關于特高壓輸電線路分支繞跳地線一處特殊缺陷的處置分析

朱昱龍

(安徽送變電工程有限公司,合肥 230012)

1 故障概況及應急處置

某特高壓線路A相(右上相)故障跳閘,重合成 功,經帶電查線發現,此特高壓線路A#換位塔FHJ1-2至FHJ1-3繞跳地線在FHJ1-3塔地線掛點脫落,脫落點位于FHJ1-3大號側地線預絞絲接續線夾連接點A相線夾出口1.5 m處,經現場查線,在繞跳地線的脫落端及該塔塔身處發現放電痕跡,清晰可見。

該段線路設計風速30 m/s,覆冰10 mm,采用8×JL/G1A-630/45導線,左側地線為OPGW-240復合 光纜,右側地線為LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線。A#塔采用分體式換位塔,塔型FHJ1,轉角度數0°,導線下-中相、中-上相換相采用內繞跳方式,上-下相換相采用外繞跳方式。地線均按照繞跳方式設計對繞跳導線實現0°保護。A#號換位塔的3基換位分體塔中心連線垂直于轉角平分線,每兩塔之間按33 m布置。塔繞跳地線采用LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線,架線按孤立檔設計。每根繞跳地線一端采用地線耐張串(ND1S、ND2S)與塔身連接,另一端采用預絞絲接續線夾(TJL-240AC)與OPGW或普通地線連接。此次發生斷裂的位置為預絞絲,預絞絲作為受力載體,斷裂形式為過載斷裂,結合本次斷裂時的大風藍色預警信息,野外平丘地區局部會出現瞬時風速較大的可能性,順線路方向的主地線在風荷載作用下產生風偏,加之預絞絲性能不佳,塑性(斷后伸長率)低于標準值,導致預絞絲斷裂,令FHJ1-2至FHJ1-3繞跳地線脫落,迅速擺向FHJ12塔身,在地線擺向塔身的過程中,其端部與下方A相大號側導線間距不足,引起線路瞬時放電,造成跳閘[1]。

為保障輸電線路安全運行,防止脫落繞跳地線在風力作用下向帶電導線側擺動再次造成跳閘事故的發生,經評估,拆除脫落繞跳地線不影響防雷屏蔽效果,故采用帶電作業方式拆除脫落的繞跳地線。

2 原因分析

2.1 材料原因

特高壓線路A#地線為鋁包鋼絞線,鋼絞線型號為LBGJ-240-20AC,現場發生斷裂部位的預絞絲型號為TJL-240AC,通過回收故障點位斷裂預絞絲與一段鋁包鋼絞線進行材料及力學性能分析。

在預絞絲外觀檢查中,對鋁包鋼絞線的斷口及尺寸進行觀察發現,斷裂的預絞絲均為45°斜斷口,預絞絲故障點附近未見塑性變形,故判斷預絞絲軸向拉應力發生了過載現象,導致預絞絲沿易斷裂方向斷裂。部分斷絲存在燒熔情況,推測發生了故障短接,導致電弧灼燒了地線斷裂點[2]。

在斷口處微觀檢測中抽取斷裂的預絞絲,采用Carl-Zeiss電子顯微鏡,對預絞絲斷口處進行觀察發現,斷口裂紋處有部分韌窩,夾雜部分撕裂棱,斷口表面河流花樣短且彎曲,支流少,解理面小,周圍有較多的撕裂棱,其中裂源向四周擴散,不連續,局部擴展。基于上述觀測,判斷斷裂性質為準解理斷裂。

在化學成分分析中截取部分預絞絲單絲進行打磨處燒熔理,采用便攜式激光光譜儀對預絞絲進行材質分析,得出其為鋁合金材質,樣品成分符合《架空線路預絞式金具用鋁合金線》NB/T 10305-2019中代號LHYJ1的成分范圍[3]。

表1 預絞絲單絲成分檢測結果

在單絲力學性能分析中檢測故障處未受損的預絞絲單絲,結果表明,預絞單絲強度滿足鋁合金強度相關標準,但塑性遠低于《架空線路預絞式金具用鋁合金線》的標準要求,基于上述原因,判斷為過載斷裂。

表2 單絲性能特性

在其他檢測中,對故障區段鋁包鋼絞線開展抗拉及抗壓強度檢測,檢測結果均為合格。

經檢測,此次繞跳地線預絞絲斷裂原因為環境過載。

2.2 施工原因

研究設計資料并經計算得到斷裂的地線長度為50 m,弧垂為5 m,地線型號為LBGJ-240-20AC,現場勘察得出地線的掛點高度相同,地線懸掛點張力為1 kN。比較地線斷裂工況,計算出斷裂的地線弧垂大約只有1 m左右,與設計弧垂偏差達4 m,由此判斷弧垂過小造成預絞絲承受張力增加到5 kN左右。繞跳地線的施工弧垂太小,造成預絞絲承受的張力超過原設計值,這是造成預絞絲發生斷裂及線路跳閘的次要原因[4]。

圖1 預絞絲線夾設計安裝Fig.1 Pre-twisted wire clamp design installation

2.3 設計原因

基桿塔的繞跳地線設計為預絞絲與主地線L型相連,預絞絲除受到軸向抗拉的作用力外,還受到橫向上抗彎的作用力,在長期運行過程中極易造成受力疲勞并發生斷裂。參照其他同類型桿塔的繞跳地線,設計采用十字形預絞絲方案更優【5】。根據上述力學試驗及分析得出,預絞絲發生過載斷裂主要原因是力學性能不滿足規范要求,設計采用L型連接,地線的弧垂遠小于設計弧垂,造成線路張力運行持續超過設計值。

3 方案擬定

3.1 臨時方案擬定

臨時方案采用繞跳地線(預絞絲區段)-U型索夾-鋼絞加固線(LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線)-并溝線夾-主地線(或光纜)預絞絲區段-鋼絞加固線(LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線)-U型索夾-分支塔繞跳地線的方式,對L型連接地線進行加固。

1)繞擊防護說明。特高壓A#塔為換位塔,塔型為 FHJ1-42,共分為3個小塔,小塔FHJ1-2 與 FHJ1-1 及FHJ1-3中心樁間距33～34.4 m,FHJ1-1與FHJ1-3地線橫擔為17.5 m。根據雷電監測預警中心計算結果,按電氣幾何模型、擊距表征導線對雷電的吸引能力僅與雷電流幅值相關,假定導、地線擊距相等,地面擊距是對導線擊距的β倍,如圖2、圖3、圖4所示。其中,S為避雷器線,C為導線,圓弧AB為避雷線形成的擊距圓弧,BE為導線形成的擊距圓弧,雷電落在地(導)線擊距圓弧區域,將擊中地(導)線。擊距與雷電流幅值滿足rc=rs=AIB、rg=βrs,其中rc、rs 為導線與地線擊距,rg為大地擊距,A取10,B取0.65,β取0.8。

圖2 繞跳地線未掉線處加固Fig.2 Reinforce of the jump ground cable where it does not fall

圖4 十字預絞絲接續線夾Fig.4 Cross pre-twisted wire connecting clamp

由特高壓A塔塔型結構可以看出,小塔FHJ1-1與FHJ1-3地線對中間區域形成保護。當雷電流I為12.6 kA時,地線擊距rs為51.9 m,兩個擊距圓相切,恰好對中間形成完全屏蔽,小于12.6 kA的雷電才可能落入中間區域。根據運行經驗,1000 kV線路繞擊耐雷水平在20 kA以上,12.6 kA雷電不足以造成繞擊閃絡。雷電流大于12.6 kA時,兩個擊距圓相交,交點位于桿塔上方,理論上雷電無法從中間區域擊中導線。

綜上,中間區域靠FHJ1-1與FHJ1-3地線即可形成良好的屏蔽,FHJ1-2與FHJ1-3之間繞跳地線脫落不會致使中間區域導線遭受危險。

2)施工注意事項。圖2中,加固點加裝的并溝線夾只起固定繞跳地線與主地線(或光纜)的作用,不能施加鎖緊壓力,嚴禁壓在主地線(或光纜)本體上,固定主地線(或光纜)時建議在主地線(或光纜)上纏繞一層膠皮進行保護,并溝線夾尺寸應與主地線及加固線匹配,鋼絞加固線兩端頭需進行封口處理,以免絞線散股。

3.2 永久方案擬定

針對以上情況,初步擬有4個方案。

方案一:對原預絞絲接續線夾進行補強。在原有預絞絲接續線夾基礎上繼續采用預絞絲進行補強。補強后因預絞絲拉斷力受單絲直徑、纏繞工藝等影響,受力、強度不可控,治標不治本。

方案二:對原預絞絲接續線夾進行拆除后更換滿足強度要求的預絞絲接續線夾。將原預絞絲接續線夾拆除,更換為滿足強度要求的預絞絲接續線夾,受力、強度可控,但存在較長時間運行后疲勞斷裂的可能性。

方案三:將分體式換位塔的繞跳地線均拆除,只留兩根主地線。將繞跳地線都拆除后,導致耐張塔地線對跳線保護角不滿足規程規范要求。

方案四:將原繞跳連接方式修改為十字型預絞絲接續線夾方式,繞跳地線不斷開。采用十字型預絞絲接續線夾后,受力比原接續方案可靠,繞跳地線不斷開后減少了單側繞跳地線掉落的可能性。

從超特高壓輸電線路的安全性、技術可靠性、方案可行性、費用經濟性等方面考慮,推薦方案四。

每基換位塔需更換LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線約350 m、地線耐張串8套、十字型預絞絲接續線夾4套。采用十字型預絞絲接續線夾具有相關型式試驗報告,其強度及塑性(斷后伸長率)滿足相關要求,單側預絞絲長度不小于2 m。

繞跳地線為LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線,架線按孤立檔設計。繞跳地線按松馳應力掛線(不進行初伸長處理),初算繞跳地線架線弧垂見表3。

表3 繞跳地線架線弧垂

永久方案確定后,在此處超特高壓輸電線路停電檢修期間,將A#桿塔原繞跳地線更換為整根式繞跳地線+十字型預絞絲接續線夾進行連接,對換位塔進行全面排查及巡視,消除隱患,線路安全穩定性得到了進一步提升。