500kV线路交叉跨越风偏故障原因

500kV线路交叉跨越风偏故障原因

陈亮徐恒波

国网江苏省电力有限公司连云港供电分公司江苏连云港222000

摘要：500kV输电导线风偏对地（铁塔）放电引起的线路跳闸大部分难以重合闸成功，容易造成送电线路停运。2018年9月16~17日，超强台风“山竹”入侵广东、广西两省，20h内造成超高压输电公司所辖线路跳闸17条次，且多数重合不成功，或重合成功后短时间内又跳闸，使电网受到极大影响。

关键词：500kV线路；交叉跨越；风偏

一、设备基本情况

平来线是西电东送南通道的天广二回送电线路的其中一段，地处广西境内，起于500kV平果变电站，止于500kV来宾变电站，于1998年10月30日建成投运。导线采用4×LGJ300/40（导线参数见表1），设计的工频电压间隙均为1.2m。1号~218号杆塔地处Ⅱ级气象区，设计最大风速为30m/s，最高气温为40℃，最低气温为0℃，0mm覆冰。表1LGJ—300/40导线主要参数

楚穗线是国内第1条±800kV直流输电线路，输送容量高达5000MW，其设计最大风速为27m/s，于2008年10月30日建成投运。上述两条线路存在交叉跨越，交叉塔号为平来线204号~205号、楚穗线1387号~1388号，交叉角约为30°。

二、故障跳闸和故障巡查情况

1、故障跳闸情况

第1次跳闸：2018年9月16日23：41，平来线B相跳闸，重合闸动作，合于永久性故障三相跳闸；9月17日00：33，强送电成功。

第2次跳闸：17日01：05，平来线B相跳闸，重合闸动作，合于永久性故障三相跳闸。

第3次跳闸：17日01：24，平来线充电成功；在等待对侧操作过程中，01：29，平来线B相跳闸，重合闸动作，合于永久性故障三相跳闸；17日17：06，平来线送电成功。

2、故障巡查情况

根据2h内发生的3次跳闸故障波形判断，这3次故障均为金属性接地，且行波测距结果很接近，分别为89.039km、89.627km、89.773km，对应的杆塔范围为203号~205号，由此判定故障点在203号~205号杆塔范围内。

17日06：35，防台风现场驻点人员对测距区段开展特巡，发现平来线204号~205号杆塔B相（右相）档中右下子导线及线路外侧的楚穗线1388号塔身A腿主材对应导线位置有明显放电痕迹，其中导线外层铝股断了3股，断股周边有白色放电痕迹，如图1、图2所示。平来线和楚穗线相对位置如图3所示，现场测量数据见表2。

图1平来线导线上的烧伤断股痕迹

图2楚穗线铁塔主材上的放电痕迹

图3两线路交叉跨越示意图

表2现场测量数据

三、原因分析

1、初步原因分析

203号~205号塔及其前后杆塔的绝缘子上均无放电痕迹，且天气为台风中大雨，污闪的条件不具备，可排除污闪造成的跳闸。查询雷电定位系统，3次跳闸前后1h，203号~205号杆塔5km范围均无落雷记录，因此排除雷击造成的跳闸。由于3次故障均为金属性接地，检查线路通道高杆树木均已清理，可排除导线对树木放电的可能。

根据气象局提供的超强台风“山竹”过境时的风速数据，当时当地的最高风速达25~27m/s，且在导线及线路外侧交叉跨越的铁塔主材上找到放电点痕迹，初步认为线路跳闸是由于导线在台风的作用下，大幅度往外侧铁塔风偏导致距离不足造成接地短路放电，导线及塔材上的烧伤痕迹就是电弧造成的。同相整组子导线风偏后右下子导线对铁塔的距离小于同相其他子导线，因此导线的烧伤痕迹出现在右下子导线上。

导线风偏距离的决定因素包括导线风偏角、导线放电点弧垂以及档端绝缘子串长度及其风偏角。其中，204号~205号塔的档距为684m，25℃时其档距中点的测量弧垂为31.78m，导线放电点到档端的距离为229.80m，其测量弧垂为28.35m。当风速为30m/s时，LGJ-300/40导线风偏角为38.64°，可以算出尚未计及档端绝缘子串风偏情况下的导线放电点风偏水平距离为17.70m，与导线对楚穗线铁塔的距离18.05m非常接近。但具体的精确距离应根据实际风速并计及绝缘子串风偏进行校核。

2、导线风偏校核

若只考虑导线风偏，不考虑绝缘子串风偏带来的导线挂点的偏移，则可以根据导线与铁塔的相对距离，通过作图法求出导线对地距离为1.2m时的风偏角，再通过相关公式求得对应的风速。在本文的风偏校核过程中，不仅要考虑导线的风偏，而且要考虑档端两基绝缘子串风偏，因此，必须采用迭代法进行计算。具体步骤：（1）先将风速取值为30m/s，根据该风速计算出导线风偏角、绝缘子串风偏引起的导线挂点偏移量；（2）通过作图法，求出导线风偏对塔身的距离；（3）将求得的距离与1.2m比较，再用二分法确定下一步计算风速的取值；（4）重复以上过程，直至求出导线风偏对塔身距离为1.2m时对应的风速。

2.1第1轮迭代计算

（1）导线风偏角计算

导线风偏角的计算公式：

式中：w1为导线水平风荷载，N/m；W1为导线自重力，N/m；α为导线风压不均匀系数；μsc为导线体形系数；βc为导线作用于杆塔上的风载调整系数；v为导线规定基准高hs处的设计风速，m/s；Kh为导线平均高度为h处的风速高度变化系数；d为导线外径，mm；δ为导线覆冰厚度，mm；θ为风向与导线轴向间的夹角，°。

由式（1）可计算得风速v为30m/s时导线的风偏角为38.64°。

（2）绝缘子串摇摆角计算

绝缘子串风偏摇摆角的计算公式：

式中：ϕ为悬垂绝缘子串风偏角，°；P1为悬垂绝缘子串风压，N；G1为悬垂绝缘子串重力，N；P为导线风压荷载，N/m；W1为导线自重力，N/m；lH为悬垂绝缘子串的水平档距，m；lV为悬垂绝缘子串的垂直档距，m。由式（2）可计算得风速v为30m/s时平来线204号、205号绝缘子串的风偏角分别为37.44°、48.59°。

（3）导线挂点O的偏移计算

a、平来线204号绝缘子串的导线挂点偏移计算如下：

水平偏移：4.96×sin37.44°=3.01m；

垂直偏移：4.96×（1-cos37.44°）=1.02m。

b、同理可计算得平来线205号绝缘子串的导线挂点水平偏移、垂直偏移分别为3.95m、1.78m。

c、204号、205号绝缘子串风偏后，导线放电点的挂点O按同一方向向楚穗线1388号塔偏移，按照相似三角形等比原理，可计算O点水平偏移、垂直偏移分别为3.33m、1.28m。

（4）风偏后导线对铁塔的距离

按照以上测量和计算所得的弧垂、导线风偏角、挂点偏移等数据，可用作图法求得导线对铁塔的距离为-2.360m（负值表示导线风偏距离已经超过了楚穗线铁塔所在位置）。

2.2下一轮迭代计算

由于按照30m/s的风速计算所得的导线风偏距离已经超过了楚穗线1388号铁塔所在位置，因此需继续计算，求出导线风偏后与铁塔距离为1.2m对应的风速。导线风偏对楚穗线1388号塔距离示意图如图4所示，图中O′为偏移后导线挂点；C′为导线；C′E为导线风偏轨迹；GF为距离铁塔1.2m的包络线；EH导线对塔身距离。第2轮迭代计算的风速取值原则为：经过挂点O′、导线风偏轨迹和包络线交点F的连线与垂线的夹角∠FO′C′为29.63°，取29.63°和38.64°的中间值34.14°作为下一次计算的试算条件，其对应的导线风速是27.63m/s，即第2轮迭代计算的风速取值为27.63m/s。依此类推，经过多次计算，直至算出当导线风偏与铁塔的距离为1.2m时对应的风速。整个迭代计算取值及结果见表3。

图4导线风偏对楚穗线1388号塔距离示意图

表3利用迭代法进行风偏距离校核过程数据表

从表3数据可看出，经过多次迭代计算，得到导线与铁塔的距离分别为1.195m、1.203m时对应的风速为25.96m/s、25.95m/s，即当风速达到25.96m/s及以上时，导线与铁塔的距离不满足规程1.2m的要求。

四、防范措施

根据设备损伤情况及故障原因，建议采取如下防范措施：

（1）修补损伤的导线。2018年9月21日开展带电作业，采用预绞丝对损伤的导线进行补强。

（2）在档端直线塔增加横向绝缘子串，限制导线水平风偏距离，防止风偏跳闸。根据表3数据可知，风速为30m/s时，两端绝缘子串风偏造成的放电点导线挂点水平偏移3.33m。若增加横向绝缘子串，可将悬垂绝缘子串固定在原处，导线风偏后对楚穗线塔身的距离为3.33-2.36=0.96m。增加横向绝缘子串时，可适当将悬垂绝缘子串内收0.3m，即悬垂绝缘子串倾斜度为3.47°，则导线风偏后对楚穗线塔身的距离为0.96+0.3=1.26m，满足1.2m的要求。若风速为27.63m/s，导线风偏后对楚穗线塔身的距离为3.02-0.339+0.3=2.98m，完全满足电气距离要求。

（3）在导线放电位置增加一基耐张塔或直线塔。该方法可最大限度地确保大风情况下导线对楚穗线塔身的距离，但投资较大，涉及设计、施工等环节，实施过程比较复杂。

（4）目前设计单位进行线路交叉跨越设计时，存在注重两线路间的垂直距离要求而忽视水平距离要求的问题。对此，建议在设计阶段加强两线路间垂直距离、水平距离的校核工作。另外，应关注新旧线路的设计风速取值不一致的情况。

结束语

综上所述，此次平来线多次跳闸故障原因是大风作用下导线、绝缘子串发生大幅度风偏，造成导线与线路外侧交叉跨越的楚穗线铁塔距离不足而导致放电跳闸。其现场特征是故障档距大、弧垂长、档端杆塔处于低位，同时交叉跨越铁塔位于故障线路档距中间且水平距离较小。

为了防止类似故障再次发生，建议在档端杆塔增加横向绝缘子串或在档距中间增立杆塔，加强交叉跨越线路的水平风偏校核工作，开展风偏现场特征的技术技能培训，提高线路设计和运维水平。

参考文献：

[1]吴正树，李昌甫，陆文叁.500kV崇南甲线风偏故障分析[J].广西电力，2013，36（5）：69-71．

[2]黄金领，陈刚.500kV线路绝缘子串风偏跳闸故障分析及对策[J].广西电力，2016，39（6）：14-16．