子导线的电磁力受力曲线和上下子导线周围的磁力线分布情况。

2.3.1 子导线间距420 mm

分裂线正常间距420 mm，小四甲线负荷电流1 108.4 A，频率100 Hz下，仿真下子导线电磁力曲线见图4。小四甲线每米下子导线所受电磁力最大值为1.18 N，小四甲线每千米导线质量为1 349 kg，下子导线受到的拉力小于线的重力，所以小四甲线在距离420 mm时不会出现粘连。子导线周围电场分布均匀，不会发生电晕，发热较少。

(a)电磁力曲线

(b)磁力线分布

2.3.2 子导线间距60 mm

分裂线距离缩小为60 mm，在小四甲线负荷电流1 108.4 A，100 Hz频率下仿真下子导线电磁力曲线，见图5。小四甲线每米下所受电磁力最大值为6.4 N，小四甲线每千米导线质量为1 349 kg，下子导线受到的拉力小于线的重力，所以小四甲线在距离60 mm时不会出现粘连。子导线间电场畸变，可能产生电晕，发热增加。

(b)磁力线分布

下子导线在不同距离下所受最大电磁力变化曲线见图6。由图6可知，下子导线所受最大电磁力随上下子导线间距缩短急剧增大。受导线外径限制，上下子导线仿真最小间距为60 mm，但由式7计算可知，当上下子导线间距小于37.13 mm时，下子导线所受电磁力大于重力，上下子导线可能发生粘连。

图6 最大电磁力随距离变化曲线

3 双分裂导线粘连防治措施

针对小四甲线粘连紧急情况，现场进行了人工带电作业，人工将上下子导线分离。分离后上下子导线不再粘连，说明上下子导线间距只有缩短到一定程度时才会发生鞭击粘连。

根据以上双分裂导线粘连原因及现象分析，建议采取以下措施预防和治理双分裂导线粘连：

(1)尽量避免双分裂导线负荷突然增大，依据本条导线负荷情况分析，一旦超过2条子导线总负荷的66%[9]，有可能发生分裂导线粘连的现象。

(2)根据人工带电作业将子导线分开后测得的子导线间距显示，弧垂最低点间距270 mm<400 mm,不符合架空送电线路设计技术规程[6]要求，子导线间距过小也是造成粘连的重要原因。在运行过程中，应按要求及时测量子导线间距，通过调整悬垂线夹间距，在耐张杆塔使用延长金具[10]，使下子导线微量增长或改用大分裂金具等措施增大子导线间距。

(3)对于已经发生粘连的线路，可进行人工带电作业，通过绳梯攀登到弧垂最低点，人工将子导线分离。负荷稳定后，不会再发生导线粘连现象。

4 结 论

通过对220 kV双分裂导线小四甲线的粘连情况分析，针对小四甲线粘连之后导线温度上升、异常声响原因、下子导线的受力分析，得出：

(1)粘连导线温度与未粘连导线温度比较，温度升高是因为双分裂导线等效截面下降。

(2)双分裂导线存在的异常声响是因为存在着100 Hz粘连与分离的交换过程。

(3)分析下子导线的运动过程，只有在高温环境下负荷骤增，导线发热，上下子导线不平衡伸长，再有外界风力作用下，导线间距小于37.13 mm时，上下子导线才可能发生粘连现象，且这种粘连现象是运动的鞭击粘连，因此会对导线产生较大的磨损。