输电线路风害的成因与运维防范对策的改进

2016-10-18吴濡生夏令志

电力安全技术 2016年8期

关键词：风偏跳线绝缘子

吴濡生，夏令志

（国网安徽省电力公司，安徽合肥 230022）

输电线路风害的成因与运维防范对策的改进

吴濡生，夏令志

（国网安徽省电力公司，安徽合肥 230022）

介绍了常见的输电线路风害故障类型，分析了国内风害故障的统计数据，剖析了最常见风害—风偏故障的事故成因，评估了目前常见防范对策的实施效果，提出了防范输电线路风偏故障对策的改进建议。

风偏跳闸；气象条件；飑线风；杆塔空气间隙

0 引言

风是输电线路遇到频率最高的一种天气现象，风害故障是最常见、最难以杜绝的输电线路故障之一。电网电压等级越高，对风的敏感度就越强，风害导致的输电线路故障也会越多，后果也就越严重。

1 输电线路风害的类型

输电线路风害是指在大风、微风振动甚至叠加覆冰舞动等作用下，导致线路跳闸、停运以及部件损坏等事件，按照故障类型可分为风偏跳闸、绝缘子和金具损坏、导地线断股和断线、杆塔损坏等。

（1）风偏跳闸是输电线路风害中最常见的类型。风偏跳闸是指导线在风的作用下发生偏摆后，由于杆塔空气间隙电气安全距离不足而导致的放电跳闸。风偏跳闸是在工作电压下发生的，重合闸成功率较低，严重影响供电可靠性。若同一输电通道内多条线路同时发生风偏跳闸，则会破坏系统稳定性，严重时会造成电网大面积停电事故。除跳闸和停运外，导线风偏放电还会造成金具和导线损伤，带来线路安全隐患。

（2）绝缘子和金具在微风振动和大风的作用下会发生金具磨损和断裂、绝缘子掉（断）串、绝缘子伞裙破损等情况，引发线路故障。

（3）导地线在微风振动和大风作用下摆动会造成疲劳损伤，发生断股和断线故障。断股是指导地线局部绞合的单元结构（一般为铝股）损坏。由于钢芯一般仍然完好，因此断股不易被及时发现。断线则是导地线的钢芯和导体铝股完全被破坏。当断股达到一定数目时会对线路安全运行造成影响，断线时则会造成停运。

（4）舞动是线路导地线不均匀覆冰后，在稳定的风向、风速作用下，产生的导地线以一定频率和波幅舞动的现象，会引起导地线接近而跳闸，也可能造成金具疲劳断裂或磨损、绝缘子伞裙破损等，甚至会造成倒塔断线。

（5）倒塔是风害事故能引发的最严重后果，会造成输电线路长时间故障停运，且需要消耗大量的人力、物力进行恢复。受自然灾害的影响，输电线路的倒塔次数和基数呈现增长趋势。1989-08-13，华东电网某500 kV线镇江段4基杆塔倒塔；1998-08-22，华东电网某500 kV线江都段4基杆塔倒塔；2000-07-21，吉林电网10基500 kV线路杆塔因遭受龙卷风、暴雨和冰雹侵袭发生倒塔；2005-06-14，江苏泗阳500 kV任上5237线发生风害所致倒塔事故，一次性串倒10基输电塔。

2 输电线路风害事件统计分析

据不完全统计，国内某区域2010-2014年110（66）kV及以上输电线路共发生风害故障769次，其风害故障分类结果见表1。从表1中可以看出，风偏跳闸为风害故障的主要类型，5年间区域线路共发生688次风偏跳闸故障，占风害故障总次数的89.47 %。

表1 某区域110（66）kV及以上线路风害类型统计

2011-2015年期间，某省220 kV及以上线路共发生风偏跳闸16次，占跳闸总数的5.2 %；重合成功1次，重合成功率仅为6.3 %。风偏跳闸数统计如图1所示。

图1 某省2011-2015年220 kV及以上线路风偏跳闸数统计

（1） 2011年，该地区发生风偏跳闸11次，重合成功1次。其中，500 kV线路跳闸6次，220 kV跳闸5次。故障主要原因为7-8月该地区多次出现超线路设计条件的强对流大风。

（2） 2012年，该地区发生风偏跳闸2次，重合成功0次。

（3） 2013-2014年，未发生220 kV及以上线路风偏跳闸。

（4） 2015年，风偏跳闸3次，重合成功0次。其中，500 kV线路跳闸3次，故障主要原因为受台风“苏迪罗”影响，局部风速超线路设计风速。

在2011-2015年期间，某省500 kV线路风偏跳闸11次，占跳闸总数的68.75 %；220 kV线路风偏跳闸5次，占跳闸总数的31.25 %。

造成该省风偏跳闸的主要外部原因为受飑线风影响。飑线风的风速从地表开始向上急剧增大，大多在距离地面约70 m高度时达到最大，然后随着高度的增加迅速减小。500 kV线路杆塔较高，在杆塔高度上风速较大，是导致500 kV线路风偏跳闸率高于220 kV线路的重要原因。

3 输电线路风害故障的成因

3.1 设计气象条件的选取

风偏跳闸的主要原因为局部风速超过输电线路设计风速。500 kV输电线路的设计风速一般为27 m/s（10 m基准高，下同），220 kV输电线路的设计风速一般为23.5 m/s。受台风、龙卷风、飑线风的影响时，瞬时风速一般在11级以上（大于32.6 m/s，局部地区甚至超过35 m/s）。在超设计大风的作用下，绝缘子串的风偏角增大，导致导线与杆塔的距离没有满足安全距离的要求，最终发生放电。

国内的研究表明，强风是导致风偏放电的直接原因，设计时对恶劣气象估计不足、设计风速和风压不均匀系数的取值等都是风偏故障的重要影响因素。另外，由于飑线风、台风均伴有雷暴雨，导致空气绝缘强度降低，导线与杆塔间隙的工频放电电压会进一步降低，增大风偏跳闸的概率。国内输电线路以10 min平均风速来确定最大设计风速，对瞬时风速影响估计不足，导致相同统计资料下所得的最大风速统计值明显低于国外。例如，日本在新修订标准中以距地面10 m高处50年一遇最大瞬时风速（3-5 s平均风速）作为设计基准风速。此外，国外在选取风速高度换算系数、风压不均匀系数和微地形影响等参数时会留有一定的裕量。

根据近年来的运行经验，由于环境和气候的变化，局部微地形、微气象条件也常常发生变化，线路设计时依据的气象资料常常不能反映当时运行气象条件，局部产生飑线风、龙卷风的几率也有所提高，线路产生微风振动乃至覆冰舞动的范围也在不断扩大。

3.2 对环境条件的变化跟踪防范不及时

对于线路周围气象条件、通道环境发生的变化，若不及时跟踪并采取防范措施，也可能会造成风害故障。

2010年，某地区220 kV水越I线108号至109号段风偏放电，通道左侧边坡新生竹子有折断现象，并且地面有烧灼痕迹。发生这起故障的原因是运维单位未及时清理新生竹子，导致线路风偏后对竹子放电跳闸。

2013年，某地区500 kV东锦二线C相发生风偏跳闸。故障巡视发现，东锦二线1号至2号段C相导线有明显放电点，对应外侧水平距离7.6 m处1棵树木有烧灼痕迹。究其原因，是线路运维人员没有及时清理保护区内高大树木，导致导线在大风作用下风偏后对树木放电。

3.3 隐患排查整改不全面

隐患排查不全面是风害的主要影响因素之一，主要体现在以下2个方面。

（1）未按照最新《风区分布图》开展隐患排查和整改。《风区分布图》是根据气象部门资料和输电线路运行资料绘制而成，是输电线路防风设计和改造的重要依据，设计或运维阶段的排查整改不全面都将导致线路运行存在安全隐患。

（2）线路日常运维中隐患排查开展不到位，未能及时发现并纠正线路金具磨损、绝缘子伞裙破损、销子松脱等隐患或缺陷，导致在长期风力作用或大风情况下发展为故障。2010-10-20，某地区330 kV龙乌线故障跳闸，重合不成功。故障巡视后发现，龙乌线169号直线塔（型号ZM3-37）左相第24片瓷质绝缘子钢脚与双联碗头脱开，导致导线脱落地面，经分析确认是大风导致绝缘子钢脚与碗头脱离，造成掉线故障跳闸。当地常年为大风天气且风力较大，导线振动严重造成绝缘子弹簧销失效，隐患未能及时排查整改，最终造成故障。

4 风害防范措施的评估与建议

4.1 目前常用的防范措施

目前的风害防范措施主要体现在线路运维阶段，有以下几种。

（1）对调爬或改用加长型合成绝缘子的交直流线路，结合该区域气象条件全面校核风偏间隙。

（2）对故障的耐张塔跳线和其他转角较大的无跳线串的外角跳线，加装跳线绝缘子串和重锤。

（3）对故障的直线塔绝缘子串加装重锤。如单串加重锤后仍不符合要求时，可将其改为双串倒V型以便加装双倍重锤，减少强风时导线风偏角及悬挂处的扭转，确保间隙足够。

（4）加强线路走廊障碍物的检查清理，档距中的树木、边坡等亦应进行风偏校验，消除隐患。

4.2 防范对策运用效果的评估

以上常规措施在一定程度上可以有效减少风偏故障的发生，但风害故障率仍呈波浪式变化，尤其是出现飑线风、龙卷风等突发性恶劣天气时故障会增多。据统计，某区域系统500（330）kV及以上线路，2014年共发生风害跳闸42次，2015年共发生风害跳闸136次。2015年风害跳闸事故相比2014年增加94次。

风害故障大幅增加的原因有以下几点。

（1） 2015年沿海地区台风强度和影响范围大大超过2014年。其中“灿鸿”、“苏迪罗”、“杜鹃”等台风登陆强度大，给电网运行造成了巨大的影响。2015年仅福建电网220 kV以上线路就因风害跳闸53次以上。

（2）受强“厄尔尼诺现象”影响，2015年全国大风、冰雹、龙卷风、雷电等局部强对流天气频发，西北、华北地区也频发地方性大风。陕西电网共发生7次330 kV线路风害跳闸，山东电网110 kV以上线路共发生13次风害跳闸。

风害故障增多表明输电线路在抵御台风、飑线风等强风能力上仍存在许多不足，主要反映出以下4个问题。

（1）气象监测能力不足。风速的监测，尤其是微地形地区的风速监测，能够为故障原因分析提供确凿依据。实测风速能指导风区图的修编，对线路的设计及后期的运维具有积极意义。但实际中大部分风力观测装置安装在城区内（气象部门监测点），同时杆塔上的风速监测点与故障发生处相距甚远，所测的风速不能反映故障点的实际情况。

（2）微地形地区的防风设计有待改进。从近年的强台风情况看，发生台风灾害的杆塔主要集中在峡谷其及附近的山顶等地方，实际的风速远大于设计风速。此类微地形的风速修正还有待改进。

（3）跳线风偏跳闸现象主要发生在“干”字型塔上，边相多于中相。近几年安装的跳线普遍较长，跳线弛度太大，特别是加装了跳线绝缘子的相别，绝缘子两侧的跳线均呈“W”型，而耐张塔中相跳线绝缘子两侧的跳线最低点均低于耐张串的水平高度，使跳线在风力作用下更容易并生摇摆或跳动，缩短了空气间隙，导致线路跳闸。

（4）输电线路隐患的管控不足。由于施工及运维等诸多方面的原因，部分线路对树木、边坡等距离不满足最大的风偏距离校验要求，存在风偏隐患。大气污染造成放电气隙降低也是其中需要考虑的因素之一。

4.3 防范对策的改进建议

（1）加强气象监测。加强线路所经区域气象及风害故障资料的收集，充分利用微气象在线监测装置，监测线路走廊内的气象资料，弥补气象部门台站监测的不足。

（2）开展风速高度换算系数、风压不均匀系数和微地形影响等风偏设计参数的研究。开展不同地形特征下不同高度的风况观测，分析研究其间关系后确定风速高度换算系数、风压不均匀系数等设计参数；研究地形对风向与水平面夹角大小的影响；研究微地形特征对风速大小的影响；探讨设计中气象条件的选定条件（各种不利气象条件的组合等）。

（3）改进风偏校验方法。注意微地形、微气象条件的设计和校核风速选取，注意跳线的风偏校核。同时，考虑到飑线风、龙卷风等强对流天气的突发性，建议选取最大瞬时风速作为线路电气间隙校核时的风速取值。

（4）加强防风偏绝缘拉索、复合横担等新型防风害措施的推广应用。传统加挂重锤的方法防治风偏效果有限，且受塔型影响较大。目前，国家电网公司在部分省份开展了防风偏绝缘拉索设计、安装方法和应用方面的试点工作，取得了较好的效果，有很大的推广价值。

（5）加强全过程隐患排查管控。

① 在设计阶段，应加强基建项目技术监督、图纸审查，提前预防控制风害隐患。同步开展基建新建线路防风害隐患排查，及时开展线路防风偏校核，发现问题及时进行整改。

② 在施工验收阶段，提高施工质量，加强施工验收，严格执行线路验收标准，确保螺栓、销子等部件安装到位、工艺符合规范要求。加强对跳线施工质量管控，应按照跳线设计弧垂进行现场实际测量放样安装及验收把关。加强新建线路与各类跨越物（构筑物、公共设施、树木、边坡等）距离的验收把关，精确测量净空距离，校验最大风偏距离，确保满足规范要求。

③ 在运维阶段，严格按照《风区分布图》开展隐患排查，对设计风速不满足《风区分布图》要求的杆塔进行风偏和杆塔承载能力校核。根据校核结果制定治理计划，采取加装重锤、防风拉线、防风偏绝缘子或V型串改造等综合防范措施，并定期检查防风设施、跟踪治理效果。加强山区线路大档距的边坡及新增交叉跨越的排查，对影响线路安全运行的隐患及时治理。对强风地区、台风地区、微地形微气象区域以及发生过风害事故的地区，宜安装微气象、视频、振动等在线监测装置。