朱德祎，鄭連勇

（山東電力超高壓公司，山東 濟(jì)南 250021）

0 引言

目前對(duì)輸電線路中的跳線串僅要求其對(duì)跳線起固定作用，其金具和絕緣子的荷載沒有引起足夠重視。2008年5月24日，山東電網(wǎng)發(fā)生了一起500 kV電網(wǎng)跳線脫落故障，雖然具有偶然性，但是不能不引起我們的重視。

1 故障過程

2008年 5月 24日 8：33，500 kV 濰嶗線 B相跳閘，重合不成,三相跳閘，故障測(cè)距0.08 km。根據(jù)測(cè)距，巡視人員發(fā)現(xiàn)500 kV濰嶗線277號(hào)塔B（中）相跳線已與兩懸垂絕緣子脫離。大號(hào)側(cè)懸垂絕緣子從導(dǎo)線側(cè)第七節(jié)傘裙處斷裂為兩部分，小號(hào)側(cè)懸垂絕緣子四個(gè)跳線線夾全部斷裂，致使跳線與懸垂絕緣子完全脫離，墜落至橫擔(dān)（圖1），對(duì)塔身放電造成永久性故障重合不成功。

2 原因分析

500 kV濰嶗線于2001年3月投運(yùn)，277號(hào)段采用4×LGJX400/35導(dǎo)線，鐵塔為DG41-24型，B相共有兩組跳線串，跳線絕緣子均為德國(guó)赫斯特公司生產(chǎn)的合成絕緣子。

圖1 故障現(xiàn)場(chǎng)照片

2.1 跳線絕緣子斷裂原因分析

該合成絕緣子為德國(guó)赫斯特公司1999年生產(chǎn)，額定荷載120 kN，長(zhǎng)度4 360mm。事后對(duì)斷裂的絕緣子檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂截面硅橡膠護(hù)套有一破損孔，芯棒表面起毛、粉化，芯棒斷裂面不整齊，顏色為棕紅色。并且從導(dǎo)線側(cè)開始到第18片傘裙之間的護(hù)套分布有16個(gè)破損孔，18片傘裙以上未發(fā)現(xiàn)破損孔（圖 2）。

圖2 合成絕緣子斷裂處的斷面及穿孔圖

經(jīng)過對(duì)第10～12片傘裙間的傘套解剖檢查發(fā)現(xiàn)：芯棒顏色變白，表面粉化，玻璃纖維外露，護(hù)套與芯棒間的界面粘接松動(dòng)。

通過試驗(yàn)分析認(rèn)為本次合成絕緣子斷裂的原因?yàn)椋汉铣山^緣子護(hù)套存在缺陷，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生電蝕損，造成護(hù)套破壞而進(jìn)水、受潮，從而導(dǎo)致芯棒水解、粉化、腐蝕、變色，芯棒斷面機(jī)械強(qiáng)度下降，以至于在正常機(jī)械負(fù)荷作用下斷裂。

2.2 跳線線夾斷裂原因分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)大號(hào)側(cè)跳線懸垂絕緣子先斷裂，而后導(dǎo)致小號(hào)側(cè)跳線串的四個(gè)跳線線夾斷裂。

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)大號(hào)側(cè)跳線金具落至跳線被收緊時(shí)，其速度最快，對(duì)小號(hào)側(cè)絕緣子串產(chǎn)生的沖擊力最大。

通過建立數(shù)學(xué)模型可以得出，A串跳線金具脫落，B串金具保持完好的前提下，其脫落金具的下落距離S1′為5.75m，此時(shí)跳線同塔身的最小距離S2′為1.55m。具體數(shù)據(jù)見表1，子導(dǎo)線編號(hào)見圖3，該塔跳線串采用單聯(lián)懸垂串，每串金具參數(shù)如表2。

圖3 中相跳編號(hào)示意圖

圖4 中相跳線只保留一串絕緣子時(shí)橫斷面示意圖

在搶修過程中通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，如圖4所示：當(dāng)A串跳線金具脫落，B串金具保持完好的前提下，其脫落金具的下落距離S1為6.1m，此時(shí)跳線與塔身的最小距離 （即導(dǎo)線對(duì)橫擔(dān)上平面的最小距離）S2為 1.3m。

表1 中相繞跳跳線數(shù)據(jù)

表2 金具參數(shù)

由于A串金具在串間跳線收緊前做自由落體運(yùn)動(dòng)由能量守恒可得

其中m為A串金具質(zhì)量；h為A串金具在被串間跳線約束收緊前自由下落距離，為力求產(chǎn)生的速度最大，取S1和S1′中最大值6.1m，重錘連同金具下落至被串間跳線收緊時(shí)速度為V≈11m/s。

圖5 金具受力分析圖

由數(shù)學(xué)模型可推算出此時(shí)A串下落的金具串與B串絕緣子掛點(diǎn)所在水平線所呈φ角度約40°。

可以把A串金具的速度分解成沿跳線方向的速度V1和與跳線垂直方向上的速度V2。

串間跳線收緊前的瞬間：

理想狀態(tài)下收緊的瞬間，A金具在與跳線垂直方向上的速度V2不變，并以此速度繞B串金具作圓周運(yùn)動(dòng)；在沿跳線方向上，由于受到跳線的約束作用，沿跳線方向的速度會(huì)隨著跳線的伸長(zhǎng)而迅速減小，當(dāng)速度減為零時(shí)，跳線的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度最大，跳線的拉力也達(dá)到最大值。此時(shí)跳線方向上的力T1由三部分組成，分別是由于A串金具的重力作用而產(chǎn)生的力G1、A金具繞B串金具作圓周運(yùn)動(dòng)所需的向心力F向、由A串金具對(duì)跳線沖擊而產(chǎn)生的最大拉力FV。而后跳線方向上的力就只有G1和F向，可見跳線線夾在串間跳線收緊的瞬間受到的力最大。即：

其中

L是兩串間跳線的長(zhǎng)度,E是跳線鋼芯部分的彈性系數(shù)，S是跳線鋼芯部分總的截面面積，ΔL是跳線收緊的瞬間其伸長(zhǎng)的最大長(zhǎng)度。

在跳線收緊的瞬間沿跳線方向上使用動(dòng)能定理得

又有式（4）代入式（5）可得

把式（6）代入式（4）得

把式（2）（3）（7）代入式（1）可得跳線方向上的力T1=150 kN。

通過分析斷裂跳線線夾可知，造成線夾斷裂的力為垂直線夾的力，此時(shí)線夾所受的力

理想狀態(tài)下每個(gè)線夾的力為f=F/4=28.7 kN。

為驗(yàn)證所計(jì)算數(shù)據(jù)，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)。將139.39 kg重物通過拉力表固定在離地約9m處，長(zhǎng)度為6.1m模擬導(dǎo)線上，讓重物做自由落體運(yùn)動(dòng)，自由墜落距離為6.1m。其產(chǎn)生的最大沖擊力為158 kN（模擬導(dǎo)線同實(shí)際導(dǎo)線彈性系數(shù)存在少許出入，且自由落體高度和計(jì)量表計(jì)存在少許誤差所致）。

XT4-45400型能否承受的起28.7 kN力的沖擊呢？由于國(guó)家和行業(yè)均沒有對(duì)跳線線夾的破斷拉力做出規(guī)定，筆者詢問了國(guó)內(nèi)幾家大型的線路器材生產(chǎn)廠家，也都表示XT4-45400型僅對(duì)跳線起穩(wěn)定作用，沒有做過線夾破斷試驗(yàn)，沒有規(guī)定具體荷載。為得到XT4-45400型線夾的荷載數(shù)值，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。靜態(tài)拉力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)XT4-45400線夾的破斷拉力在15 kN左右，動(dòng)態(tài)沖擊力試驗(yàn)得出XT4-45400線夾動(dòng)態(tài)破斷拉力約在4.5 kN左右。

由此可以得出，XT4-45400線夾不能承受絕緣子斷裂的瞬時(shí)沖擊。小號(hào)側(cè)跳線串的四個(gè)跳線線夾斷裂，是由于大號(hào)側(cè)跳線懸垂絕緣子斷裂，在重錘等跳線金具的下落沖力作用下造成的。

2.3 結(jié)論

通過故障現(xiàn)場(chǎng)分析可以看出，線路跳閘的直接原因是因?yàn)槊撀涞奶€同鐵塔本體安全距離不足造成的。

如果在A串跳線懸垂絕緣子發(fā)生斷裂時(shí)，B串跳線線夾沒有發(fā)生斷裂，跳線將繼續(xù)被約束在鐵塔上，跳線與塔身電氣距離最小為1.3m。北京電力試驗(yàn)研究所和原水電部電力科學(xué)研究院高壓研究所曾經(jīng)做過的試驗(yàn)表明（圖6）：四分裂導(dǎo)線－塔構(gòu)間隙工頻擊穿電壓，在空氣間隙為1.3m時(shí)U50擊穿電壓約為470 kV,按1.1倍運(yùn)行電壓上限計(jì)算，相電壓約為318 kV，此時(shí)仍能保證線路正常運(yùn)行。

圖6 四分裂導(dǎo)線-塔構(gòu)間隙工頻懸垂擊穿電壓曲線

脫落的跳線同塔身的最小距離，是因B串跳線線夾發(fā)生斷裂造成的。若選取高強(qiáng)度的跳線金具和絕緣子，就有可能防止A串跳線懸垂絕緣子發(fā)生斷裂后，跳線同鐵塔本體安全距離不足。

本次故障的起因是A串跳線合成絕緣子斷裂，若其沒有發(fā)生斷裂，就不會(huì)累及B串跳線線夾發(fā)生斷裂，最終造成跳線同鐵塔本體安全距離不足，線路跳閘的故障發(fā)生。

綜上所述，我們提出以下防范措施。

3 防范措施

3.1 加強(qiáng)合成絕緣子紅外檢測(cè)工作，發(fā)現(xiàn)局部過熱時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換

由于國(guó)內(nèi)在近幾年才開始普遍使用合成絕緣子，對(duì)于合成絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行后的電氣和機(jī)械性能還沒有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，這就要求運(yùn)行單位除了定期的巡視檢查外，還要加強(qiáng)對(duì)其開展紅外檢測(cè)工作，一旦發(fā)現(xiàn)有局部過熱現(xiàn)象，就要立即進(jìn)行更換,防止合成絕緣子斷裂故障發(fā)生。

3.2 線路設(shè)計(jì)選型中提高跳線絕緣子和金具強(qiáng)度

目前超高壓輸電線路跳線串線夾普遍采用的是XT型，跳線合成絕緣子一般選擇額定荷載120kN的絕緣子。同時(shí)為防止風(fēng)偏等跳線串裝有6～8片不等的重錘，通過以上分析我們可知對(duì)于雙跳線串來(lái)說，一旦一串發(fā)生斷裂，在其金具串的重力沖擊下極易導(dǎo)致跳線脫落。

在今后的設(shè)計(jì)中，可以對(duì)雙跳線串的跳線線夾采用直線塔所用的XGF型線夾。這種線夾破壞荷重一般在60～80 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于跳線串?dāng)嗔褜?duì)跳線線夾造成的沖擊力28.7 kN。實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，試驗(yàn)中當(dāng)采用XGF型線夾時(shí)，重錘加到8片仍沒有發(fā)生斷裂，也沒有出現(xiàn)裂紋。

跳線的合成絕緣子可以用額定荷載為210 kN的合成絕緣子代替，因?yàn)楫?dāng)一串跳線脫落時(shí)其沖擊力148 kN左右，其額定荷載可有效避免另一串絕緣子的斷裂。

3.3 加強(qiáng)合成絕緣子的全過程管理

基建驗(yàn)收中，發(fā)現(xiàn)芯棒損傷的合成絕緣子，必須進(jìn)行更換，不得修復(fù)后繼續(xù)掛網(wǎng)運(yùn)行。設(shè)備停電檢修過程中，在合成絕緣子的運(yùn)輸、施工、檢修等環(huán)節(jié)加強(qiáng)對(duì)其保護(hù)，嚴(yán)禁攀爬合成絕緣子，尤其不能損傷合成絕緣子芯棒護(hù)套；嚴(yán)禁掛網(wǎng)使用芯棒損傷的合成絕緣子。