220 kV 公笔线紧凑型线路导线舞动 事故分析及其防治对策

详细内容

220kV公笔线紧凑型线路导线舞动
事故分析及其防治对策
马建国1，金　涛1，谭章英1，刘兴胜2，孙　明3，熊承荣3，张宗光3
（1．湖北省电力试验研究院，湖北省武汉市430077；2．湖北省电力公司，湖北省武汉市430077；　　3．荆州电力局，湖北省荆州市，434000）
摘要：从地形、气象条件以及紧凑型输电线路的特点出发对220kV公笔线紧凑型线段的两次舞动事故原因进行了分析，得出该紧凑型线段的舞动事故是由地形条件、气象条件、线路结构参数及相间绝缘间隔棒的不合理配置等因素共同造成的。根据紧凑型输电线路的自身特点和现行的防舞经验提出了简单易行的防止措施并在现场实施，结果表明，这些对策是可行的、有效的。
关键词：紧凑型输电线路；220kV导线；舞动
1　引言　　公笔线紧凑型输电线路是220kV南平至石首输电线路中的一段，在湖北省公安县境内。该线段地形略有起伏，形成梯田低岗和平丘地带，线路走向为自西向东略偏南，长度约为3．3km，该线路的其余部分均为常规输电线路，紧凑型输电线路于1993年7月12日建成，同年12月10日投入运行。1996年2月16日21：19，该紧凑型输电线路三相导线发生舞动，导致子导线间隔棒分别于爪子、颈部等处断裂，引起线路跳闸。据现场人员介绍该次舞动峰值达3～4m，舞动波形多为2～3个半波，V型塔拉线受舞动影响振动强烈。停电检修期间，发现大多数子导线间隔棒变形，原在一条直线上的上下2个相间绝缘间隔棒发生弯曲，部分预绞丝护线条松动，并与导线有磨损现象。事故时气象情况为：风向偏北，风速16．9m／s，气温－3．5℃，伴有雨雪，导线上覆有薄冰。
　　1998年12月2日11：32，该紧凑型输电线路再次发生舞动，致使29＃～30＃杆塔间发生相间短路，线路跳闸，相间绝缘间隔棒严重变形。事故时荆州地区受强冷空气影响，出现了大风降温天气，伴有毛毛雨和冰冻及雨淞，日平均气温下降10℃，偏北风5～6级（对应风速8～13．8m／s），阵风7级（对应风速13.9～17.1m／s），最低气温－3℃，导线上严重覆冰，覆冰厚度达15mm。

2　紧凑型输电线路技术参数

　　该紧凑型输电线路导线采用LGJ－120型钢芯铝绞线，三相导线垂直排列，相分裂数为4，每相子导线呈倒梯形布置。线路相间距离为3m，在相导线之间安装了相间绝缘间隔棒。子导线间隔棒为四分裂型，线爪采用预绞丝型。平面图如图1所示，导线排列方式如图2所示。
　　相间绝缘间隔棒在每个安装点装2只，相间绝缘间隔棒和子导线间隔棒安装数量根据档距确定。
　　1）档距L＜315m，安装1组相间绝缘间隔棒（2只）。
　　2）档距L＝315m，有两档，其中一档安装1组相间绝缘间隔棒（2只），另外一档安装两组相间绝缘间隔棒（4只）。
　　3）档距L＞315m，安装2组相间绝缘间隔棒（4只）。
　　该紧凑型线路共11档，共用相间绝缘间隔棒13组，26只。
　　该紧凑型输电线路设计气象条件为：气温40～－20℃，平均气温15℃，最大风速25m／s，正常覆冰厚度10mm，覆冰密度0．9g／cm3。3　事故分析

　　舞动是指由水平方向的风对非对称性截面导线所产生的升力引起的一种低频率（0．1～3Hz）、大振幅（可达10多米）的自激振动。因此导线舞动能否形成取决于导线是否能形成非对称截面（这种情况通常发生于冬春季节导线覆冰条件下）、风激励以及线路结构参数。从上述因素出发可对该紧凑型线段的两次事故进行分析。
3．1　微地形影响
　　导线舞动与微地形条件有很大关系，四周无屏蔽物的开阔地带，如沙滩、草地、农田等，以及山谷风口能使均匀的层流风持续吹向导线，是容易发生舞动的地带。该紧凑型输电线路通过平丘地带，输电线路下面均为水稻田，四周地形比较开阔，无高大的树
木和农房，这种地形有利于风的流动，给舞动的发生创造了条件。
3．2　微气象条件的影响
　　舞动的形成与气象条件是密不可分的，这些气象条件包括：风速、风向、雨淞、冰雨、雨夹雪、湿度等等。形成舞动的条件，除覆冰雪因素外，还须有稳定的层流风对导线的激励作用，舞动的风速范围一般在4～20m／s，当线路走向与风向夹角大于45°时，导线易产生舞动，而且该夹角越接近90°，则舞动的可能性越大。
　　从该紧凑型输电线路发生舞动的气象条件来看，两次舞动时风向均为偏北风，风速最高达17．1m／s，而该紧凑型线段的走向为自西向东略偏南，因此导线正处于迎风面上，风向与线路的夹角远大于45°，同时两次舞动时导线上均有覆冰，第一次覆有薄冰，第二次覆冰厚度达15mm，满足了导线舞动的两个主要条件：风激励和覆冰雪，导致了导线舞动事故的发生。
　　该紧凑型输电线路地处湖北省的雨淞地带，年最长雨淞日数为15日，在全省是最高的，属特强舞动区。该地区的冬春季节主导风向为北风，风向频率玫瑰图如图3所示。　　由图3可见，主导风向北风出现的频率较大，这一风向与紧凑型线段走向形成的夹角大于45°，因此一旦导线覆冰，在适宜的风速下，该紧凑型线段再次发生舞动的可能性较大。
3．3　线路结构的影响
　　紧凑型输电线路是指缩小常规线路尺寸以减少输电线路走廊，并使传输功率大幅度提高的一种新型输电线路，为提高线路的自然传输功率，采用多分裂导线并加大导线分裂间距和缩小相间距离。
　　国内外统计资料表明，大截面导线比小截面导线易于发生舞动，分裂导线比单导线容易发生舞动，这是因为单导线不象分裂导线被许多间隔棒分为许多次档距，可以全档自由随偏心冰荷扭转，使覆冰形状接近圆形，而且单导线的扭转固有频率与垂直固有频率的比值比分裂导线大好几倍，不易形成谐振。作为220kV公笔线一部分的紧凑型线段已发生两起舞动，而另一部分常规线路却没有发生舞动的事实也证明了分裂导线发生舞动的可能性比单导线大。同时相间距离的缩小也使低频率、大振幅的舞动造成相间短路事故的可能性加大。
3．4　相间绝缘间隔棒的影响
　　该紧凑型输电线路在尽量缩小相间距离的同时为防止相间短路而采用了相间绝缘间隔棒，连接和固定上中下三相导线的2只相间绝缘间隔棒在一条直线上安装（参见图2）是不妥当的，这种安装方法不仅不利于充分发挥相间绝缘间隔棒的防舞作用，也不利于相间绝缘间隔棒的受力。因为2只相间绝缘间隔棒直线安装使得上中下三相导线的动态特性完全相似，一旦有风能输入就会发生半波数相同的振动，导致舞动的发生。如果将上下2只相间间隔棒错开安装，不仅可使一档内有多个大的次档距，使三相导线的动态特征有所不同，扰乱其同步性，从而达到相互吸收振动能量、降低振幅和抑制导线舞动的目的，还能改善相间绝缘间隔棒的受力条件，减少相导线扭转产生的扭转力矩对相间绝缘间隔棒所施加的弯曲载荷，延长相间绝缘间隔棒的使用寿命。
该紧凑型输电线路在设计和施工中使用相间绝缘间隔棒的目的主要是从电气角度出发，没有从防止舞动事故的角度考虑。
　　综上所述，该紧凑型线段的舞动事故是在微地形条件、微气象条件、线路结构参数、相间绝缘间隔棒的不合理安排等多因素的共同作用下发生的。由于该线路已经定型，不可能再从线路结构、走向等方面考虑，而且正处于雨凇地带，通过的是特强舞动区，冬春季节再次产生舞动的可能性较大，因此必须采取措施加以治理，防患于未然。

4　防治措施

4．1　合理安装和布置相间绝缘间隔棒
　　结合紧凑型输电线路的具体特点，尽量发挥相间绝缘间隔棒的防舞作用，相间绝缘间隔棒的布置应遵循以下原则：
　　（1）相间间隔棒的安装位置要尽量避开导线舞动时可能出现的各种波形的波节点。
　　（2）应尽量将相间绝缘间隔棒安装在舞动常发波形的波腹处或附近。
　　（3）扩大上—中相间和中—下相间的相间绝缘间隔棒的安装距离，即不将上下2只相间绝缘间隔棒安装在一条直线上。
　　该紧凑型输电线路共11档，档距L均小于400m，在260～360m之间，因此其舞动的波形多为1～4个半波，5个及5个以上半波的舞动尽管也可能出现，但由于一般舞幅较小，不至引起线路故障，可不必考虑。1～4个半波的波腹和波节见表1，L为档距。　　根据相间绝缘间隔棒的安装原则，相间绝缘间隔棒的安装位置应尽量避开1～4个半波的波节点，并安装在1～4个半波的波腹处。参考表1，由于2阶与3阶波腹相距不远，因此可将两者合并，置于两个波腹点之间，这样既抑制了2阶舞动，又抑制了3阶舞动，同时又避开了4阶舞动的波节，即安装距离为：
　　因此可将相间绝缘间隔棒布置于（2／9）L、（1／2）L、（7／9）L三处或附近。实际布置时，还可根据紧凑型输电线路的自身特点和应用错开大的次档距方法进行适当调整。
　　综上所述，为达到最大限度地抑制导线舞动的目的，并根据档距大小以315m为分界线，相间绝缘间隔棒安装位置布置如下：
　　1）档距L＜315m的共用3只相间间隔棒，布置如图4（a）所示。如果相间绝缘间隔棒数量不足，也可只用2只相间绝缘间隔棒，布置如图4（b）所示。
　　2）档距L≥315m的共用4只相间绝缘间隔棒，布置如图4（c）所示。
　　从国外运行经验看，合理布置相间绝缘间隔棒是抑制舞动的重要措施之一，在日本就有安装相间绝缘间隔棒的线路没有再发生舞动的事例，加拿大建立的试验线路也证实绝缘间隔棒有抑舞作用，所以对必须采用相间绝缘间隔棒的线路，特别是紧凑型输电线路，如果相间绝缘间隔棒运用合理，在防止导线舞动以及防止脱冰跳跃等方面均可达到事半功倍的效果。
4．2　子导线间隔棒的不等距安装法
　　在许多情况下，分裂导线发生舞动的诱因是被子导线间隔棒隔开的次档距发生振荡，防止方法之一就是分裂导线的子导线间隔棒的采用不等距安装法，这样可使得子导线间隔棒之间以及子导线间隔棒与档端之间形成的次档距动态特性互不相同，并且在安装中避免某个次档距为另一个次档距的整数倍，从而使振动能量在各个次档距之间互相吸收，达到抑制导线舞动的目的。
　　我国中山口大跨越输电线路已连续几年发生导线舞动，防舞措施之一就是采用错开次档距的方法，实践证明，这一措施取得了较好的抑舞效果。因此对于该紧凑型输电线路可根据相间绝缘间隔棒的安装位置，在其大的次档距内按照一定间距安装1～3个子导线间隔棒以错开次档距。
　　由此可见，子导线间隔棒的不等距安装原则就是使各个次档距长度互不相等，并且避免使某个次档距长度为另一个次档距的整数倍。

5　结束语

　　（1）相间绝缘间隔棒的合理调整及子导线间隔棒的不等距安装方法已经在公笔线紧凑型输电线路上得到了实施，经过2000年初春季节寒冷天气的考验，在与1996年和1998年两次舞动事故相同的气象条件下没有发生相间短路跳闸事故，舞动得到了抑制，初步表明防止措施是有效的、可行的，为紧凑型输电线路防舞措施的推广实施提供了较好的依据。
　　（2）随着电力工业的飞速发展及我国土地资源的日趋紧张，紧凑型线路在输电领域的应用将会越来越普遍，公笔线紧凑型线段舞动事故的出现表明，在新建紧凑型输电线路，特别是紧凑型线路通过冻雨、雨夹雪或雨凇地带时，必须在设计阶段就要充分考虑防舞措施，做到防患于未然，避免公笔线紧凑型线段舞动事故重演。参考文献：
〔1〕　马建国．湖北省电网导线舞动区域划分〔J〕．电力建设，1999