新疆大風環(huán)境下輸電線路風偏故障的研究和預測

姚文俊，曹洪強，鄧鶴鳴，王 剛

(1 中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074； 2國網(wǎng)電力科學研究院 武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074)

在強風的影響下，架空導線會向桿塔主材產生偏轉或位移，容易減小放電間隙引發(fā)閃絡事故，即風偏故障[1].風偏故障是電網(wǎng)正常運行的重大安全隱患，線路因風偏故障后重合閘不易成功，嚴重影響電網(wǎng)的正常運行，造成重大經(jīng)濟損失[2].新疆電網(wǎng)覆蓋地域廣大，境內大范圍存在的強風、沙塵、大溫差等極端氣象環(huán)境，極易引發(fā)超/特高壓線路風偏故障，給輸電線路的規(guī)劃、設計、施工和運維等帶來諸多難題和挑戰(zhàn).

關于輸電線路風偏的研究，現(xiàn)場實測試驗是研究輸電塔-線體系風振響應的手段之一，同時也是試驗室縮尺試驗研究的基礎，但由于花費巨大、耗時長等在輸電線路風災故障研究中未獲得廣泛應用，因此目前實測資料及相應的研究成果非常稀有[3-5].Palch等[6]對一段大跨越輸電導線風振響應進行現(xiàn)場實測，分析了不同風場下結構的風振響應規(guī)律，將此與數(shù)值計算結果對比，分析了預應力對輸電導線的風振響應的影響.文獻[7,8]考慮到現(xiàn)行風偏角計算公式當中對風荷載的計算不足可能是導致風偏頻繁發(fā)生的主要原因，于是在仿真計算的結果上提出了風荷載調整系數(shù).付國宏等[9]以杭州至瓶窯500 kV輸電塔線為工程背景，對輸電塔制作了1/30的縮尺模型，對架空線路進行了風振試驗，但該模型不能真實地模擬導地線的影響，釆用氣動能量輸入來模擬導線對輸電塔的風振響應的影響.謝強等[10]以l000 kV輸電塔線體系為原型，進行了氣彈模型風洞實驗，研究了輸電塔的橫風向振動特性、塔線之間的耦合作用和風荷載能量傳遞機制，指出耦聯(lián)振動是導致輸電塔-線體系風致破壞的主要原因.這些研究說明，風洞試驗可以很好地揭示輸電塔及塔-線體系的動力特性和風振響應特征，是目前風振分析中最為有效的方法.

對于輸電線路發(fā)生風偏閃絡故障，國內外專家認為，自然界強風及暴雨使導線-桿塔空氣間隙工頻放電電壓降低是造成風偏放電的本質原因之一，在輸電線路風偏設計中，均按純空氣間隙進行[11-14].國內有關極端環(huán)境區(qū)域輸變電設備運維與檢測、應對極端氣象災害的電網(wǎng)運行風險評估參數(shù)收集不全，較少考慮極端環(huán)境，需要開展強風、沙塵暴和大溫差等極端氣象環(huán)境參數(shù)的觀測與收集，評估電網(wǎng)極端環(huán)境災害的影響及相應預警智能化的研究工作.本文以新疆750 kV輸電線路的風偏閃絡故障數(shù)據(jù)為基礎，通過縮尺風洞試驗，研究在大風環(huán)境下，風速和風向對輸電線路的風偏角、導線張力、桿塔最小空氣間隙和擊穿電壓影響，針對性地調整各級線路和桿塔的基本參數(shù)，對線路風偏故障進行預判，保證電力系統(tǒng)的安全運行.

1 試驗設置

1.1 輸電塔-線耦合體系的原型和試驗系統(tǒng)參數(shù)

試驗原型為750 kV新疆吐哈線見圖1.其一、二線全線平行架設，平均海拔高度1000 m，架設地形為戈壁.新疆氣候類型為大風氣候，主導風為西北風，平均風速10 m/s，氣溫-13～40 ℃，年均降水量1.5 mm.750 kV吐哈一、二線全線設計風速分別為28, 31, 35, 36, 40 m/s五種，其中故障區(qū)域設計風速為28 m/s.

圖1 750 kV新疆吐哈線Fig.1 750 kV Xinjiang Tu-ha transmission line

仿真模擬計算取新疆吐哈一線的事故塔左右各一跨線路進行有限元建模，線路參數(shù)與實際情況相同，具體參數(shù)值見表1.

表1 模擬線路參數(shù)Tab.1 Simulated transmission line parameters

事故區(qū)特高壓輸電線路設計風速達28 m/s，在此基本風速下六分裂導線的各子導線存在一定的非同步運動，但仍以整體順風向運動為主，因此將六分裂導線等效為一根單導線進行處理，等效后的物理參數(shù)見表2，復合絕緣子參數(shù)見表3.

表2 六分裂等效導線物理參數(shù)
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 邊相絕緣子物理參數(shù)Tab.3 Physical parameters of the side insulator

1.2 縮尺模型風洞試驗

縮尺風洞試驗中采用1∶10的幾何縮尺比，模擬導線六分裂，型號為LGJK-310/50.試驗時導線豎向放置于上下端板之間，上端板通過螺桿懸掛于風洞頂面，四角用鐵絲固定于風洞底面，防止來流時上端板發(fā)生抖動，下端板通過支桿立于風洞底面.天平安放在分裂子導線下部，通過金屬連接板與導線相連(見圖2).

圖2 試品布置Fig.2 Arrangements of test equipment

試驗在浙江大學邊界層風洞ZD-1中進行，試驗段尺寸為4 m×3 m×18 m，風速范圍3～55 m/s，可模擬高于12級的大風，超過國內多數(shù)輸電線路風偏角設計時的最大設計風速(30 m/s).高頻測力天平采用小量程，力的量程為20 N，扭矩的量程為4 N/m.為消除風洞底面的洞壁干擾，將試驗平臺整體上移，為盡可能消除模型端部的三維流效應，在模型頂端加端板，模型與端板之間留有極小的間隙.

2 輸電線路的風偏故障的影晌因素分析

2.1 新疆大風的風向和風速的特點及模擬

風速是輸電線路風偏的必要條件，不同的風向和風速影響不同.新疆區(qū)域地勢起伏較大，內有三大山脈和兩大盆地.750 kV線路東西向部分沿天山山脈，南北走向位于天山和喀什昆侖山之間，倚天山山脈南麓，北緣塔里木盆地.統(tǒng)計資料顯示2011～2015年，750 kV線路整體年平均風速依次為2.653,2.667, 2.668, 2.697, 2.742 m/s，逐年單調遞增；風向角依次為184, 177, 175, 177, 180，年均風向穩(wěn)定，其中6級以上大風在第2, 3季度穩(wěn)定集中在112.5～157.5，第1, 4四季度無0～67.5和292.5～360的大風.

輸電線路發(fā)生風致振動時，結構與來流之間的相對運動效應會產生氣動阻尼.超高壓輸電線路具有跨度長、阻尼小、柔度大的特點，氣動阻尼對導線風偏響應計算有顯著影響.為考慮氣動阻尼的影響，考慮導線與來流的相對運動速度，此時作用于結構表面的風荷載由式(1)計算.

(1)

式中uD為對應時刻導線的運動速度.求出壓力時程后，施加到輸電線路模型的各節(jié)點上.采用無條件穩(wěn)定的Newmark法對非線性動力方程直接積分求解，并運用Newton-Raphson法對每個時間步末尾的位移進行迭代.輸電線屬于典型的非線性高柔度結構，只能承受拉力，不能承受壓力和彎矩，故采用Ansys中的Link10桿單元進行模擬；絕緣子串一直處于受拉狀態(tài)，其剛度相對輸電線要大很多，故采用Link8桿單元進行模擬.

同時空間點存在三個方向的脈動風場，但本文的研究對象為超高壓線路的風偏響應，對垂直于輸電線路的順風向荷載最為敏感，豎向和橫向風對其風偏響應影響不大.為了提高計算效率，采用諧波疊加法模擬空間點的順風向風速時程.具體計算是以兩跨線路為研究對象，建立精細化非線性動力學計算模型，運用諧波疊加法構建線路上各節(jié)點脈動風速時程，結合準定常假設模擬作用于輸電線路各節(jié)點上的時變風荷載.圖3為模擬輸電線路事故塔懸垂絕緣子掛點處考慮脈動后的風速時程曲線，為消除突加荷載沖擊放大效應的影響，在風速時程的前100 s加入風速由0增至風速平均值的線性增長過程.

圖3 導線懸掛點處風速時程Fig.3 Wind speed time series at the suspension point of the wire

圖4為脈動風速功率譜的目標值和模擬值的對比.其中風功率譜的目標值和模擬值吻合較好，說明獲得的風速時程能有效反應脈動風速能量在頻域內的分布特征.

圖4 風譜模擬Fig.4 Simulated wind spectrum

2.2 大風對桿塔處懸垂絕緣子串風偏角和應力的影響及分析

懸垂絕緣子串的風偏是一個復雜的動態(tài)過程，類似于有外力驅動和摩擦阻尼的單擺運動，模型見圖5.

圖5 風偏角示意圖Fig.5 Sketch of the windage yaw angle

絕緣子串在擺動過程中外力達到平衡時，搖擺過程并未結束，可用有限元軟件Ansys作時程分析，得到各導線懸掛點的順風向位移UXG.若風偏過程中懸垂絕緣子串變形較小，可以忽略，利用公式(2)可得距輸電塔較近的懸垂絕緣子串處的風偏角φ大小.

(2)

(3)

式中g為峰值因子，取2.5.圖6為風偏時風速與風偏角間的變化關系，計算結果和風洞試驗擬合結果均顯示：出風速增大，風偏角也變大，兩種方法獲得的結果非常吻合.

圖6 風偏角計算結果擬合曲線Fig.6 Fitted curves on the results of the windage yaw angl

提取事故塔絕緣子串懸掛點處導線桿單元的應力，乘以等效面積即為六分裂導線的合張力.圖7顯示了故障桿塔導線和地線的張力計算結果和風洞試驗值的擬合曲線，可見計算結果和風洞試驗結果吻合程度較好.

a)導線總張力；b) 地線張力；c) 300 m跨地線張力；d) 540 m跨地線張力 圖7 故障桿塔導線和地線張力擬合曲線Fig.7 Fitted curves on the conductors and ground wires tension of faulty pole and tower

2.3 大風對桿塔空氣最小間隙的影響和分析

線路發(fā)生風偏跳閘的本質原因是在大氣環(huán)境中出現(xiàn)的各種不利條件(如強風、降雨等)，造成線路與桿塔間的空氣間隙減小，當間隙的絕緣強度不能承受系統(tǒng)運行電壓時，發(fā)生擊穿放電.輸電線路在風偏狀態(tài)下至塔身的最小空氣間隙d可通過懸垂絕緣子串的風偏角及桿塔結構參數(shù)計算得到.取吐哈一線的故障桿塔型號為ZB131P(參數(shù)見表1)，風速與最小空氣間隙的關系曲線如圖8所示，風速越大，風偏角越大，線路至塔身的最小空氣間隙d越小.由風洞試驗得出的風速與最小空氣間隙的關系如圖9所示，圖中試驗數(shù)據(jù)的擬合結果和計算結果誤差較小，說明利用風偏公式計算得出的最小空氣間隙正確.

圖8 ZB131P型桿塔最小空氣間隙隨風速變化的關系Fig.8 Relation between the wind speed and the minimum air space on ZB131P pole and tower

圖9 最小空氣間隙隨風速變化的關系計算結果與風洞試驗擬合對比Fig.9 Fitting comparison of calculation results of minimum air gap with wind speed and wind tunnel test

2.4 風雨組合對桿塔空氣間隙擊穿電壓的影響和分析

風偏放電故障和事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，故障和事故多發(fā)生在強風伴隨著大雨氣象條件.表4為不同的降雨強度對間隙距離的絕緣強度的影響，可見降雨后導線-桿塔空氣間隙的放電電壓有不同程度的降低，隨著導線-桿塔空氣間隙距離的增加，其降低幅度逐漸變小.由于降雨后，導線和桿塔構架上掛有大量水滴，在水滴表面電場強度較高，導致流注易于由此產生、發(fā)展，降低了間隙的放電電壓.隨著導線-桿塔空氣間隙距離的增大，水滴對整個空間電場的影響相對減小，使其放電電壓變化幅度逐漸變小.在雨量增加的情況下，雨水在大風的引導下形成與放電方向相同的雨線，而雨水的介電常數(shù)較空氣更大(約為80∶1)，使放電間隙中雨滴顆粒附近的空間場強增強，導致空氣間隙放電電壓進一步降低.

表4 不同雨強下氣隙的擊穿電壓Tab.4 Breakdown voltage of air gap in different rainfall intensity

表4中的降雨強度對同一電壓可擊穿間隙臨界長度的增長比的影響符合Gauss函數(shù)關系，采用Gauss公式依次對不同雨強下的降雨強度修正系數(shù)k進行擬合，擬合系數(shù)如表5所示，k可表示為式(4).

(4)

經(jīng)降雨量修正后，得到輸電線路風偏閃絡電壓預測值Uf為式(5).

Uf=kU50%.

(5)

3 輸電線路風偏故障預測

3.1 風偏閃絡預警方法

輸電線路風偏閃絡預警可按流程圖進行，流程如圖10所示.

圖10 輸電線路風偏閃絡預警流程圖Fig.10 Flow chart of the windage yaw flashover prediction of transmission line

3.2 預報實例

2014年4月22日夜間到24日，受強冷空氣影響，南疆大部出現(xiàn)沙塵暴和大風天氣.北疆、東疆大部出現(xiàn)重霜凍和約6級西北風，風口風力10～11級.4月23日09時01分01秒，750 kV吐哈一線B相故障跳閘，重合不成功；10時22分，750 kV哈吐一線恢復運行；10時53分37秒，750 kV吐哈一線B相再次故障跳閘，重合不成功；11時17分，750 kV哈吐一線恢復運行；11時18分57秒，750 kV吐哈一線再次發(fā)生B相接地故障跳閘，重合不成功. 2014年4月23日09時55分27秒，750 kV吐哈二線B相故障跳閘，重合不成功；10時47分，750 kV吐哈二線恢復運行；11時44分03秒，750 kV吐哈二線B相故障跳閘，重合成功；11時44分14秒，750 kV吐哈二線B相再次故障跳閘，重合不成功；4月25日05時16分，750 kV哈吐二線恢復運行.通過現(xiàn)場巡線，最終確定故障桿塔為，吐哈一線#326、吐哈二線#326，如圖11所示.

a) 吐哈一線 ; b) 吐哈二線圖11 吐哈線326號B相(左邊相)放電路徑Fig.11 Discharge path of the left side insulator on Tu-ha line

通過中尺度數(shù)值預報技術，得到了故障326號桿塔在故障發(fā)生時前后一段時間內的風速見圖12.圖中顯示在4月23日的風速數(shù)據(jù)，從8:30開始，風速從29.8 m/s開始增加，到9:00時風速達到了33.407 m/s，此后的1 h內，風速一直保持在33～34 m/s.750 kV吐哈一線和吐哈二線發(fā)生風偏跳閘的時間分別為09時01分01秒和09時55分27秒，兩個時刻的風速分別為33.259, 33.975 m/s.

圖12 326號桿塔4月23日風速數(shù)據(jù)Fig.12 Wind speed of the 326 pole and tower on April 23

利用風偏公式計算出2014年4月23日，故障發(fā)生時間段內，風偏最小空隙間隙的變化情況如圖13所示.由圖中可見，9:01:01吐哈一線故障發(fā)生時刻，計算結果和風洞試驗擬合的絕緣子和桿塔的最小間隙距離分別為1.10, 1.21 m；9:55:27吐哈二線故障發(fā)生時刻，絕緣子和桿塔的最小間隙距離為1.03, 1.17 m.對比圖12和圖13中的數(shù)據(jù)可知：兩次故障發(fā)生時刻，公式計算結果和風洞試驗擬合結果相同，其最小間隙距離均小于750 kV桿塔要求的工頻電壓最小間隙距離1.8 m，具備了發(fā)生風偏放電的必要條件，與實際情況相符.

圖13 故障桿塔最小空氣間隙隨時間變化的關系Fig.13 Relation between minimum air gap of fault tower and time

4 結語

本文在收集新疆地區(qū)大量強風和沙塵導致輸變電設備故障數(shù)據(jù)的基礎上，通過風洞試驗研究了大風引起輸電線路風偏故障的影響因素，得到一個應對大風氣象災害的輸電線路故障的預警模型，該模型能對線路風偏故障進行預判，保證電力系統(tǒng)的安全運行.