王 力，胡祖?zhèn)?/p>

（安徽華電工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥230009）

從1996～2012年，國家電網(wǎng)公司所屬線路110 kV及以上輸電線路發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)事故頻繁，其主要原因是導(dǎo)線和絕緣子串在強(qiáng)風(fēng)下風(fēng)偏角過大，使得導(dǎo)線對(duì)桿塔的間隙距離過小而造成風(fēng)偏閃絡(luò)[1]。發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)的線路有單、雙回線，塔型有耐張塔、直線塔，其中耐張塔主要是跳線對(duì)桿塔構(gòu)架放電，直線塔主要是導(dǎo)線或金具對(duì)塔臂放電。風(fēng)偏閃絡(luò)導(dǎo)致線路停運(yùn)，嚴(yán)重影響供電的可靠性，并造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 導(dǎo)線風(fēng)偏計(jì)算

直線桿塔(含直線小轉(zhuǎn)角)懸垂絕緣子串連同架空導(dǎo)線受橫向水平風(fēng)力作用后，從其垂直位置發(fā)生偏移，受風(fēng)后的偏移位置與無風(fēng)時(shí)的垂直位置間的夾角稱為懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角[2]。

絕緣子串的風(fēng)偏大小依其所產(chǎn)生的風(fēng)偏大小來表示：

其中，δ為懸垂絕緣子串風(fēng)偏角，PI為懸垂絕緣子串風(fēng)壓，GI為懸垂絕緣子串垂直荷載，P相應(yīng)于工頻、操作及雷電過電壓風(fēng)速下導(dǎo)線風(fēng)荷載，W1為導(dǎo)線自重，lH、lV為桿塔水平檔距和垂直檔距，α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，βc為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，μsc為導(dǎo)線的體型系數(shù)，d為導(dǎo)線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑，B為覆冰時(shí)風(fēng)荷載增大系數(shù)，θ為風(fēng)向與導(dǎo)線方向之間的夾角。

從式(1)、(2)可以看出，絕緣子串的風(fēng)偏與導(dǎo)線自身參數(shù)、輸電線路設(shè)計(jì)參數(shù)和導(dǎo)線風(fēng)荷載等因素有關(guān)。而導(dǎo)線風(fēng)荷載又與風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)等有關(guān)。

2 輸電線路風(fēng)偏影響因素分析

本文以安徽宣城地區(qū)某220 kV山區(qū)線路為例，導(dǎo)線采用2×JLHA3-425中強(qiáng)度鋁合金絞線，氣象條件2910氣象區(qū)。為分析以上因素對(duì)風(fēng)偏的影響規(guī)律，本文采用改變其中一個(gè)影響因素而其他固定不變的方式，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，從而得出風(fēng)偏影響規(guī)律。

2.1 風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)

沿整個(gè)檔距內(nèi)電線各點(diǎn)的風(fēng)并不是每時(shí)每刻都以同樣的程度作用在輸電線路上,同一時(shí)刻每一點(diǎn)的風(fēng)速更是不均勻的。因此,在輸電線路設(shè)計(jì)的風(fēng)壓計(jì)算中引入了風(fēng)壓不均勻系數(shù)α，以表征風(fēng)場(chǎng)的上述特征。

當(dāng)風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù) βc=1.0、風(fēng)向夾角 θ=90°時(shí)，分別取風(fēng)壓不均勻系數(shù) α=0.75、0.67、0.61，利用 MATLAB軟件仿真出不同風(fēng)速下絕緣子風(fēng)偏的變化情況，如圖1所示(為便于比較，本文選取國網(wǎng)典型模塊2B5-ZMC1塔)，不同風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)下導(dǎo)線風(fēng)偏值如表1所示。

圖1 風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)對(duì)風(fēng)偏的影響值

表1 不同風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)下導(dǎo)線風(fēng)偏值

可以看出，風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)對(duì)絕緣子風(fēng)偏影響較大。以風(fēng)速V=30 m/s為例，比較α取0.61和0.75時(shí)的風(fēng)偏角可以看出，后者比前者增大8.3°，增幅達(dá)16.5%；當(dāng) α=0.61時(shí)，取 V=25 m/s和 30 m/s時(shí)的風(fēng)偏角可以看出，后者比前者增大11.73°，增幅達(dá)30.4%。可見，α的選取和風(fēng)速的確定對(duì)風(fēng)偏很關(guān)鍵。

我國在 1999年發(fā)布的《110～500 kV架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，當(dāng)風(fēng)速V≥20 m/s時(shí)，風(fēng)壓不均勻系數(shù)均按0.61設(shè)計(jì)。但從2004年以來，國家電網(wǎng)公司110 kV～500 kV輸電線路風(fēng)偏跳閘呈高發(fā)趨勢(shì)，許多專家認(rèn)為風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取0.61不太合理，對(duì)風(fēng)速打的折扣太大，預(yù)留裕度不夠[3]。在2010年發(fā)布的國標(biāo)GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì) α的取值重新進(jìn)行了規(guī)定，α的劃分也更加詳細(xì)、合理。同時(shí)國標(biāo)GB50545-2010在校驗(yàn)桿塔風(fēng)偏間隙時(shí)對(duì)風(fēng)壓不均勻系數(shù)提出了修正方案，其隨水平檔距的變換關(guān)系為：

不同水平檔距下風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)對(duì)風(fēng)偏的影響值如圖2所示。由圖2可以看出，水平檔距小則風(fēng)偏角大，水平檔距大則風(fēng)偏角小。此修正方案綜合反映了風(fēng)壓不均勻系數(shù)隨檔距變化的客觀規(guī)律。在對(duì)已建輸電線路進(jìn)行桿塔校驗(yàn)時(shí)，需要針對(duì)桿塔檔距來確定風(fēng)壓不均勻系數(shù)[4]。

圖2 不同水平檔距下風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)對(duì)風(fēng)偏的影響值

2.2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)

在輸電線路風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，均是以10 m高的風(fēng)速為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的，高度對(duì)風(fēng)荷載的影響是通過風(fēng)壓高度變化系數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。理論上，風(fēng)速沿高度的增大與地面摩擦力(粗糙程度)、地表基本風(fēng)速、高度等因素有關(guān)。對(duì)架設(shè)高度大于基本風(fēng)速高度(一般10 m)的線路,其最大風(fēng)速則需由最大基本風(fēng)速換算為高空風(fēng)速。風(fēng)壓高度變化系數(shù)Kh為：

其中，h為風(fēng)速距地面或水面的高度，hs為線路的風(fēng)速基準(zhǔn)高度，a為與地面粗糙度有關(guān)的系數(shù) (一般簡稱為地面粗糙系數(shù))。

當(dāng)風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù) βc=1.0、風(fēng)向夾角 θ=90°、α=0.61時(shí)，利用MATLAB軟件仿真出不同Kh下絕緣子風(fēng)偏的變化情況如圖3所示(本文計(jì)算29 m/s大風(fēng)情況下風(fēng)偏角)。

圖3 風(fēng)壓高度變化系數(shù)對(duì)風(fēng)偏的影響值

由圖3可以看出，風(fēng)壓高度變化系數(shù)對(duì)大風(fēng)情況下風(fēng)偏角的影響較明顯，這其中影響風(fēng)壓高度變化系數(shù)的主要是導(dǎo)線離地高度和地面粗糙系數(shù)。在國標(biāo)GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)地面粗糙系數(shù)已有明確規(guī)定，因此在實(shí)際工程中，導(dǎo)線的架設(shè)高度成為影響懸垂絕緣子風(fēng)偏閃絡(luò)的重要因素，導(dǎo)線架設(shè)高度越高，風(fēng)偏閃絡(luò)越嚴(yán)重。隨著我國電網(wǎng)建設(shè)迅速發(fā)展，高桿塔和大跨越塔越來越多，合理選取風(fēng)速高度換算系數(shù)就顯得更為重要。

目前，國標(biāo) GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，僅針對(duì)500 kV及以上輸電線路風(fēng)偏角計(jì)算時(shí)考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，220 kV及以下輸電線路并沒有考慮這一系數(shù)。已有專家和學(xué)者針對(duì)風(fēng)偏角計(jì)算時(shí)不考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的不合理性進(jìn)行了理論分析[5-6]，并利用有限元軟件對(duì)不同風(fēng)速和不同檔距下的風(fēng)偏角進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出不同風(fēng)速和不同檔距下的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。筆者認(rèn)為此方案較能綜合反映風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與風(fēng)偏角的客觀規(guī)律，可以為輸電線路的設(shè)計(jì)提供參考。

2.3 風(fēng)向與導(dǎo)線軸向夾角的影響

在風(fēng)偏角計(jì)算模型中，取 βc=1.0、α=0.61，利用 MATLAB軟件仿真出不同風(fēng)向夾角下絕緣子風(fēng)偏的變化情況，如圖4所示。

圖4 風(fēng)向夾角對(duì)風(fēng)偏的影響值

從圖4可以看出，風(fēng)向夾角對(duì)導(dǎo)線懸垂絕緣子串風(fēng)偏角影響很大，其中風(fēng)向夾角為90°時(shí)，風(fēng)偏影響最嚴(yán)重。國標(biāo) GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)風(fēng)向夾角的取值沒有明確規(guī)定，在考慮留有足夠裕度的情況下，目前實(shí)際工程桿塔規(guī)劃及風(fēng)偏校驗(yàn)時(shí)都認(rèn)為風(fēng)是垂直于導(dǎo)線的，即風(fēng)向與導(dǎo)線的軸向夾角取 90°[7]。

2.4 輸電線路設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

2.4.1垂直檔距對(duì)風(fēng)偏角的影響

仍以宣城工程為例，當(dāng)水平檔距取350 m、風(fēng)壓不均勻系數(shù)α=0.61時(shí)，利用MATLAB軟件仿真出不同垂直檔距、不同風(fēng)速下絕緣子風(fēng)偏的變化情況，如圖5所示(本文計(jì)算大風(fēng)情況下風(fēng)偏角)。

2.4.2絕緣子串重量對(duì)風(fēng)偏角的影響

圖5 垂直檔距對(duì)風(fēng)偏的影響值

近年來，隨著復(fù)合絕緣子越來越多地在工程中應(yīng)用，其發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)的概率相對(duì)較高，許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為這主要是由于復(fù)合絕緣子重量較輕而導(dǎo)致，因此在開展防風(fēng)偏工作中，主張對(duì)懸垂絕緣子串導(dǎo)線下方加裝重錘增加絕緣子串重量或?qū)?fù)合絕緣子改為瓷(玻璃)絕緣子的方法。本文通過MATLAB軟件對(duì)上述方法進(jìn)行校驗(yàn)，取水平檔距350 m、風(fēng)壓不均勻系數(shù)α=0.61，計(jì)算不同風(fēng)速下風(fēng)偏隨絕緣子串重量的變化情況，仿真結(jié)果如圖6所示(本文計(jì)算大風(fēng)情況下風(fēng)偏角)。

圖6 絕緣子串重對(duì)風(fēng)偏的影響值

從圖6可以看出，在不同的風(fēng)速下，絕緣子串重量由20 kg增加至70 kg時(shí)，風(fēng)偏角相應(yīng)只減小了2°多。同時(shí)當(dāng)加裝重錘后，由于重錘為導(dǎo)電體，其縮小了帶電體對(duì)塔頭構(gòu)件的空氣間隙，因此加裝重錘或更換復(fù)合絕緣子對(duì)風(fēng)偏的抑制效果并不明顯。

3 輸電線路風(fēng)偏治理措施

通過上述對(duì)輸電線路風(fēng)偏影響因素的分析，在工程中可相應(yīng)采取針對(duì)性的措施來抑制輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)：

(1)風(fēng)速和垂直檔距對(duì)風(fēng)偏影響較大，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視氣象資料的搜集以及微地形、微氣象的劃分，合理選取工程的風(fēng)速取值。在山區(qū)或高低起伏較大的地形環(huán)境中應(yīng)特別避免小垂直檔距的發(fā)生。

(2)風(fēng)壓不均勻系數(shù)的選取對(duì)風(fēng)偏有較大的影響，在輸電線路設(shè)計(jì)中，國標(biāo) GB50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)風(fēng)壓不均勻系數(shù)的取值重新進(jìn)行了定義，經(jīng)過多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，風(fēng)壓不均勻系數(shù)的劃分合理、可行。但在對(duì)已運(yùn)行或改造線路進(jìn)行風(fēng)偏校驗(yàn)時(shí)，現(xiàn)行做法基本沒有考慮風(fēng)壓不均勻系數(shù)隨水平檔距的變化關(guān)系，仿真結(jié)果表明這種做法不甚合理，在今后的風(fēng)偏校驗(yàn)過程中應(yīng)針對(duì)不同的水平檔距合理選取風(fēng)壓不均勻系數(shù)。

(3)在輸電線路規(guī)劃高塔或跨越塔時(shí)，風(fēng)壓高度變化系數(shù)對(duì)風(fēng)偏的影響較大，通過合理選取風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可在不增加塔頭尺寸的同時(shí)有效防止風(fēng)偏發(fā)生的幾率。

(4)直線桿塔絕緣子串重量的選取對(duì)風(fēng)偏的影響有限，在風(fēng)偏校驗(yàn)過程中通過改變絕緣子形式或增加重錘的方式只能小范圍地降低風(fēng)偏閃絡(luò)幾率。在實(shí)際校驗(yàn)中，可以通過改變絕緣子串形式等更加有效的防風(fēng)偏技術(shù)。

本文在風(fēng)偏計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB仿真軟件對(duì)風(fēng)偏影響因素進(jìn)行了逐一仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果有針對(duì)性地提出改善風(fēng)偏閃絡(luò)的措施，從而用最小的代價(jià)降低了風(fēng)偏閃絡(luò)的幾率，為后期輸電線路設(shè)計(jì)提供參考。

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