超高壓輸電線路風偏故障原因分析

張立明，馬 立，曹 鋮

（國網湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北宜昌 443002）

我國幅員遼闊、地形復雜，在電網配合負荷需求擴容的同時，架空線路穿過惡劣天氣地區的情況也更加頻繁，因而風偏故障頻次也越來越多。風偏是指導線和絕緣子串在強風作用下產生搖擺偏離初始位置的現象，當其與鄰近物體空氣間隙小于安全距離時產生風偏閃絡，引起輸電線路跳閘[1]。據統計，在2013—2015年，國家電網所轄超高壓輸電線路風偏跳閘次數分別是146、53、46 次，占總跳閘次數比例分別是11.14%、5.78%、9.81%[2]。

輸電線路風偏故障可以分為跳線風偏、絕緣子風偏、相間風偏。文獻[3]分析了某500 kV 四分裂輸電線轉角耐張塔外角處繞引跳線懸掛在塔身腳釘引起的跳閘故障；文獻[4]討論了在驗收220 kV 海北—拉布大林—根河基建工程時發現的5 處雙回路換位塔存在的相間風偏故障隱患；文獻[5]針對220 kV 某Ⅱ線線路開關跳閘故障采用剛性直棒法計算絕緣子風偏位移，隨后采用自主研發系統建立了實際復雜山地三維模型及通過ANSYS 有限元仿真得到其風速分布，然后再次計算對原結果進行修正。

本文對湖北省某500 kV 輸電線絕緣子風偏故障原因，采用剛性直棒法進行計算分析，同時給出相關的解決方案，以消除存在的風偏隱患保證在強對流天氣下輸電的安全可靠與持續供電。

1 設備基本情況

該500 kV 輸電線路于2002 年4 月22 日投入運行，湖北境內全長161.457 km。故障桿塔為222#桿塔，導線水平排列，桿塔設計風速為27 m/s（新規程10 m基準高度折算），風偏校核后最大允許風速為27.6 m/s。小號側檔距779 m，大號側檔距404 m，故障區段平均海拔高度為664.189 m，線路為東西走向，主要地形為山地。故障區段基本情況見表1。

表1 故障區段基本情況

2 故障概況

2.1 故障跳閘概況

2022 年8 月9 日19 時30 分，某500 kV 一回線A 相（右相）故障跳閘，重合閘不成功。8 月9 日22 時35 分，該回線路強送成功，故障基本情況見表2。故障測距情況如下。

表2 故障基本情況

1）分布式故障診斷裝置測距：故障位置在149 號桿塔大號側34 km，對應桿塔號221#—222#。

2）宜昌換流站故障測距：行波測距宜昌站127.669 km，對應桿塔號221#—222#。

2.2 故障現場概況

故障發生前線路所屬區段氣象臺發布了冰雹橙色預警，具體為2022 年8 月9 日19 時10 分，氣象臺發布冰雹橙色預警信號：預計未來6 h 將有可能出現冰雹天氣，雨量20~40 mm，陣風8~10 級。8 月9 日19 時30 分，故障區段天氣情況為狂風暴雨，故障區段連續10 min 最大風速達31.8 m/s。

此外，現場人員觀測到，周邊樹竹存在被吹斷、連根拔起情況，房屋屋頂瓦片被吹飛，故障時段確有大風情況發生。

2.3 故障巡視概況

8 月9 日19 時51 分接到故障信息后，國網湖北超高壓公司立即安排技術人員進行故障測距核算等故障查找前的技術準備工作，通過分析故障時段現場天氣，結合故障測距、線路平斷面圖資料及地形因素，推斷可能導致故障的原因為風偏、異物等，制定了優先巡視該回線路220#—225#區段的排查方案，派出4 名人員趕往現場開展故障巡視工作，并第一時間聯系護線員了解現場情況。

8 月9 日21 時15 分，故障巡視人員到達故障區段現場時，該地區天氣已轉陰，對故障區段線路通道情況進行了全面排查，未發現異常情況。向調度匯報后申請送電。8 月9 日22 時35 分該500 kV 線路強送成功。由于天色已晚，未能開展無人機巡檢及登桿檢查工作，當日暫未發現故障點。

8 月10 日5 時15 分，故障巡視人員到達故障區段現場，利用無人機對218#—225#開展故障巡視，6 時20 分，在222#桿塔右相導線防振錘、對應上方塔材發現明顯放電痕跡，隨后安排人員帶電登桿進行了確認。根據該回線路故障測距、保護等信息，現場天氣情況和故障查找情況，初步判斷該處為故障點，如圖1、圖2所示。

圖1 222#桿塔塔材及導線端放電痕跡

圖2 222#放電通道

3 原因分析

3.1 原因排查分析

由故障錄波圖可以看出，19 時30 分50 秒，該線路發生故障，故障電流3.105 kA。故障發生時，故障區段內無外破施工作業情況。因此，排除外破引起線路故障；通過查詢雷電定位系統，在故障發生時間及前后5 min 時段，該回線路通道5 km 范圍內無符合跳閘時間的雷電活動記錄，且根據分布式故障監測系統記錄的故障時刻電流行波波形，故障時刻電流行波主波頭電流上升比較陡，波尾持續時間大于40 μs，符合非雷擊跳閘故障特征，故排除雷擊故障。

通過現場對故障區段通道檢查，桿塔大小號側通道內狀況良好，無超高樹木，排除樹（竹）線放電引起線路故障；通過對桿塔巡視檢查，桿塔上未發現鳥巢、鳥糞等鳥類活動跡象，排除鳥害引起線路故障；通過對故障區段進行全面排查，線路通道及周邊1 km 范圍內及導地線、絕緣子、桿塔上無漂浮物等異物殘留痕跡，排除異物引起線路故障。

經現場走訪調查，故障時現場出現局部颶風，且在桿塔塔材及導線發現有放電點，可初步判定局地瞬時大風強對流天氣引起導線及絕緣子串向塔身側傾斜（風偏），造成導線與塔身最小空氣間隙不能滿足運行要求而引起空氣擊穿，從而造成線路跳閘。設計氣象條件基本風速為Vmax=27 m/s，根據設計風速對222#桿塔風偏角進行校核。校核經過如下。

1）桿塔所在區段導線型號為4×LGJ-400/50。

2）線路設計最大風速為27 m/s。

3）222#桿塔前后斷面圖及明細表，明細表見表3。

表3 221#—223#桿塔明細表

4）222#桿塔導線懸垂串重及串長：m=283 kg；l=5.47 m。

3.2 數據計算分析

1）允許搖擺角計算。根據電力行業標準DL/T 5092—1999《（110～500）kV 架空送電線路設計技術規程》[6]要求，500 kV 線路海拔在500 m 以上、1 000 m 以下時，帶電部分與桿塔構件在大風情況下的最小放電距離為1.3 m，結合ZB2 單線圖，畫出大風情況桿塔允許風偏角，根據桿塔間隙圓得知，ZB2 直線桿塔在大風情況下，允許搖擺角ψ 為54.58°。

2）實際搖擺角計算。視懸垂絕緣子串為均布荷載的剛性直棒，設校驗氣象條件下懸垂絕緣子串的垂向荷載為GJ，橫向水平風荷載為PJ，末端作用的導線荷載為Gd、Pd，對A點列力矩平衡方程式，有

所以

式中：γ1、γ4分別為導線的自重比載和風壓比載；lh、lv分別為該基桿塔的水平檔距和垂直檔距；A為導線的截面積。

風速隨高度變化指數公式為

根據《電架空路設計手冊》第五章第一節中，電線水平檔距為lh時的風荷載計算公式為

根據《電架空路設計手冊》第五章第三節中，電線水平檔距lh、垂直檔距lv計算公式為

式中：l1v、l2v分別為某一桿塔兩側的垂直檔距，m；σ10、σ20分別為某一桿塔兩側的電線水平應力，N/mm2；l1、l2、lh分別為桿塔兩側的檔距和桿塔的水平檔距，m；h1、h2分別為桿塔兩側的懸掛點高差，m；當鄰塔懸掛點低時取正號，反之取負號；γv為電線的垂直比載，N/（m·mm2）。

設計氣象條件基本風速為Vmax=27 m/s，現根據設計風速對222#桿塔風偏角開始校核，4×LGJ-400/50 導線技術參數：A=451.55 mm2，m=1.511 kg/m，d=27.63 mm。根據斷面圖上量得，221#-223#桿塔導線平均高度為18 m、hi=18 m、hx=10 m、Vx=27 m/s，根據公式（3）計算出Vi=29.66 m/s。根據斷面圖及明細表，l1=404 m、l2=779 m，依據公式（6）、公式（7）計算得出垂直檔距lv=337 m、水平檔距lh=592 m。斷面計算如圖3 所示。

圖3 222#斷面計算圖

根據查閱導線技術參數及資料計算，經公式（4）、公式（5）計算得出γ1=0.032 82 N/（m·mm2）、γ4=0.027 84 N/（m·mm2）、PJ=1 048 N、GJ=5 119 N。再通過公式（2）得出222#再設計最大風速情況下風偏角為ψ=53.3°，小于允許搖擺角ψ=54.58°。滿足規范要求。按照上述公式計算，當風速超過設計最大風速達到27.6 m/s時，222#桿塔電氣間隙小于規范要求值1.3 m。經推算，當風速達到31.8 mm/s 時，222#桿塔風偏角為60.36°，電氣間隙為0.88 m，如圖4 所示。

圖4 31 m/s 風速工況校核搖擺角

綜上所述，故障發生期間，現場短時風速為31.8 m/s，超過最大允許風速Vmax=27.6 m/s，導致該回輸電線路222#桿塔風偏角為60.36°，電氣間隙（0.88 m）不滿足1.3 m 安全距離，該回輸電線路導線防振錘對桿塔塔身放電，造成風偏跳閘。

3.3 整改建議

根據設備損傷情況及故障原因，建議采取如下整改方案。

1）8 月11 日前，對受強對流天氣暴雨影響的區域線路開展災后特巡，重點排查線路周圍是否存在異物漂浮物隱患、山區滑坡及泥石流等次生災害，并利用無人機進行精細化巡檢，重點檢查桿塔掛點螺栓、金具有無松動脫落等情況，及時發現消除線路缺陷隱患。對該回線路220#—225#區段桿塔完成一次螺栓緊固。

2）協同省電科院和設計單位對海拔超過500 m、峽谷風道地形的桿塔開展風偏校核，針對不滿足要求的桿塔采取加裝重錘、單串改雙串、I 串改V 串等措施進行治理，防止同類故障的再次發生。

3）推廣應用微氣象在線監測裝置。通過在已投運線路上安裝微氣象在線監測裝置，收集積累第一手的氣象資料，特別是野外短時大風數據，為其本身風偏校核治理及新建線路設計提供依據和支撐。

4 結束語

本次故障暴露出國網湖北省超高壓公司對位于高海拔、峽谷風道的桿塔風偏校核工作方面存在不足，對于線路大風環境，加上空氣濕度、溫度變化等異常環境狀態疊加預想不足，未能考慮到多種異常環境疊加的特殊工況并采取相應的應對措施，導致其電氣間隙小于工頻電壓最小放電間隙，引起線路風偏跳閘故障。下一步工作應當盡快進行故障后整改行動，采取相應措施消除輸電線路存在的安全隱患問題。