新疆大風(fēng)環(huán)境下輸電線路風(fēng)偏故障的研究和預(yù)測

姚文俊，曹洪強，鄧鶴鳴，王 剛

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

在強風(fēng)的影響下，架空導(dǎo)線會向桿塔主材產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或位移，容易減小放電間隙引發(fā)閃絡(luò)事故，即風(fēng)偏故障[1].風(fēng)偏故障是電網(wǎng)正常運行的重大安全隱患，線路因風(fēng)偏故障后重合閘不易成功，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運行，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[2].新疆電網(wǎng)覆蓋地域廣大，境內(nèi)大范圍存在的強風(fēng)、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(fēng)偏故障，給輸電線路的規(guī)劃、設(shè)計、施工和運維等帶來諸多難題和挑戰(zhàn).

關(guān)于輸電線路風(fēng)偏的研究，現(xiàn)場實測試驗是研究輸電塔-線體系風(fēng)振響應(yīng)的手段之一，同時也是試驗室縮尺試驗研究的基礎(chǔ)，但由于花費巨大、耗時長等在輸電線路風(fēng)災(zāi)故障研究中未獲得廣泛應(yīng)用，因此目前實測資料及相應(yīng)的研究成果非常稀有[3-5].Palch等[6]對一段大跨越輸電導(dǎo)線風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場實測，分析了不同風(fēng)場下結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)規(guī)律，將此與數(shù)值計算結(jié)果對比，分析了預(yù)應(yīng)力對輸電導(dǎo)線的風(fēng)振響應(yīng)的影響.文獻(xiàn)[7,8]考慮到現(xiàn)行風(fēng)偏角計算公式當(dāng)中對風(fēng)荷載的計算不足可能是導(dǎo)致風(fēng)偏頻繁發(fā)生的主要原因，于是在仿真計算的結(jié)果上提出了風(fēng)荷載調(diào)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(jìn)行了風(fēng)振試驗，但該模型不能真實地模擬導(dǎo)地線的影響，釆用氣動能量輸入來模擬導(dǎo)線對輸電塔的風(fēng)振響應(yīng)的影響.謝強等[10]以l000 kV輸電塔線體系為原型，進(jìn)行了氣彈模型風(fēng)洞實驗，研究了輸電塔的橫風(fēng)向振動特性、塔線之間的耦合作用和風(fēng)荷載能量傳遞機制，指出耦聯(lián)振動是導(dǎo)致輸電塔-線體系風(fēng)致破壞的主要原因.這些研究說明，風(fēng)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(fēng)振響應(yīng)特征，是目前風(fēng)振分析中最為有效的方法.

對于輸電線路發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)故障，國內(nèi)外專家認(rèn)為，自然界強風(fēng)及暴雨使導(dǎo)線-桿塔空氣間隙工頻放電電壓降低是造成風(fēng)偏放電的本質(zhì)原因之一，在輸電線路風(fēng)偏設(shè)計中，均按純空氣間隙進(jìn)行[11-14].國內(nèi)有關(guān)極端環(huán)境區(qū)域輸變電設(shè)備運維與檢測、應(yīng)對極端氣象災(zāi)害的電網(wǎng)運行風(fēng)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(fēng)、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(zāi)害的影響及相應(yīng)預(yù)警智能化的研究工作.本文以新疆750 kV輸電線路的風(fēng)偏閃絡(luò)故障數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過縮尺風(fēng)洞試驗，研究在大風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)速和風(fēng)向?qū)旊娋€路的風(fēng)偏角、導(dǎo)線張力、桿塔最小空氣間隙和擊穿電壓影響，針對性地調(diào)整各級線路和桿塔的基本參數(shù)，對線路風(fēng)偏故障進(jìn)行預(yù)判，保證電力系統(tǒng)的安全運行.

1 試驗設(shè)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(shè)，平均海拔高度1000 m，架設(shè)地形為戈壁.新疆氣候類型為大風(fēng)氣候，主導(dǎo)風(fēng)為西北風(fēng)，平均風(fēng)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(shè)計風(fēng)速分別為28, 31, 35, 36, 40 m/s五種，其中故障區(qū)域設(shè)計風(fēng)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(jìn)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(shè)計風(fēng)速達(dá)28 m/s，在此基本風(fēng)速下六分裂導(dǎo)線的各子導(dǎo)線存在一定的非同步運動，但仍以整體順風(fēng)向運動為主，因此將六分裂導(dǎo)線等效為一根單導(dǎo)線進(jìn)行處理，等效后的物理參數(shù)見表2，復(fù)合絕緣子參數(shù)見表3.

表2 六分裂等效導(dǎo)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(fēng)洞試驗

縮尺風(fēng)洞試驗中采用1∶10的幾何縮尺比，模擬導(dǎo)線六分裂，型號為LGJK-310/50.試驗時導(dǎo)線豎向放置于上下端板之間，上端板通過螺桿懸掛于風(fēng)洞頂面，四角用鐵絲固定于風(fēng)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(fēng)洞底面.天平安放在分裂子導(dǎo)線下部，通過金屬連接板與導(dǎo)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(xué)邊界層風(fēng)洞ZD-1中進(jìn)行，試驗段尺寸為4 m×3 m×18 m，風(fēng)速范圍3～55 m/s，可模擬高于12級的大風(fēng)，超過國內(nèi)多數(shù)輸電線路風(fēng)偏角設(shè)計時的最大設(shè)計風(fēng)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(fēng)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(yīng)，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(fēng)偏故障的影晌因素分析

2.1 新疆大風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速的特點及模擬

風(fēng)速是輸電線路風(fēng)偏的必要條件，不同的風(fēng)向和風(fēng)速影響不同.新疆區(qū)域地勢起伏較大，內(nèi)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(fēng)速依次為2.653,2.667, 2.668, 2.697, 2.742 m/s，逐年單調(diào)遞增；風(fēng)向角依次為184, 177, 175, 177, 180，年均風(fēng)向穩(wěn)定，其中6級以上大風(fēng)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(fēng).

輸電線路發(fā)生風(fēng)致振動時，結(jié)構(gòu)與來流之間的相對運動效應(yīng)會產(chǎn)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(dǎo)線風(fēng)偏響應(yīng)計算有顯著影響.為考慮氣動阻尼的影響，考慮導(dǎo)線與來流的相對運動速度，此時作用于結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載由式(1)計算.

(1)

式中uD為對應(yīng)時刻導(dǎo)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(jìn)行迭代.輸電線屬于典型的非線性高柔度結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(jìn)行模擬.

同時空間點存在三個方向的脈動風(fēng)場，但本文的研究對象為超高壓線路的風(fēng)偏響應(yīng)，對垂直于輸電線路的順風(fēng)向荷載最為敏感，豎向和橫向風(fēng)對其風(fēng)偏響應(yīng)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(fēng)向風(fēng)速時程.具體計算是以兩跨線路為研究對象，建立精細(xì)化非線性動力學(xué)計算模型，運用諧波疊加法構(gòu)建線路上各節(jié)點脈動風(fēng)速時程，結(jié)合準(zhǔn)定常假設(shè)模擬作用于輸電線路各節(jié)點上的時變風(fēng)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(fēng)速時程曲線，為消除突加荷載沖擊放大效應(yīng)的影響，在風(fēng)速時程的前100 s加入風(fēng)速由0增至風(fēng)速平均值的線性增長過程.

圖3 導(dǎo)線懸掛點處風(fēng)速時程Fig.3 Wind speed time series at the suspension point of the wire

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

圖4 風(fēng)譜模擬Fig.4 Simulated wind spectrum

2.2 大風(fēng)對桿塔處懸垂絕緣子串風(fēng)偏角和應(yīng)力的影響及分析

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

圖5 風(fēng)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(dá)到平衡時，搖擺過程并未結(jié)束，可用有限元軟件Ansys作時程分析，得到各導(dǎo)線懸掛點的順風(fēng)向位移UXG.若風(fēng)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(fēng)偏角φ大小.

(2)

(3)

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

圖6 風(fēng)偏角計算結(jié)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(dǎo)線桿單元的應(yīng)力，乘以等效面積即為六分裂導(dǎo)線的合張力.圖7顯示了故障桿塔導(dǎo)線和地線的張力計算結(jié)果和風(fēng)洞試驗值的擬合曲線，可見計算結(jié)果和風(fēng)洞試驗結(jié)果吻合程度較好.

a)導(dǎo)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(dǎo)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(fēng)對桿塔空氣最小間隙的影響和分析

線路發(fā)生風(fēng)偏跳閘的本質(zhì)原因是在大氣環(huán)境中出現(xiàn)的各種不利條件(如強風(fēng)、降雨等)，造成線路與桿塔間的空氣間隙減小，當(dāng)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(fēng)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(fēng)偏角及桿塔結(jié)構(gòu)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(fēng)速與最小空氣間隙的關(guān)系曲線如圖8所示，風(fēng)速越大，風(fēng)偏角越大，線路至塔身的最小空氣間隙d越小.由風(fēng)洞試驗得出的風(fēng)速與最小空氣間隙的關(guān)系如圖9所示，圖中試驗數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果和計算結(jié)果誤差較小，說明利用風(fēng)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(fēng)速變化的關(guān)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(fēng)速變化的關(guān)系計算結(jié)果與風(fēng)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(fēng)雨組合對桿塔空氣間隙擊穿電壓的影響和分析

風(fēng)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(fēng)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(dǎo)線-桿塔空氣間隙的放電電壓有不同程度的降低，隨著導(dǎo)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(dǎo)線和桿塔構(gòu)架上掛有大量水滴，在水滴表面電場強度較高，導(dǎo)致流注易于由此產(chǎn)生、發(fā)展，降低了間隙的放電電壓.隨著導(dǎo)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(fēng)的引導(dǎo)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(dǎo)致空氣間隙放電電壓進(jìn)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(guān)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(jìn)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(fēng)偏閃絡(luò)電壓預(yù)測值Uf為式(5).

Uf=kU50%.

(5)

3 輸電線路風(fēng)偏故障預(yù)測

3.1 風(fēng)偏閃絡(luò)預(yù)警方法

輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)預(yù)警可按流程圖進(jìn)行，流程如圖10所示.

圖10 輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)預(yù)警流程圖Fig.10 Flow chart of the windage yaw flashover prediction of transmission line

3.2 預(yù)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(fēng)天氣.北疆、東疆大部出現(xiàn)重霜凍和約6級西北風(fēng)，風(fēng)口風(fēng)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(yù)報技術(shù)，得到了故障326號桿塔在故障發(fā)生時前后一段時間內(nèi)的風(fēng)速見圖12.圖中顯示在4月23日的風(fēng)速數(shù)據(jù)，從8:30開始，風(fēng)速從29.8 m/s開始增加，到9:00時風(fēng)速達(dá)到了33.407 m/s，此后的1 h內(nèi)，風(fēng)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(fēng)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(fēng)速分別為33.259, 33.975 m/s.

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

利用風(fēng)偏公式計算出2014年4月23日，故障發(fā)生時間段內(nèi)，風(fēng)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(jié)果和風(fēng)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(jié)果和風(fēng)洞試驗擬合結(jié)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(fēng)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(guān)系Fig.13 Relation between minimum air gap of fault tower and time

4 結(jié)語

本文在收集新疆地區(qū)大量強風(fēng)和沙塵導(dǎo)致輸變電設(shè)備故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過風(fēng)洞試驗研究了大風(fēng)引起輸電線路風(fēng)偏故障的影響因素，得到一個應(yīng)對大風(fēng)氣象災(zāi)害的輸電線路故障的預(yù)警模型，該模型能對線路風(fēng)偏故障進(jìn)行預(yù)判，保證電力系統(tǒng)的安全運行.