张 健 ,李小亭,张 博,徐玉波,周文武,江 岳,刘美瑶
(1.国网新疆电力有限公司建设分公司,乌鲁木齐 830001;2.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司,西安 710075;3.西安交通大学 土木工程系,西安 710054)
近年来,新疆电网多次发生线路覆冰跳闸故障。2014 年11 月27 日,750 kV 库巴Ⅰ线连续发生2 次跳闸故障;2015 年11 月22 日750 kV 达吐Ⅰ线连续5 次发生跳闸故障,其中3 次重合成功,2 次重合失败;2016 年11 月至12 月期间,750 kV 乌达Ⅰ,Ⅱ线共跳闸4 次,750 kV 芨塘Ⅰ,Ⅱ线跳闸2 次,750 kV 凤亚线跳闸1 次;2018 年3 月3 日,750 kV 伊苏线发生跳闸[1]。
对这几次跳闸故障进行分析后发现,跳闸故障点均在山区爬坡段,且与导线、地线覆冰有关[2]。现场调研结果表明,导、地线单档内覆冰形态非均匀,虽局部覆冰厚度超设计条件,但整档覆冰荷载并未超杆塔条件,也未引起杆塔变形或屈服破坏。覆冰跳闸重合闸不成功说明跳闸是由于导、地线之间的静态接近距离不够所引起。国内外关于单档非均匀覆冰下导、地线静态距离的研究较少[3-6],但通过实例分析发现,此情况引起的线路覆冰跳闸较多。
新疆地区资源丰富,电力外送通道众多,随着“西电东送”战略的进一步实施,将会有更多的超、特高压输电线路经过覆冰、高海拔等环境复杂地区,电网覆冰灾害问题也将更加突出[7]。对于不断推进的电网建设,现有规程规范并未对导、地线单档不均匀覆冰下导、地线最小接近距离作出规定,而由此导致的跳闸事故占比较高,尤其在翻越山峰的爬坡地带应更加重视此种情况下的间距校验。
本文对新疆750 kV 线路近年来发生的跳闸事故进行总结和分析,研究覆冰跳闸故障发生的原因,提出校核导线脱冰、地线高悬挂端覆冰下导、地线最小接近距离的必要性,从而有针对性地提升750 kV 线路的抗冰能力。
近年来新疆地区750 kV 电力线路发生的典型覆冰跳闸故障的原因分析和整改方案如表1 所示。
初步对比这几起覆冰跳闸故障可以发现有以下几个特点:
(1)引起跳闸的故障档往往处于山地或者翻越山峰的爬坡地带,地形环境决定了线路的档距和高差均较大,档距从400 m 至1 120 m 不等,高差从30 m 至110 m 不等。
表1 近年来新疆地区750 kV 线路覆冰跳闸故障情况统计
(2)故障线路段的局部覆冰厚度往往超出了设计覆冰厚度,而且受微地形和微气象的影响,同一档的不均匀覆冰情况较为常见,导线在覆冰的同时还承受速度为3~6 m/s 的风作用。
(3)跳闸故障的主要原因是局部导、地线间距离不足而导致的放电。而造成导、地线间距离不足的主要原因有:地线覆冰造成地线弧垂迅速增大;导、地线的不均匀覆冰造成二者的弧垂最低点发生偏移;导、地线脱冰跳跃。
工程实践中往往关注导、地线之间的间距是否满足安全间隙的要求:在不同期脱冰时,导线脱冰后与地线静态接近的距离不应小于操作过电压间隙值;导线脱冰跳跃时,与地线在档距中的动态接近距离不应小于工频电压间隙值[3]。
导、地线接近距离按连续档的中间档导线脱冰、其余档导线和地线不脱冰计算。中间档的脱冰率宜根据运行经验确定,当缺乏资料时,对110~220 kV 重冰区线路可选不小于设计冰重的60%,110~220 kV 中冰区线路可选不小于设计冰重的50%,330 kV 及以上重冰区线路可选不小于设计冰重的80%,330 kV 及以上中冰区线路可选不小于设计冰重的70%[4]。
20 世纪50 年代,前苏联曾进行过小比例的模拟试验[8],得到孤立档全部掉冰后导线可能的跳跃幅值计算公式为:
式中:H 为导线可能的跳跃幅值;l 为档距长度;m 为导线截面校正系数,可取为0.5~0.9(较小的数值用于比较小的导线);Δf 为覆冰时及脱冰后的弧垂差值。
Morgan 等人在60 年代初建立5 档132 kV 铁塔实际模型,在导线中央附着重锤模拟覆冰,并通过控制器释放重锤模拟脱冰跳跃[9]。通过Morgan的研究,脱冰跳跃电线超过挂点的高度yH与覆冰档档距l、覆冰最大弧垂fH、脱冰跳跃中档距增大值XH、弹性模量E 有关,计算公式为:
日本电源开发公司在500 kV 天贵线咨询设计时,曾介绍过日本类似的计算公式[4]如式(3)所示,该公式系理论探讨公式,无试验依据。
式中:K1为多档(非孤立档)系数;K2为线路参数影响系数,一般为0.5~1.0。
重庆大学利用有限元模型,分析了不同档数、档距、高差、脱冰位置、脱冰档数、脱冰率、覆冰厚度等对输电线路冰跳的影响,包括冰跳高度随时间的变化规律、导线脱冰后的运动轨迹以及相邻档张力差的变化等,通过对有限元模拟计算结果的分析,给出了计算连续档脱冰跳跃高度的经验公式[10-11]:
式中:σ0为导线自重下的初始应力。
新疆地区近年来的覆冰与脱冰事故中,1 起由覆冰超设计条件引起,1 起由脱冰跳跃引起,1起由舞动引起,2 起由地线单档不均匀覆冰引起。现行规范限定了导线脱冰与地线的静态接近距离和动态接近距离[3],在舞动区规定了防舞措施和校验方法[12-13]。关于地线单档不均匀覆冰下的研究较少,尤其是在翻越山峰的爬坡地带,由于空气中液态水含量随高度的增加而升高,因此电线悬挂点越高,雾凇越严重,在覆冰重压下,地线弧垂最低点向高悬挂端偏移,导致导、地线安全距离不足,引起跳闸。
以750 kV 乌达Ⅰ线为例,80—81 号段距离81 号杆塔约180 m 处A 相(右上相)发生覆冰闪络放电,导致跳闸,重合闸不成功。本线路全长97.93 km,铁塔202 基,线路001-092 号同塔双回路架设,导线采用LGJ-400/50(安全系数2.5),地线采用JLB20A-120(安全系数3.5),设计风速30 m/s,设计覆冰厚度10 mm,导、地线垂直挂点间距11.254 m,水平偏移2.1 m。耐张段79—85 号档距分别为579 m,1 116 m,904 m,607 m,781 m,158 m,导、地线悬点高差分别为+195.0 m,+106.5 m,-97.8 m,-17.6 m,-25.1 m,+1.75 m。事故区段80—81 号段位于乌鲁木齐市水磨沟区,属天山山脉,海拔高度1 360 m,地形为翻越山峰的爬坡地带。
事故导线闪络点现场情况和地线覆冰形态如图1 所示,其中导、地线放电导致导线出现断股并灼伤,地线覆冰长度约为409 m,覆冰地线直径约61 mm,经换算覆冰厚度约为15.7 mm,导线脱冰率取80%。
图1 导线放电点及地线覆冰形态
按照GB 50545—2010《110 kV~750 kV 架空输电线路设计规范》相关规定,导线与地线档距中央的距离S 在大气过电压(气温+15 ℃,覆冰0 mm,风速0 m/s)下需满足S≥0.012l+1 m。750 kV乌达Ⅰ线耐张段79—85 号段导、地线弧垂和间距如表2 所示。
表2 79—85 号段导、地线弧垂和间距
从表2 中可以看出,79—85 号段导、地线间距满足S≥0.012l+1 m 的要求,满足设计规范。
根据80 号及81 号杆塔的塔头尺寸,假设导线100%脱冰,计算导、地线最小距离为操作间隙(4.15 m)时的地线覆冰(均匀覆冰)厚度,结果如表3 所示。
表3 导、地线距离为操作间隙时地线允许冰厚
根据表3 中的数据,地线均匀覆冰条件下,如导线无冰,地线及光缆覆冰厚度需大于31.5 mm 才会导致导、地线间距小于操作间隙,而根据现场勘查及计算,地线上的覆冰约15.7 mm。
按重庆大学的方法计算[10-11]:在不同期脱冰时,导线脱冰后与地线在档距中央静态接近的距离为11.29 m;导线脱冰跳跃时,与地线在档距中的动态接近距离为7.16 m。按照脱冰跳跃模型,闪络的位置最容易发生在弧垂最大点,但现场覆冰不足以在脱冰跳跃情况下发生闪络,且发生闪络的位置并未在弧垂最大点。
综上所述,原设计方案满足现行规范要求。
为模拟地线覆冰形态,本文利用ANSYS 软件中的杆单元LINK10 模拟导、地线,LINK10 是一种带预应力的直线单元,可承受轴向拉力,每个节点有X,Y,Z 三个方向的自由度,并且可通过施加初始应变的方式进行迭代找型[14-15],使找形完成后的导线在自重荷载作用下保持形状不变。通过R 命令定义实常数实现对单元施加初应变,初应变ε 的计算公式为:
式中:σ 为电线应力;J 为电线张力;A 为电线截面积。
对于覆冰模拟,一般选择附加冰单元法[16]和改变密度法[10],本文通过在节点处施加等效集中力来模拟覆冰。导线脱冰、地线高悬挂端覆冰下的导、地线形态分布如图2 所示。
图2 导线脱冰、地线高悬挂端覆冰下的导、地线形态分布
从图2 中可以看出,导、地线最小间距由挂点位置向地线覆冰端偏移,出现在81 号小号侧约204 m 处,间距为5.86 m。当导线脱冰率达到93%时,此间隙将小于操作间隙4.70 m,考虑到放电的随机性,放电位置与现场情况基本吻合。
通过分析可知,发生工程闪络是由单档不均匀脱冰引起,而重合闸不成功是由导线脱冰、地线单端覆冰所引起。因此,在线路爬坡地带中,现行规范考虑的脱冰模型与实际情况不一定相符,仍需校验地线高悬挂端覆冰情况下的静态接近距离。
通过本文的分析,得出如下结论:
(1)750 kV 架空线路覆冰跳闸主要发生在山地或者翻越山峰的爬坡地带,由单档不均匀覆冰导致导、地线局部静态距离不足而引起。
(2)高悬挂端覆冰下,弧垂最低点上扬并向高悬挂端偏移,导致高悬挂侧导、地线间距减小。
(3)导线脱冰、地线高悬挂端覆冰下的导、地线最小接近距离小于规范要求的静态接近距离,线路设计中应重视此种情况下的间距校验。