220 kV架空線舞動跳閘分析及改進措施

趙士永

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司 河北唐山 063020）

引言

曹妃甸區(qū)某鋼鐵公司共配置4條220 kV進線架空線給2 座220 kV 站供電。2 座220 kV 站通過兩回聯(lián)絡(luò)線實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)運行，在其中一座220 kV 變電站2條進線全部停電的情況下，通過聯(lián)絡(luò)線與另外一座220 kV 站互為備用，保證了供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和連續(xù)性。作為公司重要的送電通道，這幾條線路的安全運行直接決定著公司生產(chǎn)的安全順穩(wěn)運行。架空線出現(xiàn)故障跳閘將直接影響鋼鐵產(chǎn)量，嚴重時可能造成公司3座特大型高爐全部灌渣。

1 故障概述

2020 年2 月14 日，曹妃甸區(qū)域逐步出現(xiàn)凍雨、雨夾雪、大雪等惡劣天氣并伴隨強風降溫過程，該過程中該鋼鐵公司4條220 kV架空線路因差動保護動作，順序發(fā)生跳閘，最嚴重時4 條線路僅剩1 條線路，如果最后1條線路再發(fā)生跳閘，將直接造成公司高爐全部灌渣，長時間進入檢修狀態(tài)。

2 故障原因分析

2.1 氣象原因分析

2020 年2 月14 日曹妃甸區(qū)域逐步出現(xiàn)凍雨、雨夾雪、大雪等惡劣天氣并伴隨強風降溫過程。故障發(fā)生時當?shù)貧庀髼l件：雨夾雪，氣溫-3°C，東北方7～8 級，空氣相對濕度90%。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)導線、絕緣子串表面有明顯覆冰，本次發(fā)生舞動跳閘的4 條架空線走向為西北-東南布置，發(fā)生跳閘的瞬間風的走向與架空線的走向之間的夾角已經(jīng)超過45°，此種風速及線路走向極易造成線路舞動。

2.2 舞動現(xiàn)象分析

覆冰、風的激勵是導致舞動出現(xiàn)的主要因素[1]。

（1）覆冰

在風的影響下，導線上會堆積濕雪、霜淞及雨淞，覆冰現(xiàn)象隨之出現(xiàn)，因此會導致舞動。降雨量、降雨方式與導線覆冰之間的關(guān)系密切，但溫度變化同樣會顯著影響到導線覆冰，特別是在先雨后雪、溫度從零上迅速降到零下等氣溫迅速下降條件下更易導致導線覆冰。導線覆冰通常呈各種不規(guī)則形狀（D 形、扇形、新月形等[2]），冰的厚度不一，一般在數(shù)毫米至數(shù)十毫米之間（歷史記錄峰值曾經(jīng)達到50 mm），也就是說，導線覆冰大多表現(xiàn)為不均勻狀態(tài)。這種現(xiàn)象有利于導線空氣動力性能[3]，此時如果受到風的激勵，舞動現(xiàn)象即會出現(xiàn)。

（2）風的激勵

舞動離不開風的激勵[4]。冬、春（初春）時節(jié)，冷暖氣流交匯會加大風力等級，輸電線路如果處于風口、開闊、地勢平坦區(qū)域且有導線（不均勻）覆冰現(xiàn)象[5]，那么在線路走向與風向呈≥45°夾角[6]、4～20 m/s 風速條件下，導線舞動易出現(xiàn)。最嚴重的舞動通常出現(xiàn)在線路走向與風向呈90°夾角時。究其原因，主要是由于風的分量（和線路走向垂直）愈大，愈易形成更加明顯的導線（不均勻覆冰后）激勵效應(yīng)、導線因此獲得的升力更強，系統(tǒng)線路會因此聚集起更充足的能量，線路不均勻覆冰條件下就會打破本來的系統(tǒng)平衡狀態(tài)，舞動就此形成。

（3）線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)

導線的舞動同樣會受到導線的檔距結(jié)構(gòu)、張力、型式、固有頻率等技術(shù)參數(shù)的影響。

2.3 本次線路舞動過程分析

特殊的天氣下導線覆冰，導線下方形成機翼構(gòu)造冰凌→45°～90°風向吹向?qū)Ь€→機翼構(gòu)造冰凌的機翼效應(yīng)與重力、導線張力共同作用→導線形成蕩秋千現(xiàn)象，加速導線的舞動。舞動沒有統(tǒng)一性（各相線間），空氣間隙有可能因此變得過于狹小，閃絡(luò)跳閘隨之出現(xiàn)。

2.4 分析結(jié)論

2月14日，220 kV線路故障跳閘期間，通過對線路舞動現(xiàn)實并結(jié)合現(xiàn)有理論分析，4 條220 kV 線路滿足舞動發(fā)生的各項條件[7]，最終產(chǎn)生線路舞動跳閘事故。

3 線路舞動解決方案討論

輸電導線防止舞動主要從3 個方面解決，實質(zhì)上就是：導線技術(shù)參數(shù)、風速和風向、覆冰與覆冰截面形態(tài)。針對這些方面，目前主要有3 種防舞動措施：

（1）采用導線覆冰預(yù)防措施，除冰，將舞動易形成的覆冰區(qū)避開。

（2）舞動抵抗力提升。即：基于導線參數(shù)指標調(diào)節(jié)與改變，將相關(guān)構(gòu)件或設(shè)備（導地線等）的承載能力適當增加，或?qū)U塔檔距適度縮小，也可以將耐張塔使用量適度增加。

（3）防舞技術(shù)與設(shè)備應(yīng)用。如果是已建成運行線路，那么必須采用相應(yīng)的防舞策略與設(shè)備來預(yù)防擺動，這種策略一般包括將各類防舞設(shè)備安裝在線路上，以此對舞動幅度形成抑制，將舞動危害弱化直至消除，防舞目標即可實現(xiàn)。

4 確定整改方案

防舞策略因防舞途徑不同而具有一定的差異性。

（1）基于導線特性改變進行舞動抑制的防舞策略[8]，整體式偏心重錘、雙擺防舞器、失諧擺等防舞器即屬此類[9]。

（2）基于不同防冰措施采用進行舞動抑制的防舞策略，使用防雪導線、低居里點合金套管等防舞器即屬此類。

（3）基于沿檔氣流擾亂進行舞動抑制的防舞策略，擾流防舞器等防舞器即屬此類。

（4）基于風動阻力提升進行舞動抑制的防舞策略，空氣動力阻尼器等防舞器即屬此類。

（5）基于導線自阻尼提升進行舞動抑制的防舞策略，終端阻尼器等防舞器即屬此類。

（6）檔距縮短、導線運行張力提升同樣具有相應(yīng)的抑舞作用。

根據(jù)以上防舞動策略，制定3 個方案進行對比（見表1），確定最終方案。

表1 解決方案對比

從電科院報告等調(diào)查數(shù)據(jù)分析來看，在220 kV緊湊型線路上更適宜于進行相間間隔棒安裝配置，因此決定在公司220 kV 架空線加裝相間間隔棒。采用絕緣棒機械連接回路或相間，以便對導線舞動進行約束，波節(jié)為其固定部位，舞動因此變成數(shù)個半波模式，隨之即可弱化振幅，導線間短路預(yù)防目標即可實現(xiàn)。其實質(zhì)上就是機械性地連接起每根導線，以便于每一根導線運行過程中均可互相約束，實現(xiàn)舞動抑制。相間間隔棒是一種合成絕緣結(jié)構(gòu)，組成部分包括硅橡膠護套與玻璃鋼芯棒[10]。間隔棒安裝布置方法如表2和圖1所示。

圖1 間隔棒安裝位置示意圖

表2 相間間隔棒布置方法

5 結(jié)論

該4條220 kV高壓架空線路是公司重要的供電通道，安全穩(wěn)定與否直接關(guān)系到鋼鐵公司生產(chǎn)的安全與否，因此，高壓電氣裝置維護管理的核心任務(wù)主要就在于迅速準確地分析架空線發(fā)生舞動跳閘的原因，并制定出切實可行的防舞動措施，以此為其穩(wěn)定、安全運行提供基本保障。