220 kV架空线舞动跳闸分析及改进措施

赵士永

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司 河北唐山 063020）

引言

曹妃甸区某钢铁公司共配置4条220 kV进线架空线给2 座220 kV 站供电。2 座220 kV 站通过两回联络线实现环网运行，在其中一座220 kV 变电站2条进线全部停电的情况下，通过联络线与另外一座220 kV 站互为备用，保证了供电系统的稳定和连续性。作为公司重要的送电通道，这几条线路的安全运行直接决定着公司生产的安全顺稳运行。架空线出现故障跳闸将直接影响钢铁产量，严重时可能造成公司3座特大型高炉全部灌渣。

1 故障概述

2020 年2 月14 日，曹妃甸区域逐步出现冻雨、雨夹雪、大雪等恶劣天气并伴随强风降温过程，该过程中该钢铁公司4条220 kV架空线路因差动保护动作，顺序发生跳闸，最严重时4 条线路仅剩1 条线路，如果最后1条线路再发生跳闸，将直接造成公司高炉全部灌渣，长时间进入检修状态。

2 故障原因分析

2.1 气象原因分析

2020 年2 月14 日曹妃甸区域逐步出现冻雨、雨夹雪、大雪等恶劣天气并伴随强风降温过程。故障发生时当地气象条件：雨夹雪，气温-3°C，东北方7～8 级，空气相对湿度90%。在现场发现导线、绝缘子串表面有明显覆冰，本次发生舞动跳闸的4 条架空线走向为西北-东南布置，发生跳闸的瞬间风的走向与架空线的走向之间的夹角已经超过45°，此种风速及线路走向极易造成线路舞动。

2.2 舞动现象分析

覆冰、风的激励是导致舞动出现的主要因素[1]。

（1）覆冰

在风的影响下，导线上会堆积湿雪、霜淞及雨淞，覆冰现象随之出现，因此会导致舞动。降雨量、降雨方式与导线覆冰之间的关系密切，但温度变化同样会显著影响到导线覆冰，特别是在先雨后雪、温度从零上迅速降到零下等气温迅速下降条件下更易导致导线覆冰。导线覆冰通常呈各种不规则形状（D 形、扇形、新月形等[2]），冰的厚度不一，一般在数毫米至数十毫米之间（历史记录峰值曾经达到50 mm），也就是说，导线覆冰大多表现为不均匀状态。这种现象有利于导线空气动力性能[3]，此时如果受到风的激励，舞动现象即会出现。

（2）风的激励

舞动离不开风的激励[4]。冬、春（初春）时节，冷暖气流交汇会加大风力等级，输电线路如果处于风口、开阔、地势平坦区域且有导线（不均匀）覆冰现象[5]，那么在线路走向与风向呈≥45°夹角[6]、4～20 m/s 风速条件下，导线舞动易出现。最严重的舞动通常出现在线路走向与风向呈90°夹角时。究其原因，主要是由于风的分量（和线路走向垂直）愈大，愈易形成更加明显的导线（不均匀覆冰后）激励效应、导线因此获得的升力更强，系统线路会因此聚集起更充足的能量，线路不均匀覆冰条件下就会打破本来的系统平衡状态，舞动就此形成。

（3）线路结构及参数

导线的舞动同样会受到导线的档距结构、张力、型式、固有频率等技术参数的影响。

2.3 本次线路舞动过程分析

特殊的天气下导线覆冰，导线下方形成机翼构造冰凌→45°～90°风向吹向导线→机翼构造冰凌的机翼效应与重力、导线张力共同作用→导线形成荡秋千现象，加速导线的舞动。舞动没有统一性（各相线间），空气间隙有可能因此变得过于狭小，闪络跳闸随之出现。

2.4 分析结论

2月14日，220 kV线路故障跳闸期间，通过对线路舞动现实并结合现有理论分析，4 条220 kV 线路满足舞动发生的各项条件[7]，最终产生线路舞动跳闸事故。

3 线路舞动解决方案讨论

输电导线防止舞动主要从3 个方面解决，实质上就是：导线技术参数、风速和风向、覆冰与覆冰截面形态。针对这些方面，目前主要有3 种防舞动措施：

（1）采用导线覆冰预防措施，除冰，将舞动易形成的覆冰区避开。

（2）舞动抵抗力提升。即：基于导线参数指标调节与改变，将相关构件或设备（导地线等）的承载能力适当增加，或将杆塔档距适度缩小，也可以将耐张塔使用量适度增加。

（3）防舞技术与设备应用。如果是已建成运行线路，那么必须采用相应的防舞策略与设备来预防摆动，这种策略一般包括将各类防舞设备安装在线路上，以此对舞动幅度形成抑制，将舞动危害弱化直至消除，防舞目标即可实现。

4 确定整改方案

防舞策略因防舞途径不同而具有一定的差异性。

（1）基于导线特性改变进行舞动抑制的防舞策略[8]，整体式偏心重锤、双摆防舞器、失谐摆等防舞器即属此类[9]。

（2）基于不同防冰措施采用进行舞动抑制的防舞策略，使用防雪导线、低居里点合金套管等防舞器即属此类。

（3）基于沿档气流扰乱进行舞动抑制的防舞策略，扰流防舞器等防舞器即属此类。

（4）基于风动阻力提升进行舞动抑制的防舞策略，空气动力阻尼器等防舞器即属此类。

（5）基于导线自阻尼提升进行舞动抑制的防舞策略，终端阻尼器等防舞器即属此类。

（6）档距缩短、导线运行张力提升同样具有相应的抑舞作用。

根据以上防舞动策略，制定3 个方案进行对比（见表1），确定最终方案。

表1 解决方案对比

从电科院报告等调查数据分析来看，在220 kV紧凑型线路上更适宜于进行相间间隔棒安装配置，因此决定在公司220 kV 架空线加装相间间隔棒。采用绝缘棒机械连接回路或相间，以便对导线舞动进行约束，波节为其固定部位，舞动因此变成数个半波模式，随之即可弱化振幅，导线间短路预防目标即可实现。其实质上就是机械性地连接起每根导线，以便于每一根导线运行过程中均可互相约束，实现舞动抑制。相间间隔棒是一种合成绝缘结构，组成部分包括硅橡胶护套与玻璃钢芯棒[10]。间隔棒安装布置方法如表2和图1所示。

图1 间隔棒安装位置示意图

表2 相间间隔棒布置方法

5 结论

该4条220 kV高压架空线路是公司重要的供电通道，安全稳定与否直接关系到钢铁公司生产的安全与否，因此，高压电气装置维护管理的核心任务主要就在于迅速准确地分析架空线发生舞动跳闸的原因，并制定出切实可行的防舞动措施，以此为其稳定、安全运行提供基本保障。