新疆大风环境下输电线路风偏故障的研究和预测

2018-12-29姚文俊曹洪强邓鹤鸣

中南民族大学学报（自然科学版） 2018年4期

姚文俊，曹洪强，邓鹤鸣，王刚

(1 中南民族大学电子信息工程学院，武汉 430074； 2国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074)

在强风的影响下，架空导线会向杆塔主材产生偏转或位移，容易减小放电间隙引发闪络事故，即风偏故障[1].风偏故障是电网正常运行的重大安全隐患，线路因风偏故障后重合闸不易成功，严重影响电网的正常运行，造成重大经济损失[2].新疆电网覆盖地域广大，境内大范围存在的强风、沙尘、大温差等极端气象环境，极易引发超/特高压线路风偏故障，给输电线路的规划、设计、施工和运维等带来诸多难题和挑战.

关于输电线路风偏的研究，现场实测试验是研究输电塔-线体系风振响应的手段之一，同时也是试验室缩尺试验研究的基础，但由于花费巨大、耗时长等在输电线路风灾故障研究中未获得广泛应用，因此目前实测资料及相应的研究成果非常稀有[3-5].Palch等[6]对一段大跨越输电导线风振响应进行现场实测，分析了不同风场下结构的风振响应规律，将此与数值计算结果对比，分析了预应力对输电导线的风振响应的影响.文献[7,8]考虑到现行风偏角计算公式当中对风荷载的计算不足可能是导致风偏频繁发生的主要原因，于是在仿真计算的结果上提出了风荷载调整系数.付国宏等[9]以杭州至瓶窑500 kV输电塔线为工程背景，对输电塔制作了1/30的缩尺模型，对架空线路进行了风振试验，但该模型不能真实地模拟导地线的影响，釆用气动能量输入来模拟导线对输电塔的风振响应的影响.谢强等[10]以l000 kV输电塔线体系为原型，进行了气弹模型风洞实验，研究了输电塔的横风向振动特性、塔线之间的耦合作用和风荷载能量传递机制，指出耦联振动是导致输电塔-线体系风致破坏的主要原因.这些研究说明，风洞试验可以很好地揭示输电塔及塔-线体系的动力特性和风振响应特征，是目前风振分析中最为有效的方法.

对于输电线路发生风偏闪络故障，国内外专家认为，自然界强风及暴雨使导线-杆塔空气间隙工频放电电压降低是造成风偏放电的本质原因之一，在输电线路风偏设计中，均按纯空气间隙进行[11-14].国内有关极端环境区域输变电设备运维与检测、应对极端气象灾害的电网运行风险评估参数收集不全，较少考虑极端环境，需要开展强风、沙尘暴和大温差等极端气象环境参数的观测与收集，评估电网极端环境灾害的影响及相应预警智能化的研究工作.本文以新疆750 kV输电线路的风偏闪络故障数据为基础，通过缩尺风洞试验，研究在大风环境下，风速和风向对输电线路的风偏角、导线张力、杆塔最小空气间隙和击穿电压影响，针对性地调整各级线路和杆塔的基本参数，对线路风偏故障进行预判，保证电力系统的安全运行.

1 试验设置

1.1 输电塔-线耦合体系的原型和试验系统参数

试验原型为750 kV新疆吐哈线见图1.其一、二线全线平行架设，平均海拔高度1000 m，架设地形为戈壁.新疆气候类型为大风气候，主导风为西北风，平均风速10 m/s，气温-13～40 ℃，年均降水量1.5 mm.750 kV吐哈一、二线全线设计风速分别为28, 31, 35, 36, 40 m/s五种，其中故障区域设计风速为28 m/s.

图1 750 kV新疆吐哈线Fig.1 750 kV Xinjiang Tu-ha transmission line

仿真模拟计算取新疆吐哈一线的事故塔左右各一跨线路进行有限元建模，线路参数与实际情况相同，具体参数值见表1.

表1 模拟线路参数Tab.1 Simulated transmission line parameters

事故区特高压输电线路设计风速达28 m/s，在此基本风速下六分裂导线的各子导线存在一定的非同步运动，但仍以整体顺风向运动为主，因此将六分裂导线等效为一根单导线进行处理，等效后的物理参数见表2，复合绝缘子参数见表3.

表2 六分裂等效导线物理参数
Tab.2 Physical parameters of six-bundle conductors

D/mmAC/mm2E/GPaML/(kg·km-1)q/(N·m-1)TM/kN165.61960.276.80758474.32724.42

表3 边相绝缘子物理参数Tab.3 Physical parameters of the side insulator

1.2 缩尺模型风洞试验

缩尺风洞试验中采用1∶10的几何缩尺比，模拟导线六分裂，型号为LGJK-310/50.试验时导线竖向放置于上下端板之间，上端板通过螺杆悬挂于风洞顶面，四角用铁丝固定于风洞底面，防止来流时上端板发生抖动，下端板通过支杆立于风洞底面.天平安放在分裂子导线下部，通过金属连接板与导线相连(见图2).

图2 试品布置Fig.2 Arrangements of test equipment

试验在浙江大学边界层风洞ZD-1中进行，试验段尺寸为4 m×3 m×18 m，风速范围3～55 m/s，可模拟高于12级的大风，超过国内多数输电线路风偏角设计时的最大设计风速(30 m/s).高频测力天平采用小量程，力的量程为20 N，扭矩的量程为4 N/m.为消除风洞底面的洞壁干扰，将试验平台整体上移，为尽可能消除模型端部的三维流效应，在模型顶端加端板，模型与端板之间留有极小的间隙.

2 输电线路的风偏故障的影晌因素分析

2.1 新疆大风的风向和风速的特点及模拟

风速是输电线路风偏的必要条件，不同的风向和风速影响不同.新疆区域地势起伏较大，内有三大山脉和两大盆地.750 kV线路东西向部分沿天山山脉，南北走向位于天山和喀什昆仑山之间，倚天山山脉南麓，北缘塔里木盆地.统计资料显示2011～2015年，750 kV线路整体年平均风速依次为2.653,2.667, 2.668, 2.697, 2.742 m/s，逐年单调递增；风向角依次为184, 177, 175, 177, 180，年均风向稳定，其中6级以上大风在第2, 3季度稳定集中在112.5～157.5，第1, 4四季度无0～67.5和292.5～360的大风.

输电线路发生风致振动时，结构与来流之间的相对运动效应会产生气动阻尼.超高压输电线路具有跨度长、阻尼小、柔度大的特点，气动阻尼对导线风偏响应计算有显著影响.为考虑气动阻尼的影响，考虑导线与来流的相对运动速度，此时作用于结构表面的风荷载由式(1)计算.

(1)

式中uD为对应时刻导线的运动速度.求出压力时程后，施加到输电线路模型的各节点上.采用无条件稳定的Newmark法对非线性动力方程直接积分求解，并运用Newton-Raphson法对每个时间步末尾的位移进行迭代.输电线属于典型的非线性高柔度结构，只能承受拉力，不能承受压力和弯矩，故采用Ansys中的Link10杆单元进行模拟；绝缘子串一直处于受拉状态，其刚度相对输电线要大很多，故采用Link8杆单元进行模拟.

同时空间点存在三个方向的脉动风场，但本文的研究对象为超高压线路的风偏响应，对垂直于输电线路的顺风向荷载最为敏感，竖向和横向风对其风偏响应影响不大.为了提高计算效率，采用谐波叠加法模拟空间点的顺风向风速时程.具体计算是以两跨线路为研究对象，建立精细化非线性动力学计算模型，运用谐波叠加法构建线路上各节点脉动风速时程，结合准定常假设模拟作用于输电线路各节点上的时变风荷载.图3为模拟输电线路事故塔悬垂绝缘子挂点处考虑脉动后的风速时程曲线，为消除突加荷载冲击放大效应的影响，在风速时程的前100 s加入风速由0增至风速平均值的线性增长过程.

图3 导线悬挂点处风速时程Fig.3 Wind speed time series at the suspension point of the wire

图4为脉动风速功率谱的目标值和模拟值的对比.其中风功率谱的目标值和模拟值吻合较好，说明获得的风速时程能有效反应脉动风速能量在频域内的分布特征.

图4 风谱模拟Fig.4 Simulated wind spectrum

2.2 大风对杆塔处悬垂绝缘子串风偏角和应力的影响及分析

悬垂绝缘子串的风偏是一个复杂的动态过程，类似于有外力驱动和摩擦阻尼的单摆运动，模型见图5.

图5 风偏角示意图Fig.5 Sketch of the windage yaw angle

绝缘子串在摆动过程中外力达到平衡时，摇摆过程并未结束，可用有限元软件Ansys作时程分析，得到各导线悬挂点的顺风向位移UXG.若风偏过程中悬垂绝缘子串变形较小，可以忽略，利用公式(2)可得距输电塔较近的悬垂绝缘子串处的风偏角φ大小.

(2)

(3)

式中g为峰值因子，取2.5.图6为风偏时风速与风偏角间的变化关系，计算结果和风洞试验拟合结果均显示：出风速增大，风偏角也变大，两种方法获得的结果非常吻合.

图6 风偏角计算结果拟合曲线Fig.6 Fitted curves on the results of the windage yaw angl

提取事故塔绝缘子串悬挂点处导线杆单元的应力，乘以等效面积即为六分裂导线的合张力.图7显示了故障杆塔导线和地线的张力计算结果和风洞试验值的拟合曲线，可见计算结果和风洞试验结果吻合程度较好.

a)导线总张力；b) 地线张力；c) 300 m跨地线张力；d) 540 m跨地线张力图7 故障杆塔导线和地线张力拟合曲线Fig.7 Fitted curves on the conductors and ground wires tension of faulty pole and tower

2.3 大风对杆塔空气最小间隙的影响和分析

线路发生风偏跳闸的本质原因是在大气环境中出现的各种不利条件(如强风、降雨等)，造成线路与杆塔间的空气间隙减小，当间隙的绝缘强度不能承受系统运行电压时，发生击穿放电.输电线路在风偏状态下至塔身的最小空气间隙d可通过悬垂绝缘子串的风偏角及杆塔结构参数计算得到.取吐哈一线的故障杆塔型号为ZB131P(参数见表1)，风速与最小空气间隙的关系曲线如图8所示，风速越大，风偏角越大，线路至塔身的最小空气间隙d越小.由风洞试验得出的风速与最小空气间隙的关系如图9所示，图中试验数据的拟合结果和计算结果误差较小，说明利用风偏公式计算得出的最小空气间隙正确.

图8 ZB131P型杆塔最小空气间隙随风速变化的关系Fig.8 Relation between the wind speed and the minimum air space on ZB131P pole and tower

图9 最小空气间隙随风速变化的关系计算结果与风洞试验拟合对比Fig.9 Fitting comparison of calculation results of minimum air gap with wind speed and wind tunnel test

2.4 风雨组合对杆塔空气间隙击穿电压的影响和分析

风偏放电故障和事故的统计数据表明，故障和事故多发生在强风伴随着大雨气象条件.表4为不同的降雨强度对间隙距离的绝缘强度的影响，可见降雨后导线-杆塔空气间隙的放电电压有不同程度的降低，随着导线-杆塔空气间隙距离的增加，其降低幅度逐渐变小.由于降雨后，导线和杆塔构架上挂有大量水滴，在水滴表面电场强度较高，导致流注易于由此产生、发展，降低了间隙的放电电压.随着导线-杆塔空气间隙距离的增大，水滴对整个空间电场的影响相对减小，使其放电电压变化幅度逐渐变小.在雨量增加的情况下，雨水在大风的引导下形成与放电方向相同的雨线，而雨水的介电常数较空气更大(约为80∶1)，使放电间隙中雨滴颗粒附近的空间场强增强，导致空气间隙放电电压进一步降低.

表4 不同雨强下气隙的击穿电压Tab.4 Breakdown voltage of air gap in different rainfall intensity

表4中的降雨强度对同一电压可击穿间隙临界长度的增长比的影响符合Gauss函数关系，采用Gauss公式依次对不同雨强下的降雨强度修正系数k进行拟合，拟合系数如表5所示，k可表示为式(4).

(4)

经降雨量修正后，得到输电线路风偏闪络电压预测值Uf为式(5).

Uf=kU50%.

(5)

3 输电线路风偏故障预测

3.1 风偏闪络预警方法

输电线路风偏闪络预警可按流程图进行，流程如图10所示.

图10 输电线路风偏闪络预警流程图Fig.10 Flow chart of the windage yaw flashover prediction of transmission line

3.2 预报实例

2014年4月22日夜间到24日，受强冷空气影响，南疆大部出现沙尘暴和大风天气.北疆、东疆大部出现重霜冻和约6级西北风，风口风力10～11级.4月23日09时01分01秒，750 kV吐哈一线B相故障跳闸，重合不成功；10时22分，750 kV哈吐一线恢复运行；10时53分37秒，750 kV吐哈一线B相再次故障跳闸，重合不成功；11时17分，750 kV哈吐一线恢复运行；11时18分57秒，750 kV吐哈一线再次发生B相接地故障跳闸，重合不成功. 2014年4月23日09时55分27秒，750 kV吐哈二线B相故障跳闸，重合不成功；10时47分，750 kV吐哈二线恢复运行；11时44分03秒，750 kV吐哈二线B相故障跳闸，重合成功；11时44分14秒，750 kV吐哈二线B相再次故障跳闸，重合不成功；4月25日05时16分，750 kV哈吐二线恢复运行.通过现场巡线，最终确定故障杆塔为，吐哈一线#326、吐哈二线#326，如图11所示.

a) 吐哈一线 ; b) 吐哈二线图11 吐哈线326号B相(左边相)放电路径Fig.11 Discharge path of the left side insulator on Tu-ha line

通过中尺度数值预报技术，得到了故障326号杆塔在故障发生时前后一段时间内的风速见图12.图中显示在4月23日的风速数据，从8:30开始，风速从29.8 m/s开始增加，到9:00时风速达到了33.407 m/s，此后的1 h内，风速一直保持在33～34 m/s.750 kV吐哈一线和吐哈二线发生风偏跳闸的时间分别为09时01分01秒和09时55分27秒，两个时刻的风速分别为33.259, 33.975 m/s.

图12 326号杆塔4月23日风速数据Fig.12 Wind speed of the 326 pole and tower on April 23

利用风偏公式计算出2014年4月23日，故障发生时间段内，风偏最小空隙间隙的变化情况如图13所示.由图中可见，9:01:01吐哈一线故障发生时刻，计算结果和风洞试验拟合的绝缘子和杆塔的最小间隙距离分别为1.10, 1.21 m；9:55:27吐哈二线故障发生时刻，绝缘子和杆塔的最小间隙距离为1.03, 1.17 m.对比图12和图13中的数据可知：两次故障发生时刻，公式计算结果和风洞试验拟合结果相同，其最小间隙距离均小于750 kV杆塔要求的工频电压最小间隙距离1.8 m，具备了发生风偏放电的必要条件，与实际情况相符.