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        500 kV同塔雙回線路舞動故障機(jī)理分析及整改措施

        2011-05-29 05:59:54陶禮兵龔堅(jiān)剛吳明祥李君斌
        浙江電力 2011年1期
        關(guān)鍵詞:故障

        陶禮兵,龔堅(jiān)剛,吳明祥,李君斌

        (1.衢州電力局,浙江 衢州 324000;2.浙江省電力公司,杭州 310007;3.浙江省電力試驗(yàn)研究院,杭州 310014; 4.浙江省電力設(shè)計(jì)院,杭州 310012)

        為減小輸電線路走廊通道,提高線路輸送容量,500 kV同塔雙回線路在浙江電網(wǎng)得到了大量應(yīng)用。近年來,輸電線路遭受自然災(zāi)害侵襲的幾率明顯增多,而經(jīng)濟(jì)、社會對電網(wǎng)的依賴程度卻日益增強(qiáng),500 kV同塔雙回線路出現(xiàn)故障停運(yùn)將會對經(jīng)濟(jì)、社會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。通過一起典型的同塔雙回輸電線路舞動故障及其機(jī)理分析,對新建和運(yùn)行中的同塔雙回線路提出了相應(yīng)整改措施。

        1 導(dǎo)線舞動故障簡況

        2010年1月5日,衢州地區(qū)受北方強(qiáng)冷空氣影響,出現(xiàn)了較大范圍的罕見低溫雨雪冰凍天氣,江山市、衢州主城區(qū)一帶突降凍雨,同時伴隨有3~4級東北風(fēng),天氣狀況惡劣,短時間內(nèi)造成2條500 kV線路相繼跳閘,使衢州500 kV系統(tǒng)與大網(wǎng)聯(lián)系中斷長達(dá)11 h,僅2回220 kV線路送江山、常山、開化、衢州航埠供區(qū)6個220 kV變電所,斷面超載5萬kW,電網(wǎng)安全供電形勢十分嚴(yán)峻。

        根據(jù)故障信息并結(jié)合線路維護(hù)經(jīng)驗(yàn),運(yùn)行人員于當(dāng)晚10∶30在雙信5465線(安龍5466線)196-197號(41-42號)檔中發(fā)現(xiàn)疑似故障點(diǎn)。當(dāng)時,檔內(nèi)導(dǎo)線劇烈舞動,垂直方向振動約10 m左右、水平方向擺動約3~4 m,舞動頻率在10~20 min,波形多為1~3個半波,舞動波腹和波谷在整個耐張段內(nèi)依次傳遞,但是在跨越檔振幅最為劇烈,故障線路跳閘情況見表1。次日上午8時風(fēng)力減弱,導(dǎo)線舞動減小,線路試送成功。

        第3日天氣轉(zhuǎn)晴,經(jīng)檢修人員登塔巡查,發(fā)現(xiàn)雙信5465線197號塔小號側(cè)約150 m處,A相上子導(dǎo)線(2根)與B相下子導(dǎo)線(2根)各有一處長度為3~4 m的斷續(xù)性放電痕跡;安龍5466線41號大號側(cè)約150 m處,C相上子導(dǎo)線(1根)與B相下子導(dǎo)線(1根)各有一處長度為2~3 m的斷續(xù)性放電痕跡;而桿塔、基礎(chǔ)、絕緣子金具等未見明顯異常,舞動線路受損導(dǎo)線情況見圖1。

        圖1 導(dǎo)線放電痕跡

        2 舞動機(jī)理分析

        架空輸電線路在運(yùn)行過程中會因自然災(zāi)害而發(fā)生多種事故,舞動就是其中危害較為嚴(yán)重的一種。舞動是不均勻覆冰導(dǎo)線在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的一種低頻率(約0.1~3 Hz)、大振幅(可達(dá)10 m以上)的自激振動。根據(jù)導(dǎo)線舞動機(jī)理,輸電線路舞動故障是否形成一般應(yīng)具備3個要素,即非對稱覆冰、風(fēng)激勵以及線路結(jié)構(gòu)和參數(shù)。

        2.1 非對稱覆冰狀況

        據(jù)浙江省氣象臺資料顯示,衢州站在1月5日20時至6日8時零度層下降到地面,且零度層的相對濕度在85%以上,故障段跨越烏溪江、局部濕度更大;同時該時段伴5~20 mm的降雨;當(dāng)夜線路運(yùn)行人員巡查匯報(bào),故障線路明顯有不對稱覆冰現(xiàn)象產(chǎn)生,測量導(dǎo)線脫落下來的覆冰厚度:迎風(fēng)面為2~5 mm,背風(fēng)面為10~15 mm。

        2.2 風(fēng)激勵狀況

        持續(xù)、恒定、恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)力,是架空輸電線路發(fā)生舞動的要素之二。大量文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)資料表明,在導(dǎo)線覆冰的情況下,當(dāng)風(fēng)速在5~15 m/s且風(fēng)向與線路夾角大于45°時,導(dǎo)線易發(fā)生舞動。結(jié)合浙江省氣象臺信息數(shù)據(jù),按2 min和10 min風(fēng)向平均值統(tǒng)計(jì),風(fēng)力與風(fēng)向無重大變化,其與線路夾角為 37°~38°; 風(fēng)速平均值在 5~6 m/s。

        由于故障段線路所處地形為中間低、兩邊高(見圖2),平地段約1300 m,故障檔所處位置四周平坦開闊、中間跨越烏溪江,江面寬度約400 m,容易因狹管效應(yīng)形成 “穿堂風(fēng)”,不僅改變風(fēng)向,同時增大風(fēng)速。結(jié)合現(xiàn)場植被倒伏跡象,判斷當(dāng)時風(fēng)向夾角約50°,風(fēng)力略大于4級(8 m/s)、約為10~15 m/s,實(shí)際風(fēng)力信息見表2。

        圖2 故障線路路徑走向

        表1 故障線路跳閘情況

        表2 故障點(diǎn)臨近氣象站風(fēng)力風(fēng)向信息

        2.3 線路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)分析

        運(yùn)行資料表明:在相同的條件下,分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線容易發(fā)生舞動,大截面的導(dǎo)線比小截面的導(dǎo)線易發(fā)生舞動。導(dǎo)線張力越大,弧垂越小,發(fā)生舞動和相間碰線的可能性越小,但張力過大會導(dǎo)致導(dǎo)線微風(fēng)振動增強(qiáng),損傷導(dǎo)線線股,故張力應(yīng)控制在恰當(dāng)范圍內(nèi)??缭綑n兩側(cè)分別采用SZV2A(45)和 SZVKA(54)自立塔各 1基, 導(dǎo)地線雙回路垂直排列、絕緣子V形串雙曲線布置,桿塔結(jié)構(gòu)和參數(shù)見圖3和表3所示。

        2.4 模擬空間放電過程推演

        結(jié)合圖3可知,500 kV鐵塔垂直間距為10.5 m、水平偏移值為1 m,間隙符合現(xiàn)有技術(shù)規(guī)程;但經(jīng)現(xiàn)場觀測,由于本檔弧垂較大且跨越江面,檔內(nèi)導(dǎo)線舞動時上揚(yáng)幅度高達(dá)10 m左右,舞動軌跡在垂直于導(dǎo)線軸向的平面內(nèi)近似橢圓,橢圓長軸與短軸的長度比在10∶3左右。由橢圓運(yùn)行軌跡可知,當(dāng)導(dǎo)線上揚(yáng)至最高點(diǎn)時,其水平偏移值非常小甚至可以忽略不計(jì),但是考慮到上下導(dǎo)線間的不同期舞動(下相導(dǎo)線往上運(yùn)行、上相導(dǎo)線往下運(yùn)行)和橢圓非標(biāo)準(zhǔn)的因素,故不同相間最小空氣間隙值在0.5~1 m。參考《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊》中關(guān)于空氣間隙的工頻擊穿特性棒-棒曲線可知,交流電壓500 kV的空氣擊穿間隙值在0.9~1 m,可見導(dǎo)線相間凈空距離小于相間擊穿電壓閥值,發(fā)生相間短路跳閘。由現(xiàn)場檢查返回的導(dǎo)線放電痕跡照片也佐證了這一點(diǎn)。

        根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行規(guī)程,為防止出現(xiàn)500 kV系統(tǒng)失穩(wěn),當(dāng)發(fā)生相間故障時繼電保護(hù)重合閘設(shè)置閉鎖,故首次跳閘未重合;經(jīng)試送成功16 min后,在風(fēng)力作用下,不同期舞動再次發(fā)生,致使線路再次跳閘,試送失敗。

        3 線路防舞動措施比較

        舞動是由于能量的輸入導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)造成的,是一種動力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。故防舞治理主要以線性動力穩(wěn)定性理論作為基礎(chǔ),通常有以下防舞動措施。

        (1)安裝雙擺裝置或偏心重錘防舞器。利用雙擺裝置(見圖4)或偏心重錘吸收輸入能量,破壞諧振頻率,降低舞動幅值;適用于分裂導(dǎo)線,安裝方便,防舞效果較好。同時應(yīng)注意對微風(fēng)振動的影響,防止導(dǎo)線局部應(yīng)力過大而損傷線股。

        (2)將固定式間隔棒更換為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒(見圖5)。利用回轉(zhuǎn)式間隔棒的活動性,降低四分裂導(dǎo)線的剛度,當(dāng)導(dǎo)線迎風(fēng)面覆冰累積到一定的厚度時,間隔棒可自動回轉(zhuǎn),使導(dǎo)線由不對稱覆冰改為對稱覆冰,氣流無法在導(dǎo)線平面產(chǎn)生上升角。安裝時應(yīng)確保方向正確,活動側(cè)對準(zhǔn)迎風(fēng)面,固定側(cè)對準(zhǔn)背風(fēng)面。

        表3 跳閘線路主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

        圖3 故障塔頭部結(jié)構(gòu)布置

        圖4 雙擺防舞器

        圖5 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒

        (3)安裝不同相相間間隔棒。目的是固定各相導(dǎo)線相對位置,利用各導(dǎo)線間存在的阻尼作用,相互吸收振動能量,破壞諧振頻率。適用于220 kV及以下線路,可能存在老化、彎曲等問題,且安裝較困難。

        (4)檔中加塔,三相子導(dǎo)線間隔棒采用不等均安裝法或拆除。減小檔距后降低了導(dǎo)線舞動的幅值。不等距安裝,使各次檔距動態(tài)特性各不相同,振動能量相互吸收,工程費(fèi)用較高,停電時間較長。

        4 對事故線路采取的整治方案

        經(jīng)上述比較分析,針對本次500 kV線路劇烈舞動現(xiàn)象,建議采用下列防舞措施,以提高線路的抗舞能力,加強(qiáng)輸電線路運(yùn)行的安全可靠性。

        (1)綜合抗舞方案設(shè)計(jì)。對涉及故障檔耐張段全部安裝雙擺防舞器,同時將固定式間隔棒更換為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒。經(jīng)查閱資料,故障耐張段全長為2353 m,每條線路均需安裝雙擺防舞器87套,更換線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒147套。每檔內(nèi)雙擺防舞器布置總重為導(dǎo)線總重的7%,單個雙擺防舞器質(zhì)量30 kg,防舞器分裝在3個布置點(diǎn)(在布置點(diǎn)中心位置依次等間距布置),如果只有2個防舞器,則安裝在距小號檔近的2個布置點(diǎn)。

        (2)對劇烈舞動段線路進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)。對于劇烈舞動檔的受損導(dǎo)線,采用0號砂紙磨平、并以鋁線纏繞;同時更換合成絕緣子及其連接金具,并對塔頭掛點(diǎn)處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),防止因本次舞動后再發(fā)生其他次生災(zāi)害。

        (3)對舞動線路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在舞動檔兩側(cè)桿塔各安裝1套輸電線路舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)和視頻在線監(jiān)測系統(tǒng),對輸電線路的舞動進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)檔內(nèi)的振動半波數(shù)、振動頻率、振幅等輸電線路舞動振動特征參數(shù)及風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等氣象資料的實(shí)時數(shù)據(jù)收集,并根據(jù)收集的實(shí)時數(shù)據(jù)對線路舞動情況進(jìn)行計(jì)算和分析,結(jié)合現(xiàn)場視頻的可視化在線監(jiān)控,及時向運(yùn)行單位提出報(bào)警、預(yù)警。

        5 結(jié)語

        (1)500 kV雙信5465線和安龍5466線由于遭受凍雨突襲,輸電線路在短期內(nèi)產(chǎn)生大量非對稱覆冰,在一定風(fēng)力作用下發(fā)生舞動,致使導(dǎo)線相間距離不足,故障跳閘。

        (2)對已經(jīng)發(fā)生舞動跳閘的同塔雙回線路,可采用安裝雙擺防舞器和回轉(zhuǎn)式間隔棒相結(jié)合的綜合防治措施進(jìn)行整治。對規(guī)劃新建的線路,可以合理選擇線路走向,盡可能避開舞動多發(fā)區(qū);對無法避開舞動多發(fā)區(qū)的線路桿塔,應(yīng)適當(dāng)增大塔頭不同相間電氣凈距,或?qū)θ鄬?dǎo)線采用不同布置方式,將垂直排列線路水平相間偏移值由1 m增大至2 m,降低線路舞動跳閘幾率。

        (3)由于輸電線路舞動治理較為困難,各相關(guān)部門應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)聯(lián)合協(xié)作,研究探索規(guī)律,力爭建立線路舞動電氣模型,為科學(xué)防治線路舞動奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),為電網(wǎng)安全運(yùn)行作出貢獻(xiàn)。

        [1] 黃經(jīng)亞,架空送電線路導(dǎo)線舞動的分析研究[J].中國電力,1995,2∶21-26.

        [2] 張殿生,電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊[M].北京:中國電力出版社,2003.

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