关于特高压输电线路分支绕跳地线一处特殊缺陷的处置分析

朱昱龙

(安徽送变电工程有限公司,合肥 230012)

1 故障概况及应急处置

某特高压线路A相(右上相)故障跳闸,重合成 功,经带电查线发现,此特高压线路A#换位塔FHJ1-2至FHJ1-3绕跳地线在FHJ1-3塔地线挂点脱落,脱落点位于FHJ1-3大号侧地线预绞丝接续线夹连接点A相线夹出口1.5 m处,经现场查线,在绕跳地线的脱落端及该塔塔身处发现放电痕迹,清晰可见。

该段线路设计风速30 m/s,覆冰10 mm,采用8×JL/G1A-630/45导线,左侧地线为OPGW-240复合 光缆,右侧地线为LBGJ-240-20AC铝包钢绞线。A#塔采用分体式换位塔,塔型FHJ1,转角度数0°,导线下-中相、中-上相换相采用内绕跳方式,上-下相换相采用外绕跳方式。地线均按照绕跳方式设计对绕跳导线实现0°保护。A#号换位塔的3基换位分体塔中心连线垂直于转角平分线,每两塔之间按33 m布置。塔绕跳地线采用LBGJ-240-20AC铝包钢绞线,架线按孤立档设计。每根绕跳地线一端采用地线耐张串(ND1S、ND2S)与塔身连接,另一端采用预绞丝接续线夹(TJL-240AC)与OPGW或普通地线连接。此次发生断裂的位置为预绞丝,预绞丝作为受力载体,断裂形式为过载断裂,结合本次断裂时的大风蓝色预警信息,野外平丘地区局部会出现瞬时风速较大的可能性,顺线路方向的主地线在风荷载作用下产生风偏,加之预绞丝性能不佳,塑性(断后伸长率)低于标准值,导致预绞丝断裂,令FHJ1-2至FHJ1-3绕跳地线脱落,迅速摆向FHJ12塔身,在地线摆向塔身的过程中,其端部与下方A相大号侧导线间距不足,引起线路瞬时放电,造成跳闸[1]。

为保障输电线路安全运行,防止脱落绕跳地线在风力作用下向带电导线侧摆动再次造成跳闸事故的发生,经评估,拆除脱落绕跳地线不影响防雷屏蔽效果,故采用带电作业方式拆除脱落的绕跳地线。

2 原因分析

2.1 材料原因

特高压线路A#地线为铝包钢绞线,钢绞线型号为LBGJ-240-20AC,现场发生断裂部位的预绞丝型号为TJL-240AC,通过回收故障点位断裂预绞丝与一段铝包钢绞线进行材料及力学性能分析。

在预绞丝外观检查中,对铝包钢绞线的断口及尺寸进行观察发现,断裂的预绞丝均为45°斜断口,预绞丝故障点附近未见塑性变形,故判断预绞丝轴向拉应力发生了过载现象,导致预绞丝沿易断裂方向断裂。部分断丝存在烧熔情况,推测发生了故障短接,导致电弧灼烧了地线断裂点[2]。

在断口处微观检测中抽取断裂的预绞丝,采用Carl-Zeiss电子显微镜,对预绞丝断口处进行观察发现,断口裂纹处有部分韧窝,夹杂部分撕裂棱,断口表面河流花样短且弯曲,支流少,解理面小,周围有较多的撕裂棱,其中裂源向四周扩散,不连续,局部扩展。基于上述观测,判断断裂性质为准解理断裂。

在化学成分分析中截取部分预绞丝单丝进行打磨处烧熔理,采用便携式激光光谱仪对预绞丝进行材质分析,得出其为铝合金材质,样品成分符合《架空线路预绞式金具用铝合金线》NB/T 10305-2019中代号LHYJ1的成分范围[3]。

表1 预绞丝单丝成分检测结果

在单丝力学性能分析中检测故障处未受损的预绞丝单丝,结果表明,预绞单丝强度满足铝合金强度相关标准,但塑性远低于《架空线路预绞式金具用铝合金线》的标准要求,基于上述原因,判断为过载断裂。

表2 单丝性能特性

在其他检测中,对故障区段铝包钢绞线开展抗拉及抗压强度检测,检测结果均为合格。

经检测,此次绕跳地线预绞丝断裂原因为环境过载。

2.2 施工原因

研究设计资料并经计算得到断裂的地线长度为50 m,弧垂为5 m,地线型号为LBGJ-240-20AC,现场勘察得出地线的挂点高度相同,地线悬挂点张力为1 kN。比较地线断裂工况,计算出断裂的地线弧垂大约只有1 m左右,与设计弧垂偏差达4 m,由此判断弧垂过小造成预绞丝承受张力增加到5 kN左右。绕跳地线的施工弧垂太小,造成预绞丝承受的张力超过原设计值,这是造成预绞丝发生断裂及线路跳闸的次要原因[4]。

图1 预绞丝线夹设计安装Fig.1 Pre-twisted wire clamp design installation

2.3 设计原因

基杆塔的绕跳地线设计为预绞丝与主地线L型相连,预绞丝除受到轴向抗拉的作用力外,还受到横向上抗弯的作用力,在长期运行过程中极易造成受力疲劳并发生断裂。参照其他同类型杆塔的绕跳地线,设计采用十字形预绞丝方案更优【5】。根据上述力学试验及分析得出,预绞丝发生过载断裂主要原因是力学性能不满足规范要求,设计采用L型连接,地线的弧垂远小于设计弧垂,造成线路张力运行持续超过设计值。

3 方案拟定

3.1 临时方案拟定

临时方案采用绕跳地线(预绞丝区段)-U型索夹-钢绞加固线(LBGJ-240-20AC铝包钢绞线)-并沟线夹-主地线(或光缆)预绞丝区段-钢绞加固线(LBGJ-240-20AC铝包钢绞线)-U型索夹-分支塔绕跳地线的方式,对L型连接地线进行加固。

1)绕击防护说明。特高压A#塔为换位塔,塔型为 FHJ1-42,共分为3个小塔,小塔FHJ1-2 与 FHJ1-1 及FHJ1-3中心桩间距33～34.4 m,FHJ1-1与FHJ1-3地线横担为17.5 m。根据雷电监测预警中心计算结果,按电气几何模型、击距表征导线对雷电的吸引能力仅与雷电流幅值相关,假定导、地线击距相等,地面击距是对导线击距的β倍,如图2、图3、图4所示。其中,S为避雷器线,C为导线,圆弧AB为避雷线形成的击距圆弧,BE为导线形成的击距圆弧,雷电落在地(导)线击距圆弧区域,将击中地(导)线。击距与雷电流幅值满足rc=rs=AIB、rg=βrs,其中rc、rs 为导线与地线击距,rg为大地击距,A取10,B取0.65,β取0.8。

图2 绕跳地线未掉线处加固Fig.2 Reinforce of the jump ground cable where it does not fall

图4 十字预绞丝接续线夹Fig.4 Cross pre-twisted wire connecting clamp

由特高压A塔塔型结构可以看出,小塔FHJ1-1与FHJ1-3地线对中间区域形成保护。当雷电流I为12.6 kA时,地线击距rs为51.9 m,两个击距圆相切,恰好对中间形成完全屏蔽,小于12.6 kA的雷电才可能落入中间区域。根据运行经验,1000 kV线路绕击耐雷水平在20 kA以上,12.6 kA雷电不足以造成绕击闪络。雷电流大于12.6 kA时,两个击距圆相交,交点位于杆塔上方,理论上雷电无法从中间区域击中导线。

综上,中间区域靠FHJ1-1与FHJ1-3地线即可形成良好的屏蔽,FHJ1-2与FHJ1-3之间绕跳地线脱落不会致使中间区域导线遭受危险。

2)施工注意事项。图2中,加固点加装的并沟线夹只起固定绕跳地线与主地线(或光缆)的作用,不能施加锁紧压力,严禁压在主地线(或光缆)本体上,固定主地线(或光缆)时建议在主地线(或光缆)上缠绕一层胶皮进行保护,并沟线夹尺寸应与主地线及加固线匹配,钢绞加固线两端头需进行封口处理,以免绞线散股。

3.2 永久方案拟定

针对以上情况,初步拟有4个方案。

方案一:对原预绞丝接续线夹进行补强。在原有预绞丝接续线夹基础上继续采用预绞丝进行补强。补强后因预绞丝拉断力受单丝直径、缠绕工艺等影响,受力、强度不可控,治标不治本。

方案二:对原预绞丝接续线夹进行拆除后更换满足强度要求的预绞丝接续线夹。将原预绞丝接续线夹拆除,更换为满足强度要求的预绞丝接续线夹,受力、强度可控,但存在较长时间运行后疲劳断裂的可能性。

方案三:将分体式换位塔的绕跳地线均拆除,只留两根主地线。将绕跳地线都拆除后,导致耐张塔地线对跳线保护角不满足规程规范要求。

方案四:将原绕跳连接方式修改为十字型预绞丝接续线夹方式,绕跳地线不断开。采用十字型预绞丝接续线夹后,受力比原接续方案可靠,绕跳地线不断开后减少了单侧绕跳地线掉落的可能性。

从超特高压输电线路的安全性、技术可靠性、方案可行性、费用经济性等方面考虑,推荐方案四。

每基换位塔需更换LBGJ-240-20AC铝包钢绞线约350 m、地线耐张串8套、十字型预绞丝接续线夹4套。采用十字型预绞丝接续线夹具有相关型式试验报告,其强度及塑性(断后伸长率)满足相关要求,单侧预绞丝长度不小于2 m。

绕跳地线为LBGJ-240-20AC铝包钢绞线,架线按孤立档设计。绕跳地线按松驰应力挂线(不进行初伸长处理),初算绕跳地线架线弧垂见表3。

表3 绕跳地线架线弧垂

永久方案确定后,在此处超特高压输电线路停电检修期间,将A#杆塔原绕跳地线更换为整根式绕跳地线+十字型预绞丝接续线夹进行连接,对换位塔进行全面排查及巡视,消除隐患,线路安全稳定性得到了进一步提升。