考慮復(fù)雜山地風(fēng)加速的架空線路風(fēng)偏閃絡(luò)故障分析

鄒丹旦， 余霜鴻， 邵 戎， 饒斌斌， 張 宇， 袁佳歆

(1.國家電網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096； 2.華東交通大學(xué)，南昌 330013；3.武漢大學(xué)，武漢 430072; 4.中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南昌 330096)

0 引言

隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大以及大量長距離高電壓等級(jí)輸電線路的建設(shè)[1-2]，許多輸電線路穿越在地形較為復(fù)雜的山地地區(qū)。而復(fù)雜山地地形對(duì)大氣的各種效應(yīng)而產(chǎn)生的特殊風(fēng)場，會(huì)對(duì)架設(shè)在該地區(qū)的輸電線路造成影響而產(chǎn)生與平坦地區(qū)不同的風(fēng)偏問題[3-10]。在設(shè)計(jì)時(shí)，現(xiàn)有風(fēng)偏計(jì)算方法并沒有完全考慮到山地對(duì)風(fēng)速的作用[11-14]，使得計(jì)算風(fēng)速與山地地形下的風(fēng)速有一定的偏差，從而導(dǎo)致計(jì)算得出的風(fēng)偏角與實(shí)際風(fēng)偏角存在著一定的差距。按照該計(jì)算下的輸電線路有出現(xiàn)風(fēng)偏故障的風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)現(xiàn)有的風(fēng)偏計(jì)算方法進(jìn)行針對(duì)山地地形下特殊風(fēng)場的修正[15-22]。

有學(xué)者使用余弦解析表達(dá)式建立峽谷型雙山脈模型，研究了典型峽谷及山脈地形下的輸電線與桿塔風(fēng)致響應(yīng)[22-23]。樓文娟等[24-25]建立四跨絕緣子導(dǎo)線耦合有限元模型討論了超高壓輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)與導(dǎo)線風(fēng)荷載的取值。向真[26]等對(duì)線路絕緣子串的風(fēng)偏角進(jìn)行了仿真分析，得到了動(dòng)態(tài)風(fēng)偏角的計(jì)算表達(dá)式。陶鈴宏[2]等對(duì)跳線絕緣子的風(fēng)偏特性進(jìn)行了測量分析。此外有研究者提出根據(jù)所在山體坡度、高度等因素的對(duì)數(shù)律解析模型來計(jì)算風(fēng)偏加速比[25,27]，然而實(shí)際地貌往往還受附近其它山體等復(fù)雜地形因素的影響，因而加速比的具體取值如能實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)場地形的流場仿真分析得出則更為接近實(shí)際情況。

筆者結(jié)合近期某供電公司所管轄的220 kV某II線在山地地形下發(fā)生的一起風(fēng)偏故障情況及相應(yīng)數(shù)據(jù)，分別采用傳統(tǒng)輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范所使用的風(fēng)偏計(jì)算方法和實(shí)際山地地形下特殊風(fēng)場產(chǎn)生的風(fēng)偏效果進(jìn)行修正的計(jì)算方法對(duì)實(shí)際故障線路風(fēng)偏進(jìn)行分析，驗(yàn)證地形因素修正對(duì)山地地形下輸電線路風(fēng)偏計(jì)算的重要性。在實(shí)際山地風(fēng)偏計(jì)算中，我們將由現(xiàn)場經(jīng)緯度坐標(biāo)的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行三維復(fù)雜山地地形的幾何建模，應(yīng)用ANSYS流場仿真建立網(wǎng)格并計(jì)算風(fēng)速場的空間分布，得出具體山地地形下的風(fēng)速加速比和線路的風(fēng)偏位移，從而合理分析現(xiàn)場風(fēng)偏故障的地形影響因素。

1 故障實(shí)況

2019年8月13日，220 kV某II線發(fā)生了一起線路開關(guān)跳閘且重合不成功的故障，經(jīng)過供電公司相關(guān)人員分析為輸電線路風(fēng)偏放電而發(fā)生的風(fēng)偏故障，以下為該故障的相關(guān)信息。

2019年8月13日14時(shí)38分，220 kV某II線線路開關(guān)跳閘，B相故障，重合不成功, A套保護(hù)測距9.3 km(對(duì)應(yīng)桿號(hào)29-32)。該段線路首端變電站收集到的相關(guān)故障錄波情況見圖1。

圖1 故障錄波波形Fig.1 Waveformin fault oscilloscope

由圖1可見，故障波形為典型的單相金屬性接地故障波形，故障的前期過程與發(fā)生雷擊故障的錄波類似，故障起始階段故障相的零序電壓波形瞬間增大，在約半個(gè)周期的擾動(dòng)后，波形趨向于穩(wěn)定的正弦波，其中的各次諧波的含量較為平均且總量占比較小。故障結(jié)束階段的波形可以看出有較長的震蕩時(shí)間，殘留時(shí)間也較長。

表1為220 kV某II線故障區(qū)段的基本信息。220 kV某II線長23.84 km，鐵塔82基，投運(yùn)時(shí)間是2014年11月14日。故障區(qū)段為33號(hào)-34號(hào)桿塔區(qū)域，故障相導(dǎo)線為B相導(dǎo)線。故障發(fā)生時(shí)，故障區(qū)段天氣情況為：雷雨，溫度在26 ℃～36 ℃間，風(fēng)向東南，風(fēng)力6級(jí)，相對(duì)濕度100%，降水量為10 mm，氣壓150 kPa。

表1 故障區(qū)段基本信息Table 1 Information of fault section

故障發(fā)生后，相關(guān)人員巡視到某II線33號(hào)-34號(hào)桿塔時(shí)，發(fā)現(xiàn)B相導(dǎo)線中一串有灼燒的痕跡，有明顯放電痕跡，使得導(dǎo)線部分受損。該處檔距480 m，導(dǎo)線掛點(diǎn)高差約10 m，放電點(diǎn)處于小號(hào)側(cè)(高點(diǎn))約三分之一處。放電點(diǎn)處房屋距離導(dǎo)線8 m，房屋有加蓋彩板瓦，頂樓有部分余料，房屋有受損?，F(xiàn)場人員在綜合考查故障區(qū)段的氣候和地理特征、故障期間的現(xiàn)場等情況后，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)場無鳥類活動(dòng)、無易造成短接的異物、無施工破壞痕跡，可排除鳥害、異物短路、機(jī)械破壞等常見原因，但是有落雷。查詢雷電定位系統(tǒng)，顯示故障時(shí)刻前后2 min、220 kV某II線線路走廊1 km范圍內(nèi)有密集落雷，見圖2。

圖2 現(xiàn)場33號(hào)與34號(hào)塔線路附近的雷電定位系統(tǒng)落雷數(shù)據(jù)Fig.2 Lightning location system near No.33 and No.34 tower

故障時(shí)刻母線零序電壓波形(圖3)在故障起始階段幅值迅速增大，經(jīng)過半個(gè)周期時(shí)間的擾動(dòng)，后續(xù)波形趨于穩(wěn)定的正弦波，故障結(jié)束階段有較長的震蕩時(shí)間(圖4)。經(jīng)計(jì)算，故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)桿號(hào)33號(hào)-34號(hào)(與實(shí)際故障區(qū)段一致)；B相電壓降幅達(dá)到74.6%(圖5)，故障相接地短路電流較大，有效值達(dá)6.7 kA(圖6)，過渡電阻值隨時(shí)間變化趨勢見圖7，均值大小為0.7 Ω，符合低阻單相接地短路故障特征。

根據(jù)氣象站觀測到的最大風(fēng)速、故障重合情況(重合不成功)、故障錄波數(shù)據(jù)(低阻單相接地短路故障)、以及雷電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)(線路走廊附近存在密集落雷)，結(jié)合導(dǎo)線與房屋的放電痕跡特征(放電通道符合導(dǎo)線對(duì)建筑物風(fēng)偏閃絡(luò)特征)，并詢問了故障點(diǎn)附近的居民，排除了線路發(fā)生其他故障的可能性，初步判斷是(在雷擊工況下)220 kV某II線33號(hào)-34B號(hào)相導(dǎo)線風(fēng)偏放電而引發(fā)的故障。

本次導(dǎo)線風(fēng)偏校核計(jì)算點(diǎn)位于33號(hào)塔大號(hào)側(cè)160 m處，所處耐張段為29號(hào)-34號(hào)塔段。33號(hào)塔水平檔距計(jì)算為332.0 m，垂直檔距l(xiāng)v計(jì)算為271.5 m；導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJ-300/25，絕緣子串串長計(jì)算為2 400 mm，絕緣子串自重(含金具重量)計(jì)算為90.25 kg，導(dǎo)線弧垂實(shí)測值為23.9 m。房屋高度為23.6 m，無風(fēng)時(shí)與導(dǎo)線水平距離8 m，導(dǎo)線對(duì)地高度22.5 m，故障點(diǎn)弧垂可計(jì)算為21.2 m。(放電點(diǎn)現(xiàn)場的房屋可以近似的認(rèn)為是一個(gè)立方體結(jié)構(gòu)，線路從房屋前以接近房屋一側(cè)平行的方向走過，現(xiàn)場確認(rèn)并測量的放電點(diǎn)距離房屋的水平距離可以近似認(rèn)為是放電點(diǎn)距離房屋的最小距離)故障現(xiàn)場放電點(diǎn)照片見圖7。根據(jù)故障現(xiàn)場照片，該故障屬于導(dǎo)線風(fēng)偏對(duì)沿線物體放電的故障。

圖7 故障現(xiàn)場放電點(diǎn)照片F(xiàn)ig.7 Photographof discharge path in fault section

2 故障現(xiàn)場的地形分析及三維模型

2.1 故障現(xiàn)場的地形數(shù)據(jù)

故障發(fā)生后，相關(guān)人員采集了故障區(qū)段各桿塔的相關(guān)信息(包含經(jīng)緯度坐標(biāo)，表中未顯示)便于后期對(duì)該故障進(jìn)行分析，部分桿塔信息見表2。

表2 故障區(qū)段各桿塔信息

表中數(shù)據(jù)顯示各桿塔之間的海拔高度差距不大，無法判斷其所在的地形為平坦地形還是山地，因此需要根據(jù)故障桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)獲得實(shí)際的地形信息來進(jìn)行分析。根據(jù)供電公司采集的故障區(qū)段桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)，使用地圖軟件對(duì)故障區(qū)段的每個(gè)桿塔坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記，初步得到了該輸電線路在故障區(qū)段的走向以及地形情況，見圖8。

圖8 故障區(qū)段線路走向及其地形Fig.8 Photograph of route and terrain of fault section

圖8中左邊為北方向?？梢钥闯鲈搮^(qū)段輸電線路依據(jù)山的走向而架設(shè)，是處于山地地形下的輸電線路，是一段沿山體走向架設(shè)的輸電線路，在該區(qū)段輸電線路的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮山體對(duì)風(fēng)速的影響，默認(rèn)采用水平垂直于山體的風(fēng)向并且輸電線路處于山體的迎風(fēng)坡位置進(jìn)行風(fēng)偏計(jì)算。

根據(jù)相關(guān)人員采集的故障當(dāng)天的氣象資料，2019年8月13日該區(qū)域風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，即風(fēng)從圖3所示的地形的右上角向左下角流動(dòng)，風(fēng)向大致與山體走勢(該區(qū)段線路走勢)水平垂直，滿足對(duì)輸電線路風(fēng)偏影響最大的風(fēng)向要求。

2.2 輸電線路故障區(qū)段的三維建模及分析

根據(jù)相關(guān)人員采集的故障區(qū)段的桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)以及桿塔型號(hào)等信息，導(dǎo)入國網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院自主研制的輸電線路專家系統(tǒng)(Transpert)，即可得到故障區(qū)段輸電線路及周圍地形的三維模型，見圖9。

故障區(qū)段該檔線路的具體參數(shù)則見圖10。

圖中，h代表了該桿塔所處位置的海拔高度，g為采用的該類型桿塔的呼稱高，即導(dǎo)線最下層懸掛點(diǎn)至地面的高度，l則為前一桿塔到該桿塔的檔距，即兩桿塔間的水平距離。故障區(qū)段為一個(gè)完整的耐張段，其中29號(hào)以及34號(hào)桿塔為耐張桿塔，中間無轉(zhuǎn)角塔，屬于一個(gè)典型的輸電線路耐張段，適合進(jìn)行相應(yīng)的模擬和分析。

根據(jù)現(xiàn)場情況，發(fā)生風(fēng)偏故障的故障點(diǎn)為33號(hào)塔至34號(hào)塔之間的一段導(dǎo)線上，故障原因是該段導(dǎo)線與線路旁的建筑物發(fā)生風(fēng)偏放電短路。因此可以單獨(dú)針對(duì)33號(hào)-34號(hào)塔之間的線路進(jìn)行風(fēng)偏分析。

圖11為故障區(qū)段33號(hào)和34號(hào)號(hào)塔的模型以及部分?jǐn)?shù)據(jù)，33號(hào)塔為圖左的直線塔，34號(hào)為圖右的耐張塔。發(fā)生故障的為輸電線路的B相導(dǎo)線，其中33號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)高度為12.7 m，34號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)高度為21 m。導(dǎo)線及掛點(diǎn)所在高度的風(fēng)速需要此精確的高度數(shù)據(jù)才能換算出更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，此時(shí)各桿塔B相掛點(diǎn)處的海拔高度為各塔所在地的海拔高度與掛點(diǎn)高度的和。根據(jù)表2可以計(jì)算到33號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)海拔高度為162.7 m，34號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)海拔高度為136.67 m，其中高差為26.03 m。

故障當(dāng)日為東南風(fēng)，風(fēng)力6級(jí)。根據(jù)風(fēng)力等級(jí)與風(fēng)速的換算關(guān)系，故障當(dāng)日風(fēng)速為10.8～13.8 m/s，一般風(fēng)力測定為10 m高度的數(shù)據(jù)，即風(fēng)速測定高度為10 m，利用風(fēng)速的高度換算公式，先不考慮風(fēng)速加速比：

(1)

式中v0為10 m處的基準(zhǔn)風(fēng)速，vh為線路設(shè)計(jì)高度h(m)處的風(fēng)速，βG為地形修正系數(shù)，z為地形粗糙度指數(shù)，兩者都與地形粗糙度等級(jí)有關(guān)，這里我們?nèi)〈植诙鹊燃?jí)為B類，即空曠田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū)地形，相應(yīng)βG的取值為1.0，z為0.16，故障當(dāng)日33號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)處的計(jì)算風(fēng)速為16.875～21.563 m/s，34號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)處的計(jì)算風(fēng)速為16.411～20.969 m/s，根據(jù)表1設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，采用的設(shè)計(jì)風(fēng)速為27 m/s，大于故障時(shí)的計(jì)算風(fēng)速，按照相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)速取值應(yīng)為合理取值。為計(jì)算簡便，將故障當(dāng)日的設(shè)計(jì)風(fēng)速取值采用平均值進(jìn)行計(jì)算，即33號(hào)塔B相導(dǎo)線掛點(diǎn)處設(shè)計(jì)風(fēng)速為19.219 m/s，34號(hào)塔B相掛點(diǎn)處設(shè)計(jì)風(fēng)速為19.690 m/s。

根據(jù)相關(guān)人員提供的實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，兩塔懸掛的絕緣子片數(shù)都為16片，按照風(fēng)壓計(jì)算公式

(2)

式中V為平均風(fēng)速，絕緣子串受風(fēng)面積統(tǒng)一為AI=0.02×16=0.32 m2，可計(jì)算出33號(hào)塔的絕緣子串風(fēng)壓約為72.470 N，34號(hào)塔絕緣子串風(fēng)壓約為76.066 N。故障區(qū)段導(dǎo)線型號(hào)為LGJ-300/25，導(dǎo)線相關(guān)的物理參數(shù)見表3。

表3 LGJ-300/25導(dǎo)線的物理參數(shù)Table 3 Parameters of conductorLGJ-300/25

單位長度該導(dǎo)線的計(jì)算質(zhì)量為1.058 kg/m，故單位長度導(dǎo)線自重力W1為10.58(N/m)，懸垂絕緣子串重力G1為884.45(N)。導(dǎo)線風(fēng)荷載計(jì)算公式?。?/p>

Pl=0.625αwμscβc(d+2δ)lH(Khv)2×
sin2θl×10-3,

(3)

相應(yīng)的系數(shù)取值為αw=0.8，d=23.76 mm，μSC=1.1，故障時(shí)風(fēng)向大致水平垂直于線路，θI=π/2，導(dǎo)線的平均高度為導(dǎo)線最高點(diǎn)(最高桿塔掛點(diǎn))與最低點(diǎn)(最大弧垂點(diǎn))之間的平均值，計(jì)算得為137.735 m，基準(zhǔn)高度處的風(fēng)速為六級(jí)風(fēng)速的平均值，為12.3 m/s，解得P≈4.576 N/m。

33號(hào)塔為直線桿塔，且計(jì)算用的水平檔距為332.0 m，計(jì)算用的垂直檔距為271.5 m，可以采用絕緣子串風(fēng)偏計(jì)算公式:

(4)

計(jì)算解得θ=25.081°。34號(hào)塔為該故障區(qū)段的耐張塔，導(dǎo)線的計(jì)算單位風(fēng)荷載gH=0.026 N/m，計(jì)算側(cè)檔距l(xiāng)為480 m。計(jì)算得到耐張絕緣子串的風(fēng)偏角θN=2.246°。耐張塔耐張絕緣子風(fēng)偏角較小，其對(duì)導(dǎo)線風(fēng)偏角的影響可以近似忽略不計(jì)。

導(dǎo)線的風(fēng)偏位移實(shí)際上是直線桿塔的懸垂絕緣子的風(fēng)偏位移與導(dǎo)線的風(fēng)偏位移兩種效果疊加而產(chǎn)生的效果，接下來則要計(jì)算導(dǎo)線本身受風(fēng)作用的風(fēng)偏角。導(dǎo)線的風(fēng)偏角計(jì)算可以采用導(dǎo)線風(fēng)偏角公式：

(5)

其中γ4為導(dǎo)線風(fēng)荷載比載，γ1為導(dǎo)線自重比載。導(dǎo)線平均高度處的風(fēng)速為18.713 m/s，LGJ-300/25導(dǎo)線的計(jì)算截面積為333.31 mm2，最終計(jì)算得到導(dǎo)線的風(fēng)偏角為23.774°。

故障現(xiàn)場的放電點(diǎn)與放電建筑物之間的情況見圖12。由圖可以看出，故障放電建筑物可以被簡單的視作一個(gè)立方體，那么故障發(fā)生的原因主要是導(dǎo)線在水平方向上的位移使得故障放電點(diǎn)與建筑之間的距離縮短，加之故障發(fā)生當(dāng)天空氣濕度過大造成的，加之風(fēng)的持續(xù)性效果，使得故障后的重合閘失敗影響了供電。因此分析該故障需要得到故障相導(dǎo)線的實(shí)際的水平風(fēng)偏位移情況。

依照已知的懸垂絕緣子長度和求得的懸垂絕緣子風(fēng)偏角，可以計(jì)算出懸垂絕緣子的水平風(fēng)偏位移，即懸垂絕緣子在水平方向上的位移為0.226 m。在懸垂絕緣子產(chǎn)生風(fēng)偏位移的基礎(chǔ)上，導(dǎo)線受到風(fēng)的作用在已經(jīng)發(fā)生風(fēng)偏位移的懸掛點(diǎn)上再次發(fā)生風(fēng)偏位移，故障點(diǎn)的導(dǎo)線位移可以視作以懸垂絕緣子串的導(dǎo)線掛點(diǎn)到故障點(diǎn)的弧垂長度大小的單擺來計(jì)算，故障點(diǎn)的弧垂大小為21.2 m，可以視作故障點(diǎn)單擺模型的擺長，因此單獨(dú)的故障點(diǎn)導(dǎo)線單獨(dú)發(fā)生的風(fēng)偏位移為1.80 m。故障點(diǎn)導(dǎo)線總位移則為懸垂絕緣子水平位移與導(dǎo)線水平位移之和，即2.206 m。因此風(fēng)偏導(dǎo)線故障時(shí)距建筑物的距離為8-2.025=5.974 m。根據(jù)《電力設(shè)施保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》第五條規(guī)定，在計(jì)算導(dǎo)線最大風(fēng)偏后，導(dǎo)線距建筑物的水平安全距離按導(dǎo)線電壓等級(jí)劃分見表4。

圖12 無風(fēng)偏情況下導(dǎo)線故障放電點(diǎn)與建筑的距離Fig.12 The distance between the fault discharge point of conductor and the building without wind

表4 《電力設(shè)施保護(hù)條例實(shí)施細(xì)則》中各級(jí)電壓導(dǎo)線的水平安全距離Table 4 Horizontal safety distance of conductors at different voltages in rules for the implementation of regulations on the protection of electric power facilities m

故障線路電壓等級(jí)為220 kV，因此按規(guī)定安全距離為5.0 m，計(jì)算得到的風(fēng)偏后故障點(diǎn)距建筑物水平距離為5.974 m，在安全距離外，按規(guī)定輸電線路是安全的。

3 故障區(qū)段復(fù)雜地形下的風(fēng)速場模擬

地形是分析輸電線路風(fēng)偏的不可忽略的一大因素，因此要合理分析該實(shí)際輸電線路的風(fēng)偏問題，需要了解該區(qū)段輸電線路所在的地形情況并按照該地形建立實(shí)際地形的三維模型來進(jìn)行相關(guān)的風(fēng)場模擬，在模擬得到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)該故障區(qū)段輸電線路進(jìn)行風(fēng)偏分析。

按照?qǐng)D9所示由Tanspert系統(tǒng)中的數(shù)字高程數(shù)據(jù)和故障區(qū)段桿塔經(jīng)緯度坐標(biāo)得出的地形模型，導(dǎo)入至流體有限元計(jì)算軟件中進(jìn)行風(fēng)速場的計(jì)算模擬，生成的流體計(jì)算區(qū)域幾何模型見圖13。

仿真中的計(jì)算域長寬都由導(dǎo)入的故障區(qū)段的地形數(shù)據(jù)決定，高度在保證流體完全拓展性的前提下定為1 000 m。根據(jù)現(xiàn)場信息，故障當(dāng)日風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)六級(jí)，對(duì)應(yīng)風(fēng)向?yàn)槌Ｐ妥笙陆欠较?，風(fēng)速定為六級(jí)平均風(fēng)速12.3 m/s。所以將圖8所示模型的右面邊界以及后面邊界設(shè)為入口邊界，按照式(1)將入口速度分解為x軸和y軸兩個(gè)方向的混合速度場，兩個(gè)速度疊加為東南風(fēng)六級(jí)的風(fēng)速剖面。

圖14 故障區(qū)段局部地形的風(fēng)速場分布圖Fig.14 Wind speed distribution of local terrain in fault area

通過以上設(shè)置后，使用ANSYS仿真得到圖14所示的流速場分布圖，結(jié)果取同一海拔高度上的點(diǎn)的風(fēng)速對(duì)比可以看出，故障區(qū)段山體對(duì)風(fēng)速有著一定的加速作用，符合針對(duì)沿山架設(shè)的輸電線路的風(fēng)偏計(jì)算修正方案所下的結(jié)論，可以采用該方案對(duì)故障區(qū)段的輸電線路進(jìn)行相應(yīng)的修正后的風(fēng)偏計(jì)算。

4 考慮地形因素修正后的風(fēng)偏計(jì)算

本研究已對(duì)故障區(qū)段的輸電線路按照傳統(tǒng)的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法進(jìn)行了計(jì)算，得到了故障點(diǎn)導(dǎo)線的風(fēng)偏水平位移，并推算出了與放電建筑物之間的距離。按傳統(tǒng)風(fēng)偏計(jì)算得到的結(jié)果，故障點(diǎn)與建筑物的距離仍舊有大約6 m，是能保證安全的距離，發(fā)生故障概率極低，符合安全性要求。現(xiàn)重新采用修正后的山地地形下的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法再對(duì)故障區(qū)段進(jìn)行風(fēng)偏計(jì)算，評(píng)估線路的故障發(fā)生時(shí)刻的安全性以及該修正計(jì)算方法的精確性。

由圖8和圖9可知故障區(qū)段線路所在的地形以及風(fēng)向的關(guān)系屬于本研究針對(duì)山地地形下的輸電線路的劃分中的沿山架設(shè)的輸電線路，且故障區(qū)段所處的位置正好為山體的迎風(fēng)坡處。因此計(jì)算采用修正后的山地地形下的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法中的沿山架設(shè)的輸電線路迎風(fēng)坡修正計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，該修正計(jì)算方法的中心思想是在計(jì)算中加入山體對(duì)風(fēng)速產(chǎn)生的加速作用以及沿風(fēng)向方向上線路所在地的坡角對(duì)線路荷載的作用。通過仿真得到故障點(diǎn)線路所在高度位置的風(fēng)速為23.1 m/s，與之前平地風(fēng)速相比，計(jì)算可得風(fēng)力加速比取值選擇為1.20，通過線路故障區(qū)段及周圍的地理信息計(jì)算得故障點(diǎn)所在地沿故障時(shí)風(fēng)向的方向上的坡角，修正后的絕緣子串風(fēng)壓則為

(6)

故障區(qū)段線路采用的絕緣子串型號(hào)為U70BP/146，其相應(yīng)的參數(shù)見表5。

表5 U70BP/146絕緣子相應(yīng)參數(shù)Table 5 Corresponding parameters of U70BP/146 insulator

絕緣子串受到的風(fēng)載荷可以分為水平風(fēng)載荷和豎直風(fēng)載荷，對(duì)于33號(hào)塔懸垂絕緣子串重力GI，應(yīng)為沿著山體的風(fēng)對(duì)懸垂絕緣子的托舉作用，需要減去相應(yīng)的豎直風(fēng)載荷作為絕緣子串重力的計(jì)算值，而豎直風(fēng)載荷可以視為豎直方向的風(fēng)速分量對(duì)絕緣子串產(chǎn)生的影響，其中絕緣子串的受風(fēng)面積A則為豎直方向的面積，也就是絕緣子盤面積，計(jì)算約為0.2 m2，33號(hào)塔懸垂絕緣子串的修正后的重力GI′為

(7)

同理，計(jì)算用導(dǎo)線風(fēng)載荷P′也要考慮山體的加速效應(yīng)以及其水平風(fēng)速的作用

P′=0.625αwμscβcd(λmKhvcosφm)2
×sin2θl×10-3≈6.457 N/m

(8)

而單位長度導(dǎo)線自重力W1也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹亓π拚?，單位?dǎo)線在豎直方向的受風(fēng)面積為導(dǎo)線外徑d與單位長度的乘積，即0.023 76 m2，則修改后的自重為9.97 N/m。

將修正后的各數(shù)據(jù)代入至式(6)進(jìn)行懸垂絕緣子串風(fēng)偏角計(jì)算，得到修正后的絕緣子串風(fēng)偏角θ′≈34.882°。因此，對(duì)應(yīng)的修正后的懸垂絕緣子的水平位移Δx1′為0.431 m。

傳統(tǒng)的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法在計(jì)算山地地形下的輸電線路的風(fēng)偏時(shí)，較采用修正后的針對(duì)山地地形下的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法相比，在該實(shí)際發(fā)生風(fēng)偏故障的山地地形下的輸電線路實(shí)例中，傳統(tǒng)的風(fēng)偏計(jì)算方法在風(fēng)速等的取值上過于籠統(tǒng)，從而忽略了山地地形對(duì)風(fēng)速的作用，在本例中，考慮到地形作用的計(jì)算風(fēng)速大小較傳統(tǒng)風(fēng)偏計(jì)算的風(fēng)速取值高了大約3.844 m/s，雖然由于本例中地形坡角較小，導(dǎo)致風(fēng)場對(duì)導(dǎo)線和絕緣子重力的作用幾乎可以忽略，但在實(shí)際情況中，不乏有輸電線路架設(shè)在更為陡峭的山體之上，則風(fēng)速對(duì)重力載荷的影響不可忽略。

本案例中3.844 m/s的風(fēng)速差可以使當(dāng)前風(fēng)力等級(jí)與原設(shè)計(jì)風(fēng)速的風(fēng)力等級(jí)上升一級(jí)，從而使得懸垂絕緣子風(fēng)偏角的計(jì)算差值達(dá)到了9.801°，輸電導(dǎo)線風(fēng)偏角的計(jì)算差值達(dá)到了9.203°，并使得最終的導(dǎo)線水平位移計(jì)算差值達(dá)到了1.821 m，導(dǎo)致相關(guān)的計(jì)算人員對(duì)輸電線路的安全性產(chǎn)生了誤判，影響了供電的安全性，發(fā)生了此次故障。因此可以看出山地地形對(duì)輸電線路的風(fēng)偏影響是比較大的，而采用了本文所述的針對(duì)山地地形情況下的風(fēng)偏計(jì)算方法修正后，能更好的表現(xiàn)出山地地形對(duì)輸電線路風(fēng)偏的影響，并最終起到預(yù)防輸電線路在山地地形下風(fēng)偏故障的發(fā)生的作用，提高輸電線路的安全性。

參考電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》，硬導(dǎo)線為φ150 mm鋁管，導(dǎo)線對(duì)塔柱在220 kV的50%峰值放電電壓下，放電間隙距離約為0.55 m。而本案例中現(xiàn)場的導(dǎo)線線徑較標(biāo)準(zhǔn)更細(xì)，同時(shí)故障現(xiàn)場的放電位型(房屋頂部尖端)也較標(biāo)準(zhǔn)中所述的位型更加的不規(guī)則，其放電電場的分布不均勻程度大于標(biāo)準(zhǔn)中所述情況，因而現(xiàn)場的50%概率放電距離應(yīng)大于標(biāo)準(zhǔn)中的放電距離。本案例中還存在雷雨等工況的影響(雷電定位系統(tǒng)顯示故障時(shí)刻前后2 min內(nèi)33號(hào)-34號(hào)桿塔附近有密集落雷)，這些因素均會(huì)使放電距離和放電發(fā)生的概率顯著增大。此外，實(shí)際工程中的許多事故是小概率事件，并非發(fā)生在50%概率的放電距離，且對(duì)現(xiàn)場的放電距離和放電概率的測量存在極大難度和不確定性。因而筆者將研究重點(diǎn)放在已知放電發(fā)生后的分析計(jì)算中，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)使以后的設(shè)計(jì)規(guī)范更能滿足安全性要求。

此外應(yīng)當(dāng)注意到，風(fēng)偏放電問題具有高度的不確定性，是一個(gè)概率問題。我們將在后續(xù)研究中設(shè)法獲取和統(tǒng)計(jì)更多的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，將復(fù)雜地形下的風(fēng)偏計(jì)算分析建立在概率描述的科學(xué)模型框架中。

5 結(jié)論

針對(duì)2019年8月13日的220 kV某II線實(shí)際發(fā)生的一起輸電線路風(fēng)偏故障進(jìn)行分析，介紹了故障線路的基本信息，故障發(fā)生時(shí)相關(guān)站點(diǎn)采集到的波形等信息，以及相應(yīng)的運(yùn)維單位人員于故障現(xiàn)場采集到的氣象等信息，判斷該故障屬于典型的導(dǎo)線風(fēng)偏故障。依據(jù)故障現(xiàn)場信息，進(jìn)行了以下工作：

1)根據(jù)相關(guān)單位提供的故障現(xiàn)場輸電線路故障區(qū)段各桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)，查看故障區(qū)段的大致地形情況，分析故障區(qū)段的輸電線路線路所在地形情況以及故障當(dāng)日的風(fēng)向信息，判斷故障當(dāng)日的情況屬于本研究所述的山地地形下的輸電線路，且故障區(qū)段所處的位置和一側(cè)山地的位置以及風(fēng)向的關(guān)系屬于本研究劃分的沿山架設(shè)的輸電線路的情形，接下來按照故障區(qū)段的經(jīng)緯度坐標(biāo)，通過Transpert地理數(shù)字高程數(shù)據(jù)獲取故障區(qū)段的地形數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的三維地形模型，用于故障區(qū)段地形的風(fēng)場模擬。

2)根據(jù)建立好的故障區(qū)段所在地的三維模型，對(duì)故障區(qū)段所在地地形進(jìn)行實(shí)際地形的風(fēng)場模擬，認(rèn)定故障區(qū)段的地形對(duì)故障當(dāng)日當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速有加速效果，并采用傳統(tǒng)的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法對(duì)故障點(diǎn)的風(fēng)偏位移進(jìn)行了風(fēng)偏計(jì)算，得到傳統(tǒng)風(fēng)偏計(jì)算下故障當(dāng)日故障點(diǎn)導(dǎo)線與放電建筑物之間的距離是滿足傳統(tǒng)安全規(guī)范要求的。

3)而采用本研究所述的修正后的沿山架設(shè)的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法對(duì)故障點(diǎn)的風(fēng)偏位移進(jìn)行再次計(jì)算，修正后的計(jì)算結(jié)果顯示，故障當(dāng)日故障點(diǎn)導(dǎo)線與放電建筑物之間的距離低于要求的最小安全距離，有風(fēng)偏放電的危險(xiǎn)，與傳統(tǒng)輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較顯示，修正后的山地地形下的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算方法考慮到了地形對(duì)風(fēng)速的影響，更加貼近于實(shí)際山地地形下輸電線路的風(fēng)偏情況，而在今后的實(shí)際山地輸電線路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮地形對(duì)線路風(fēng)偏的修正影響。