220kV架空输电线路风偏放电原因分析及改造措施

220kV220kV 架空输电线路风偏放电原因分析及改造措施架空输电线路风偏放电原因分析及改造措施 王全兴 福建省福州电业局 摘要 摘要 福州地处福建沿海东南部 每年沿海登陆的台风以及强对流天气产生的飑线风 都会对输电线路造成严重威胁 其中最易发生导线 引流线在强风作用下对塔身风偏放电 导致输电线路失地故障 根据多年来的运行经验统计 线路风偏跳闸次数占总跳闸次数的 20 30 本文通过对风偏放电机理的分析和历年来典型事故的调查 对线路的防风性 能进行系统的科学计算 分析 评价 找出影响线路风偏放电的原因 进而制定针对性的 改造措施 以提高线路防风偏性能 关键词 关键词 架空线路 防风偏 分析 改造 一 台风与飑线风形成的机理一 台风与飑线风形成的机理 太阳直射的持续高温 造成大面积洋面上的水分大量蒸发 不断蒸发的水分将逐渐排 斥空气中的其它气体成分 使空气的湿度急剧增加 当有外部条件 如降温或水蒸气自动 凝结 促使高湿度的空气水分凝聚时 空气的压强会急剧下降 造成了相对于周围空间的 大气负压 而这种负压就是形成台风的中心负压 这种负压一旦形成 周围的空气就会立 刻进行补充 由于负压往往是从低温度的高空开始形成的 因而也就形成了自下而上且周 围向中心旋转的空气大旋涡 这就是台风形成的机理 来源 飑线风系局部强对流天气 飑线前天气较好 多为偏南风 且在发展到成熟阶段的飑 线前方常伴有中尺度低压 飑线后天气变坏 风向急转为偏北 偏西风 风力大增 飑线 之后一般有扁长的雷暴高压带和一明显的冷中心 在雷暴高压后方有时还伴有一个中尺度 低压 由于它尾随在雷暴高压之后 故称之为 尾流低压 飑线沿线到后部高压区内 有暴雨 冰雹 龙卷等天气 台风 飑线风期间 近中心风速可以达到 35m s 以上 风圈影响半径大 对输电线路 的导线 引流线 绝缘子串产生极大的风压荷载 引起线路风偏摇摆放电 二 福州地区输电线路概况二 福州地区输电线路概况 福州电业局输电线路主要以 220kV 110kV 为骨干网 辅之有 35kV 线路 架空输电线路 所经地区气候 地形 地质和各种自然条件十分复杂 截至 2006 年 12 月 福州地区共有 架空输电线路 119 条 长达 1805 6 公里 杆塔 6100 余基 其中 220kV 线路 49 条 长达 1151 7 公里 经统计 220kV 线路中共有 610 基杆塔位于强风地区 与海岸线平行的线路 长达 210 公里 极易受到台风的正面侵袭 此外 一大部分线路位于高山峻岭间 山谷地 形复杂 较易发生飑线风 也对线路的安全运行造成威胁 三 线路风偏放电原因分析三 线路风偏放电原因分析 当风力作用于导线上 垂直于线路方向的分量将使导线产生横线路的摇摆偏移 摇摆 幅度取决于风速 绝缘子 导线自重等因素 摇摆到一定角度后 导线与塔身的距离减少 小于正常运行时的空气间隙 在工频电压下空气隙击穿放电 从历年的数据统计来看 直线猫头塔中相导线风偏放电和 干 字型塔中相引流线风 偏放电占线路风偏放电的绝大多数 分别为 27 3 63 5 下面以两者为例 通过典型 故障调查 风偏摇摆角计算 校验 详细剖析线路风偏失地故障的原因 一 直线猫头塔风偏放电原因分析 2005 年 9 月 1 日 9 53 分 第 7 号台风登陆福州 220kV 福鼓 II 回 39 中相导线风 偏后对塔身主材放电 导致线路跳闸 重合不成 10 05 分强送成功 该塔位于半山腰 中相导线悬挂点采用单串合成绝缘子加挂重锤的组装方式 悬点高度为 37 5m 重锤采用 ZC 1 共 5 片 单片重 15 464kg 单个长度 68mm 防振锤采用 FD 4 前后侧共 12 个 单 个重 5 6kg 根据气象部门资料 当时台风风速达到 35m s 选择气象工况为最大风速 35m s 气温 15 C 覆冰厚度 0mm 查绝缘子 导线 杆塔等参数如表 1 所示 表 1 直线猫头塔风偏角计算参数表 合成绝缘子合成绝缘子 FXBW4 220 100FXBW4 220 100导线导线 LGJ 240 30LGJ 240 30铁塔铁塔 ZM32ZM32 受风面积 Aj自重 Gj长度 l水平比载 g4垂直比载 g1截面积 A水平档距 lh垂直档距 lv 0 39m298N2240mm48 6 10 335 10 3271 11mm2402m196m 根据塔头尺寸及导线相关参数计算直线绝缘子串风偏角 绝缘子水平风压 Pj AjV2 1 6 0 39 352 1 6 298 6N 重锤重量 W 5 15 464 9 8 757 7N 重锤长度 l0 5 68 340mm 0 34m 防振锤重量 Gf 12 5 6 9 8 658 56N 绝缘子串全长 l 3238mm 3 238m Lh lsin 3 238sin64 24 2 92m 中相横担全长 6 8m 绝缘子悬挂点中心至塔材角铁距离 3 4m 220kV 线路带电导线与杆塔构件在运行电压下的最小空气间隙为 0 55m e 3 4 2 92 0 48m 0 55m 根据风偏摇摆角绘制塔头间隙圆图如图 1 所示 当摇摆角达到 64 24 度 间隙圆相割 于杆塔上的 f h 点 导线与塔身主材最近距离仅 0 48m 导致空气隙击穿放电 线路跳闸 可见风速大 合成绝缘子串自身重量轻 线路垂直档距小是直线猫头塔风偏放电的主要原 因 二 干 字型铁塔中相引线风偏放电原因分析 台风 飑线风期间 福州地区 220kV 线路多次跳闸 故障点集中在 干 字型铁塔上 线路跳闸情况如表 2 所示 干 字型塔中相引线采用单串瓷绝缘子加撑管悬挂 中 相引线较长 绕过塔身的前后侧 在风力作用下引线摇摆幅度较大 表 2 220kV 线路跳闸一览表 序序 号号 线路线路 名称名称 天天 气气 时间时间保护动作情况保护动作情况故障点情况故障点情况 1 福东 线 台 风 1996 8 1福东线 LG 96 保护动作 B 相跳闸 重合成功 24 塔中相 B 相 引 流线风偏对铁塔主材放 电 2 水北 线 台 风 1996 8 1 水北线双高频保护动作 B 相跳闸 北郊变 243 开关重合 成功 水口侧重合不成后强送成功 119 中相 B 相 水口 侧右串第 1 片瓷瓶闪络 引流线有麻点 3 福东 线 飑 线 风 2000 8 23 东郊变 234 双高频及距离 I II III 段保护动作 开关跳 闸 重合未投入 4 47 强送成功 5 20 又跳闸 5 44 再次强 送成功 8 03 又跳闸 8 37 强送成功 故障测距 80km 27 中相引流线对主材 放电 断 3 股 4 建南 线 飑 线 风 2000 8 23 距离 I 段 902 高频保护动作 南郊变 251 开关跳闸 重合成 功此后分别在 3 18 3 20 3 28 3 29 4 17 4 26 5 38 6 20 6 38 8 09 8 42 再次跳闸 92 中相引流线被风吹 动对塔身放电 5 福鼓 I 回 台 风 2005 9 1B 相故障 线路跳闸 重合成功 34 中相引流线风偏 放电 以 220kV 福鼓 I 回 34 为例 当时风速为 35m s 选择气象工况为最大风速 35m s 气温 15 C 覆冰厚度 0mm 该塔塔型为 JG33 计算绝缘子风偏摇摆角如下 表 3 干 字型铁塔风偏角计算参数表 瓷绝缘子瓷绝缘子 XP 70XP 70引流线引流线 LGJ 240 30LGJ 240 30引线长度引线长度 2 2撑铁撑铁 片数 n 受风面积 Aj 自重 Gj 长度 l 水平比载 g4 垂直比载 g1 截面积 A 水平长 lh 垂直长 lv 重量尺寸 130 03m2637N1898mm48 6 10 335 10 3271 11mm210 9m8 9m336 4 3 0 063 绝缘子水平风压 Pj n 1 AjV2 1 6 14 0 03 352 1 6 321 56N 撑铁重量 G0 34 326 9 8 336 4N 撑铁风压 P0 3 0 063 352 1 6 144 7N 绝缘子串全长 l 1898 596 2494mm 2 494m Lh lsin 2 494sin35 73 1 456m 由于引线长度较大 在个别驰度大的地方又形成了小弧垂 小弧垂可达 0 3 0 5m 故 l 1 456 0 3 1 756m 引流线距离铁塔塔材最近点为 2 05m e 2 05 1 756 0 294m 0 55m 根据风偏摇摆角绘制塔头间隙圆图如图 2 所示 当摇摆角达到 35 73 度 小弧垂的间 隙圆相割于杆塔上的 f h 点 引流线与塔身主材最近距离仅 0 294m 导致空气隙击穿放 电 线路跳闸 可见风速大 引流线重量轻 驰度大是 干 字型塔中相引流线风偏放电 的主要原因 四 防风偏改造方案四 防风偏改造方案 一 直线猫头塔中相导线防风偏改造 直线猫头塔中相导线可以采用 V 型串悬挂方式 形成稳定的三角桁架结构 理论上 不会再发生摇摆 绝缘子组装型式可以采用 U 型环 延长环 拉杆 直角挂板 合成绝缘 子 碗头挂板 LV 联板 改造方案如下图 请登陆 输配电设备网 浏览更多信息 从图中可见 导线的摇摆仅限于直角挂板至悬垂线夹处 该处垂直距离 0 653m 即使 在强台风下 风偏摇摆角大到 90 度 风偏摇摆的水平距离仅 0 653m 与铁塔主材间有 2 747m 的安全距离 从根本上消除了风偏摇摆造成线路失地故障 二 干 字型塔中相引流线防风偏改造 干 字型铁塔防风偏改造可以采用独立挂点的双绝缘子串加装撑管的方式进行 两 绝缘子串间间距以 1 5m 1 8m 为宜 双绝缘子串一方面加大了绝缘子的自重 另一方面绝 缘子产生不同期摇摆可以抵消部分风力作用 限制了风偏摇摆角 对于 JG 型杆塔可以直接 拆除线路铁塔最外侧的角铁 直接安装 1 8m 的角铁 对于 JG 型杆塔可以加装横向支撑铁 后加装绝缘子串 如图 4 所示 此外 还应严格控制引流线长度 可以使用绳索量取后制 作引线 防止局部区域形成大于 0 3m 的弧垂 从图中可见 增加了一串绝缘子 即增加了 637N 的自重 此时仍以 35m s 的风速计算 风偏摇摆角 Lh lsin 2 494sin33 41 1 373m e 2 05 1 373 0 677m 0 55m 由此可见 因空气间隙大于 0 55m 的放电间隙 间隙圆图与塔身主材没有交点 线路 可以安全运行 若考虑双绝缘子串的不同期摇摆 引线的风偏摇摆角将进一步减少 引流 线与塔身主材的空气间隙将进一步增大 更能保证线路运行的稳定性 三 其它塔型防风偏改造 在台风 飑线风期间 尚有其它一些塔型发生风偏放电故障 虽然机率低 但仍需引 起重视 大于 45 度转角塔外角侧引线距离塔身较近 可以参照 干 字型塔风偏改造情况 在横担侧加装卡具 使用独立挂点的双串绝