张振泉，张 东，李晓光，董新胜，杨肖辉，陈艳超

（1.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830000；2.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；3.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐830011）

一起750 kV输电线路风偏跳闸原因分析及改造措施研究

张振泉1，张 东2，李晓光2，董新胜2，杨肖辉3，陈艳超3

（1.国网新疆电力公司，乌鲁木齐 830000；2.国网新疆电力公司电力科学研究院，乌鲁木齐 830011；3.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐830011）

通过一起750 kV输电线路风偏跳闸事故，首先采用解析法对杆塔风偏后电气间隙距离进行了计算，得出引起跳闸的危险风偏角。然后根据规程法对风偏角进行了计算，计算结果表明，31 m/s设计的杆塔风偏安全裕量不足，其裕量仅为5°，在1.1倍设计风速下就会发生风偏闪络。最后根据现场在线监测装置监测风速的标准风速和极大风速进行对比，认为引起输电线路风偏跳闸的原因主要是极大风速。对于需要进行防风改造的杆塔，分析了各种防风偏措施及其适用范围，建议采用加装防风偏拉线的解决措施，以提高输电线路的抗风能力，提高电网的安全运行水平。

风偏；跳闸，危险风偏角；标准风速；极大风速；防风拉线

0 引言

新疆北倚阿尔泰山脉，南临喀喇昆仑山脉，中部横隔天山山脉，塔里木盆地和准噶尔盆地分别位于天山南北，三大山脉和二大盆地的地形造成新疆八大风区[1-4]。因此造成新疆输电线路风偏跳闸事故较多，例如2014年4月22日夜间到24日，受强冷空气影响，北疆各地、天山山区、哈密等地出现伴有沙尘暴和大风天气。北疆、东疆大部有重霜冻和有6级左右西北风，风口风力10-11级，三十里、百里风区的瞬间最大风力达12级以上。截止24日18时，共造成新疆公司所属110 kV及以上输电线路跳闸51条70次（故障停运35条），其中750 kV线路3条7次（天中直流、哈天一线陪停），220 kV线路15条26次，110 kV线路16条20次。严重影响新疆输电线路的正常运行，有必要对新疆输电线路风偏跳闸原因进行分析，制定有针对性的防范措施。

1 风偏事故介绍

下面介绍一起750 kV风偏跳闸事故，09时01分，750 kV吐哈一线跳闸，重合失败。11时18分，750 kV吐哈一线再次跳闸，重合失败。两次故障原因为吐哈一线326号B相（左边相）风偏后导线侧均压环对横担放电跳闸。750 kV吐哈二线（线路编号70914）长369.9 km，铁塔772基，投运时间2010年7月21日。故障杆塔326号塔，设计气象区为大风区，设计风速为31 m/s，型号为ZB131P，呼高36 m。导线、地线型号分别为LGJK-310/50、JLB20A-100，边、中相串型分别为I串、V串，边、中相绝缘子型号为1*FXBW-750/210、2*FXBW-750/210。下面对风偏跳闸原因进行分析。

2 750 kV输电线路风偏问题分析

2.1 风偏后电气间隙距离计算

现场绝缘子串加上连接金具后如图1所示。

图1 绝缘子串带金具结构图Fig.1 Insulator string with fittings chart

由于绝缘子串在加挂导线后由于导线的分裂数，均压环结构等影响，把绝缘子串等效成一条线计算风偏后电气间隙距离会存在一定误差[5-7]。因此，有必要对绝缘子串悬挂导线后的模型重新进行等效。等效过程中主要考虑均压环和导线分裂支撑装置[8-9]。等效图见图2。

图2 绝缘子加金具等效图（图中单位mm）Fig.2 Insulator with fittings equivalent diagram （unit in mm）

杆塔塔头尺寸见图3，根据绝缘子串等效图，绝缘子串风偏时与杆塔距离见图4。

图3 ZB231P杆塔结构参数图（图中长度单位mm）Fig.3 ZB231P tower structural parameters（unit in mm）

图4 计算风偏后导线距离杆塔塔身距离图Fig.4 The distance diagram from the wires to the tower after calculating the wind biased

从图4中可看出，导线和绝缘子在风偏后，均压环距离杆塔横担距离最近[10-12]，以均压环距离杆塔最近的点画圆，其与横担相切处既为最近距离处，既图中直角处。图中角a与角c的和是已知，风偏角a已知，L1也可由绝缘子和金具简化图计算得出，简化后L1为7.3 m。对于ZB231P型杆塔，角a与角c的和是81°。同时由图上三角关系可以得出风偏时导线距离杆塔横担最近距离计算公式如下式所示：

以均压环距离杆塔最近的点画圆，其与横担相切处既为最近距离处，既图中直角处。根据前面分析的风偏后导线距离杆塔横担距离的结果，可知L3的计算公式如下：

由图3可知，对于ZB231P型杆塔，其角e与角f之和是确定的，其和为111°。利用解斜三角形可以求出角e，然后利用角f和L3计算出导线距离塔身最近距离，计算公式如下：

对于线路上使用的其他不同的塔型，可以参照上述方法计算风偏后导线距离塔身及横担处的距离，其差别仅是杆塔横担向上角度和其他尺寸不同，可以作为杆塔边相风偏后电气距离计算的通用方法。

对于ZB231P型杆塔，根据其杆塔结构参数和前述计算方法，计算其导线在风偏时距离横担见表1。

表1 ZB231P型杆塔导线风偏时电气间隙距离与风偏角关系 （以40 m塔高）Table 1 The relationship between the clearance distance and wind angle，when ZB231P type wind tower wire wind biased （tower high in 40 m）

2.2 最大允许风速计算

根据GB50545《110～750架空输电线路设计规范》[13]，750 kV带电部分与杆塔构件最小间隙距离为1.9 m。

为了计算输电线路在风的风偏角，需要计算导线、地线和绝缘子的风荷截。导线及地线的水平风荷载标准值和基准风压值，应当按下式计算[14－15]：

式中：WX为与导地线垂直方向的水平风荷截，kN；α为风压不均匀系数，一般取0.65；βc为导地线风荷载调整系数，一般取0.9；μz为风压随高度变化系数，基准高度10 m处的风压高度变化系数按表2进行确定；μsc为导地线的体型系数，直径径小于17 mm或覆冰时（不论直径大小）应取μsc＝1.2；直径大于或等于17 mm，取1.1；d为导地线外径；分裂导线取所有子导线外径总和，m；LP为杆塔的水平档距，m；B为覆冰时风荷载增大系数，覆冰设计5 mm时取1.1，覆冰设计10 mm时取1.2；θ为风向与导地线走向的夹角（°）；V 为基准高度为 10 m 的风速，m/s。

表2 风压高度变化系数μzTable 2 Variation coefficient of wind pressure height μz

绝缘子串风荷载的标准值，应按下式计算：

式中：Wt为绝缘子串风荷载标准值，kN；A1为绝缘子串承受风压面积计算值，m2。

假设绝缘子串和导线为刚体，风吹时绝缘子串和导线不产生任何弯曲或变形[16－17]；同时将风压力视为静态力，均匀作用在导线和绝缘子串上；得出导线在风荷载作用下达到平衡状态时静力分析图见图5。

图5 静力平衡时风偏分析图Fig.5 The wind biased analysis chart when static equilibrium

根据图5中受力分析，可得风偏角φ的计算公式如下：

式中：Fd为垂直于导线方向的水平风荷截，N；Fj为绝缘子串风荷载，N；Gd为导线垂直荷载，N；Gj为绝缘子串重力荷载，N。

根据前面允许风偏角计算值，取线路平均档距500 m，导线参数见表3，计算得出不同杆塔在工频和操作过电压下允许风速值见表4和表5。

表3 不同线路段导线型号Table 3 Different models of wire line section

表4 不同型号杆塔不跳闸的允许风速值Table 4 Different types of towers without tripping permissible wind speed values

表5 不同高度杆塔的重合成功允许风速值Table 5 Coincidence of different heights to allow success tower wind speed values

3 风偏跳闸原因分析

2014年4月23日297号杆塔微气象监测数据如图6所示，从图中可以看出，标准风速最大28.9 m/s，最大风速最大值29.2 m/s，极大风速最大值43.4 m/s。

图6 297号塔微气象监测数据Fig.6 No.297 tower micro－meteorological monitoring data

根据前面分析可知，在标准风速小于34 m/s时，ZP231P型杆塔不会发生风偏跳闸，但现场实际发生了风偏跳闸，由此可见，采用标准风速计算输电线路风偏角存在偏小的情况，与现场情况不符。

根据线路在风偏时的受力分析，对于ZB231P型杆塔，其在风偏达到61°时电气间隙距离将小于1.9 m。以档距500 m，风速在33 m/s时ZB231P型杆塔在风偏时将产生放电，导线风压在33 m/s时78.682 kN。

根据图4，在风偏角从0°到61°时，导线运动距离9.276 m。其在运动时平均加速度78 682/4 824/2=8.16 m/s2。由此可计算其上升时间为1.51 s。而风速不可能从0直接上升至33 m/s，在风速上升过程中，可能已经有一定的风偏角度，虽然之前的风速可能达不到放电所需风速，在此时若有阵风出现，达到放电距离只需很短的时间，所以造成线路跳闸的原因是瞬时风速过大造成的。

根据表5不同型号杆塔重合成功允许风速值和图6事故发生时监测到的标准风速值可以看出，事故段所采用的杆塔为ZB231P杆塔，其重合成功时的风偏允许值为26 m/s，而现场监测到的标准风速值为28 m/s左右，所以很难重合成功。

4 750 kV线路风偏问题解决措施

4.1 边相横担增加垂直挂架

从前面分析的不同杆塔的电气间隙距离可以看出，在风偏时大部分型号杆塔线路距离横担距离比距离塔身距离较近，在塔头增加垂直挂架相当于增加了线路与横担之间的距离[18－19]，可以减小风偏时导线与横担的距离，加装垂直挂架效果见图7。图7中1为横担，2为垂直挂架，3为加强支撑。

图7 防风偏拉索安装图Fig.7 Wind cable installation diagram

采用防风偏塔头改造效果，对于ZB231P型杆塔，加装垂直挂架长度为1 m时，其允许风偏角提高到66°，还不能满足防风偏要求。对于其他类型杆塔，应当根据风速实际情况来校验风偏角，然后再综合考虑是否采用垂直挂架的改造措施。

4.2 采用防风偏拉索

防风偏拉索安装见图8，图中1为防风偏拉索。该方案相对传统加装重锤的方式减少了对杆塔的影响，不需要停电改造，可以带电安装，综合费用低于加装重锤的方式；相对于I型串改V型串的抗风偏措施来说，采用防风偏拉索的方案不需要改变杆塔横担结构，同时可以带电改造，因此综合费用较低。通过现场应用情况看，该装置可以将风偏角限制在安全范围内，能够有效阻止导线在大风作用下对杆塔的放电。

图8 防风偏拉索安装图Fig.8 Wind cable installation diagram

4.3 在边相加装防风拉线

受新疆大风区220 kV线路采用防风拉线的启发，我们也在考虑在750 kV线路边相使用防风拉线。

悬垂串安装防风拉线后，大风情况下，铁塔横担所受的垂直荷载将增加，为了减少此增量，拉线需要放松，让悬垂串在大风情况下仍可偏一定角度。随着这一允许偏角的增大，拉线需要放松的长度越大，则在无风情况下，拉线松弛很大，极不美观。因此，需根据横担能承受的荷载计算允许的悬垂串偏角，从而确定拉线长度。

4.4 新疆电网防风偏措施选择

根据前面介绍的几种防风偏措施，新疆电网增加垂直挂架需对杆塔进行改造，存在停电时间长，改造工程量大的单号。防风偏拉索在750 kV线路上运行经验不足，而且加装防风偏绝缘子后由于防风偏绝缘子在线路风偏时受力过大，容易出现横担受力过大造成损坏的事故，目前还只能用在220 kV及以下线路上。采用防风拉线施工在地面上，加装时可以采取带电安装的方式，可以有效减少停电时间，所以在改造过程中选取了在边相加装防风拉线的方法。但由于是首次在750 kV上采用防风拉线，需对其风偏时允许风偏角和受力情况进行分析。

4.4.1 允许风偏角及拉线与垂直线夹角优化

从ZB231型杆塔拉线不同位置时绝缘子受力和拉线受力表可以看出，随着风偏允许角的增加，绝缘子和防风拉线在大风时承受的拉力呈现出减小的趋势，同时为了保证线路在风偏时能够正常运行，其风偏允许角和拉线与垂直线夹角也不是越大越好，其具体情况应当按现场允许风偏角和施工难度来确定。

同时打防风拉线时应当注意防风拉线只有部分杆塔打有防风拉线，其他地方未打防风拉线，在其他未打防风拉线场合风偏跳闸后要考虑到重合情况，所以打防风拉线处应当考虑操作过电压放电问题，在打拉线后风偏允许角后其间隙距离发大于操作过电压放电距离。根据重合成功要求，允许悬垂串偏角30度，拉线需要预留约1.5 m余长。

4.4.2 加装防风拉线后风偏受力分析

加装防风拉线后受力见图9，以ZB231P型杆塔为例，以正常档距500 m，风速31 m/s进行计算。由前面的计算结果可知，ZB231P型杆塔在风速31 m/s时导线风压89.37 kN，导线垂直荷载49.88 kN。计算杆塔绝缘子承受拉力为136.03 kN，拉线绝缘子承受拉力83.63 kN，均在绝缘子拉力承受范围内。若按极大风速45 m/s校核，计算杆塔绝缘子承受拉力为167.23 kN，拉线绝缘子承受拉力103.71 kN，由此可见按极大风速校核时杆塔绝缘子拉力接近其正常使用拉力82%，存在绝缘子断串的风险，建议杆塔绝缘子采用双串。而拉线绝缘拉力在承受范围内，可以采用单串连接。

图9 打拉线后拉线和绝缘子受力分析图Fig.9 After the hit cable and cable insulators force analysis diagram

4.4.3 加装微气象监测装置

跳闸时风偏角是根据微气象监测装置测得的风速来分析的，可见微气象监测装置可有效地用于事故分析以后的事故预防，建议在吐哈线上增加微气象监测装置，以提高对该区段的风的认识，在以后新建线路时可以提供有效的风速设计依据。

5 结论

通过一起750 kV输电线路风偏跳闸事故，首先采用解析法对杆塔风偏后电气间隙距离进行了计算，得出引起跳闸的危险风偏角。然后根据规程法对风偏角进行了计算，计算结果表明，31 m/s设计的杆塔安全裕量不足，其裕量仅为5°，在1.1倍设计风速下就会发生风偏闪络。最后根据现场在线监测装置监测风速的标准风速和极大风速进行对比，认为引起输电线路风偏跳闸的原因主要是极大风速。对于需要进行防风改造的杆塔，分析了各种防风偏措施及其适用范围，建议采用加装防风偏拉线的解决措施，以提高输电线路的抗风能力，提高电网的安全运行水平。

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Analysis and Transformation Measures of 750 kV Transmission Line Wind Biased Tripped

ZHANG Zhengquan1， ZHANG Dong2， LI Xiaoguang2， DONG Xinsheng2，YANG Xiaohui3，CHEN Yanchao3
（1.State Grid Electric Power Company of Xinjiang， Urumqi 830000， China； 2.State Grid Electric Power Research Institute of Xinjiang Electric Power Company， Urumqi 830011， China； 3.State Grid Electric Power Company Urumqi Xinjiang Power Company， Urumqi 830011， China）

The analysis of a 750 kV transmission line wind biased tripping accidents in the wind section of the transmission line are biased assessment of wind.First，analytical method after biased clearance from the wind towers are calculated the risk of tripping caused by hazard wind angle.Then according to law regulations the wind angle are calculated， the calculation results show that， the safety margin of wind biased of tower designed 31 m/s is insufficient， its margin is only 5 degrees， at 1.1 times the design wind speed wind biased flashover occurs.Finally，compare the online monitoring device according to the site to monitor wind speed and procedures law that cause power lines wind biased reason for the trip is mainly the maximum wind speed.The need for transformation of the wind tower，wind analyzes various biased measures and their scope，the proposed installation of wind cable of solutions to improve the wind resistance of transmission lines，improve the level of safe operation of the power grid.

wind biased;tripping;hazard wind angle;standard wind speed;maximum wind speed;wind cable

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.02.031

2016-02-14

张振泉 （1977—），男，高级工程师，主要从事输电线路运维检修及管理工作。