湖北區域超特高壓輸電線路風偏風險評估分析

金 哲，尹 洪，李曉峰，劉春堂，雷 雨，辛 巍，楊世強

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

國網湖北省電力有限公司檢修公司管轄500 kV及以上超特高壓輸電線路113條，長度9 680.069 km，桿塔19 444基。2015年以來，所轄線路先后發生3起風偏故障跳閘，嚴重影響了供電可靠性。

對這3起風偏故障跳閘事件進行分析發現，故障發生時局部最大風速均已超設計風速，造成導線與塔身最小空氣間隙不能滿足運行要求，引起空氣擊穿。

在以往的風偏校核分析及風險評估工作中，一般采用設計風速作為基準風速進行校核，所轄線路桿塔均滿足設計風速要求。但是在微氣象區、甚至普通的平原地區超設計風速情況日益增多，線路運維面臨新的威脅，有必要對線路桿塔進行超設計風速校核，重新評估線路桿塔風偏風險。

1 線路風偏故障基本情況

2016年7月27日，500 kV峽都三回線路風偏故障；2016年8月14日，500 kV林江一回線路風偏故障；2017年8月12日，500 kV臥賢二回線路風偏故障。3起風偏故障線路設計風速均為27 m/s（基準高度10 m），氣象臺觀測的現場最大風速分別為31.2 m/s、30.5 m/s、34.5 m/s（基準高度 10 m），故障桿塔塔型分別為ZB4-51、ZB2-48、ZB1-30。現場地形分別為山地、平原、平原。

根據3起風偏故障實際平均風速情況，選取超設計風速5%對桿塔風偏風險進行校核分析。

2 線路風偏校核方法

本次校核主要采用的方法為：計算設定風速條件下桿塔的風偏搖擺角，以及特定塔型及絕緣子串組合條件下允許搖擺角，對比兩個搖擺角，得出是否滿足風偏要求的結論[1]。

2.1 超設計風速5%條件下桿塔的風偏搖擺角計算

搖擺角由水平荷載與垂直荷載比值組成。其中水平荷載由導線、絕緣子串受風產生的風荷載組成。此外，對于直線轉角塔，角度會讓桿塔兩側導線不處于同一條直線上，直線轉角塔風荷載應增加角度荷載。

垂直荷載主要由導線、絕緣子串自重產生的垂直荷載，以及導線附加垂直荷載（導線間隔棒、防振錘、雙擺防舞器重量）組成。

2.1.1 水平荷載計算

導線風壓荷載計算公式為：

在式(1)中，α是導線風壓不均勻系數，Wo是基本風壓，μz是風壓高度變化系數，μsc是導線體型系數，βc是計算桿塔時風荷載調整系數，d是分裂導線外徑之和，Lp是桿塔水平檔距，B是大風工況風荷載增大系數，θ是導線與風向間夾角。相關取值情況參見《Q/GDW 179 110 kV～750 kV架空輸電線路設計技術規定》。

絕緣子串風壓荷載計算公式為：

在式(2)中，Wo、μz、B 同上，A1是絕緣子串受風面積，取值標準為：單盤盤徑為254 mm2的絕緣子，每片受風面積取0.02 m2。大盤徑及雙盤徑取0.03 m2。金具受風面積，單導線每串取0.03 m2。兩分裂導線每串取0.04 m2,3-4分裂導線，每串取0.05 m2，對于雙聯絕緣子串的受風面積，取單聯的1.5～2倍。

直轉桿塔角度荷載計算公式為：

2.1.2 垂直荷載計算

導線垂直荷載計算公式為：

絕緣子串垂直荷載計算公式為：

附加垂直荷載計算公式為：

2.1.3 風偏搖擺角計算

風偏搖擺角計算公式為：

2.2 特定塔型及絕緣子串組合條件下允許搖擺角的計算

根據特定塔型單線圖、絕緣子金具串串長、導線分裂間距等，以工頻電壓下線路帶電部分與桿塔構件的最小間隙（500 kV為1.2 m）為控制半徑，繪制大風工況下允許風偏角示意圖，得出特定塔型及絕緣子串組合條件下允許搖擺角，如圖1所示。

圖1 500 kV線路ZB型桿塔允許搖擺角Fig.1 Acceptable swing angle of ZB type tower of 500 kV transmission line

可以看到，圖1所示某500 kV輸電線路ZB型桿塔允許搖擺角為49.6°。

2.3 風偏搖擺角與允許搖擺角比對分析

將上述計算、分析得到的風偏搖擺角和允許搖擺角進行對比，若風偏搖擺角大于等于允許搖擺角，則存在風偏隱患；若風偏搖擺角小于允許搖擺角，則不存在風偏隱患。

3 風偏校核結果分析

3.1 風偏校核結果概述

經校核，公司存在1 330基桿塔不滿足超設計風速5%風偏校核要求，占桿塔總數的7.2%。

不滿足要求的桿塔共涉及81類塔型，其中不滿足桿塔數排前十的分別為：ZB1型192基；L1型148基；G1型122基；ZB2型102基；ZV1型79基；ZB3型73基；ZV型70基；G2型68基；ZBV1型62基；ZB4型35基，總計951基，占全部不滿足要求桿塔數量71.5%。

由此看出，不滿足要求的桿塔類型主要集中在L型、ZB型、G型、ZV等型式上。

統計上述 4類塔型有：ZB型（ZB1、ZB2、ZB3、ZB4、ZB5）塔412基校核不滿足要求，占31.0%；G型（G1、G2、G3、G4、G5）塔206基校核不滿足要求，占15.5%；ZV型（ZV、ZV1、ZV2、ZV3）塔184基校核不滿足要求，占13.8%；L型（L1、L2）塔169基校核不滿足要求，占12.7%；四類塔型占比達73.0%。

各類不滿足桿塔類型比例如圖2所示。

圖2 不滿足超設計風速5%校核桿塔型式一覽Fig.2 Tower type general survey of dissatisfy windage yaw checking by adopting the 5%exceeding designing of wind speed as the reference wind speed

3.2 塔頭結構分析

選取ZB型桿塔分析其塔型結構，部分塔型塔頭結構如圖3所示。

圖3 ZB型部分塔型塔頭結構圖Fig.3 Tower head structure diagram of part ZB type tower

統計邊相及中相橫擔掛點分別至塔身距離如表1所示。

表1 ZB塔型邊相及中相橫擔掛點分別至塔身距離Tab.1 The ZB type tower distance between the side and the center of the horizontal cross arm

隨著塔型結構逐漸增大（從ZB1至ZB5），邊相（AB）及中相（CD）距離也隨之增大，不滿足超設計風速5%校核桿塔的比例則同步遞減,如圖4所示。

圖4 塔頭尺寸逐步加大，風偏隱患逐漸減小Fig.4 With the tower head size increases,the windage windage hidden danger reduces

其中ZB3至ZB4由10.7%增至11.0%，略有增幅，這主要是由于兩種塔型邊相（AB）及中相（CD）距離一樣，而ZB4型塔型平均呼高較ZB3型塔型高的緣故。

統計G型、L型等其他塔型各極導線掛點至塔身距離結論顯示也基本符合上述結果。

可以推斷：同一大類塔型（如G型、ZV型、ZB型等），橫擔較窄、塔頭較小的1型塔、2型塔（如G1、ZV1、ZB1等），風偏裕度偏小，風偏隱患更為突出。

3.3 垂直檔距分析

選取L型桿塔分析垂直檔距，L1型塔總計217基，148基不滿足超設計5%風速校核要求，占比68.2%。L2型塔總計35基，21基不滿足超設計5%風速校核要求，占比60.0%。

分析這些不滿足要求的桿塔垂直檔距，對其逐檔劃分如表2所示。

對L型塔而言，垂直檔距在200 m以下桿塔5基，不滿足要求的桿塔5基，占100%；垂直檔距在200至300 m間桿塔37基，不滿足要求的桿塔33基，占89.2%；垂直檔距在300至400 m間桿塔107基，不滿足要求的桿塔77基，占72.0%；垂直檔距在400 m以上桿塔103基，不滿足要求的桿塔54基，占52.4%，變化趨勢如圖5所示。

分析其他塔型也基本符合上述結果。可以推斷：垂直檔距越小，桿塔絕緣子發生風偏的隱患越大。

表2 L1、L2型不滿足超設計風速5%桿塔垂直檔距一覽Tab.2 L1 and L2 type tower ertical span general survey ofdissatisfy windage yaw checking by adopting the 5%exceeding designing of wind speed as the reference wind speed

圖5 垂直檔距增大，校核不滿足桿塔比例逐漸減小Fig.5 With the Vertical span increases,the proportion of the unsatisfied tower decrease

3.4 線路桿塔Kv值分析

Kv值即為桿塔垂直檔距除以水平檔距。由于桿塔搖擺角由水平荷載與垂直荷載比值決定，而水平荷載占比最大的組成部分導線風荷載取決于水平檔距，垂直荷載占比最大的組成部分導線垂直荷載取決于垂直檔距，因此Kv值較垂直檔距而言更能反映線路桿塔風偏隱患情況。

統計某±500 kV直流線路G1-36桿塔校核數據，得到18個樣本值，其中7基桿塔不滿足超設計風速5%校核要求，11基桿塔滿足。對18基桿塔按Kv值大小排列如表3所示。

可以看到：隨著Kv值從小到大，桿塔風偏風險基本呈遞減趨勢，僅330號桿塔存在差異。

對此線路而言，Kv值大于1.09時基本滿足超設計風速5%校核要求，小于1.09時不滿足設計風速5%校核要求概率極大。

需要補充說明的是，對不同線路的同類型塔，Kv值分界點略有不同，這主要是由于不同線路絕緣子串長度不同等其他非關鍵原因導致。

對每條線路而言，找準各類型塔Kv值，也可為線路治理提供一個重要依據。

表3 某G1-36桿塔Kv值及校核情況Tab.3 Kv value and checking results of G1-36 type tower

4 結語

風偏治理主要工作在于L型、G型、ZV型、ZB型等1型塔、2型塔治理。此類桿塔基數大，需進行防風偏治理的數量也較多，應根據現場所處地形、環境、歷史風偏情況、垂直水平檔距等綜合考慮，制定分年度治理計劃分批治理。總體原則為：優先對垂直檔距小、水平檔距大的桿塔開展防風偏治理。優先對各塔型1型塔、2型塔等橫擔結構較小的桿塔進行治理。

線路防風偏推薦采取的方法有：對于直線塔，可在原懸垂串上加掛重錘抑制導線風偏，提高間隙裕度。對于風偏隱患較嚴重的直線塔，也可將原單聯懸垂串改為雙聯懸垂串，并分別在每串上加掛重錘。對于風險最大的桿塔，還可在導線與塔身之間加裝硬隔離措施[3]。如在導線橫擔處掛點與塔身之間加裝硬隔離絕緣棒。該絕緣棒可以在導線風偏時阻隔導線進一步向塔身靠近。對于耐張塔，可在引流線懸垂串加掛重錘抑制導線風偏，提高間隙裕度。也可將跳線串單改雙，將單串引流線絕緣子改為雙I串或“八字”串并加裝重錘。

[參考文獻]（References）

[1]胡毅.輸電線路運行故障分析與防治[M].北京：中國電力出版社，2007.Hu Yi.Analysis and Prevention of Transmission Line Operation Faults[M].Beijing：China Electric Power Press,2007.

[2]謝強,張勇,李杰.華東電網500 kV任上5237線颮線風致倒塔事故調查分析[J].電網技術,2006,(10)：59-63,89.XIE Qiang,ZHANG Yong,LI Jie.Investigation on tower collapses of 500 kV renshang 5237 transmission line caused by downburst[J].Power System Technology,2006,(10)：59-63,89.

[3]國網運維檢修部.輸電線路六防工作手冊.防風害[M].北京：中國電力出版社，2015.Operation and Maintenance Department,State Grid Corporation of China.Manual of power transmission line six prevention.Windage yaw prevention[M].Beijing：China Electric Power Press,2015.