基于MATLAB仿真的输电线路风偏闪络影响因素分析

王 力，胡祖伟

（安徽华电工程咨询设计有限责任公司，安徽 合肥230009）

从1996～2012年，国家电网公司所属线路110 kV及以上输电线路发生风偏闪络事故频繁，其主要原因是导线和绝缘子串在强风下风偏角过大，使得导线对杆塔的间隙距离过小而造成风偏闪络[1]。发生风偏闪络的线路有单、双回线，塔型有耐张塔、直线塔，其中耐张塔主要是跳线对杆塔构架放电，直线塔主要是导线或金具对塔臂放电。风偏闪络导致线路停运，严重影响供电的可靠性，并造成很大的经济损失。

1 导线风偏计算

直线杆塔(含直线小转角)悬垂绝缘子串连同架空导线受横向水平风力作用后，从其垂直位置发生偏移，受风后的偏移位置与无风时的垂直位置间的夹角称为悬垂绝缘子串的风偏角[2]。

绝缘子串的风偏大小依其所产生的风偏大小来表示：

其中，δ为悬垂绝缘子串风偏角，PI为悬垂绝缘子串风压，GI为悬垂绝缘子串垂直荷载，P相应于工频、操作及雷电过电压风速下导线风荷载，W1为导线自重，lH、lV为杆塔水平档距和垂直档距，α为风压不均匀系数，βc为风荷载调整系数，μz为风压高度变化系数，μsc为导线的体型系数，d为导线的外径或覆冰时的计算外径，B为覆冰时风荷载增大系数，θ为风向与导线方向之间的夹角。

从式(1)、(2)可以看出，绝缘子串的风偏与导线自身参数、输电线路设计参数和导线风荷载等因素有关。而导线风荷载又与风压不均匀系数、风压高度变化系数、风荷载调整系数等有关。

2 输电线路风偏影响因素分析

本文以安徽宣城地区某220 kV山区线路为例，导线采用2×JLHA3-425中强度铝合金绞线，气象条件2910气象区。为分析以上因素对风偏的影响规律，本文采用改变其中一个影响因素而其他固定不变的方式，利用MATLAB软件进行仿真分析，从而得出风偏影响规律。

2.1 风速及风压不均匀系数

沿整个档距内电线各点的风并不是每时每刻都以同样的程度作用在输电线路上,同一时刻每一点的风速更是不均匀的。因此,在输电线路设计的风压计算中引入了风压不均匀系数α，以表征风场的上述特征。

当风荷载调整系数 βc=1.0、风向夹角 θ=90°时，分别取风压不均匀系数 α=0.75、0.67、0.61，利用 MATLAB软件仿真出不同风速下绝缘子风偏的变化情况，如图1所示(为便于比较，本文选取国网典型模块2B5-ZMC1塔)，不同风速及风压不均匀系数下导线风偏值如表1所示。

图1 风速及风压不均匀系数对风偏的影响值

表1 不同风速及风压不均匀系数下导线风偏值

可以看出，风速及风压不均匀系数对绝缘子风偏影响较大。以风速V=30 m/s为例，比较α取0.61和0.75时的风偏角可以看出，后者比前者增大8.3°，增幅达16.5%；当 α=0.61时，取 V=25 m/s和 30 m/s时的风偏角可以看出，后者比前者增大11.73°，增幅达30.4%。可见，α的选取和风速的确定对风偏很关键。

我国在 1999年发布的《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》中规定，当风速V≥20 m/s时，风压不均匀系数均按0.61设计。但从2004年以来，国家电网公司110 kV～500 kV输电线路风偏跳闸呈高发趋势，许多专家认为风压不均匀系数α取0.61不太合理，对风速打的折扣太大，预留裕度不够[3]。在2010年发布的国标GB50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中，对 α的取值重新进行了规定，α的划分也更加详细、合理。同时国标GB50545-2010在校验杆塔风偏间隙时对风压不均匀系数提出了修正方案，其随水平档距的变换关系为：

不同水平档距下风速及风压不均匀系数对风偏的影响值如图2所示。由图2可以看出，水平档距小则风偏角大，水平档距大则风偏角小。此修正方案综合反映了风压不均匀系数随档距变化的客观规律。在对已建输电线路进行杆塔校验时，需要针对杆塔档距来确定风压不均匀系数[4]。

图2 不同水平档距下风速及风压不均匀系数对风偏的影响值

2.2 风压高度变化系数及风荷载调整系数

在输电线路风荷载计算时，均是以10 m高的风速为基准进行计算的，高度对风荷载的影响是通过风压高度变化系数来实现的。理论上，风速沿高度的增大与地面摩擦力(粗糙程度)、地表基本风速、高度等因素有关。对架设高度大于基本风速高度(一般10 m)的线路,其最大风速则需由最大基本风速换算为高空风速。风压高度变化系数Kh为：

其中，h为风速距地面或水面的高度，hs为线路的风速基准高度，a为与地面粗糙度有关的系数 (一般简称为地面粗糙系数)。

当风荷载调整系数 βc=1.0、风向夹角 θ=90°、α=0.61时，利用MATLAB软件仿真出不同Kh下绝缘子风偏的变化情况如图3所示(本文计算29 m/s大风情况下风偏角)。

图3 风压高度变化系数对风偏的影响值

由图3可以看出，风压高度变化系数对大风情况下风偏角的影响较明显，这其中影响风压高度变化系数的主要是导线离地高度和地面粗糙系数。在国标GB50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中对地面粗糙系数已有明确规定，因此在实际工程中，导线的架设高度成为影响悬垂绝缘子风偏闪络的重要因素，导线架设高度越高，风偏闪络越严重。随着我国电网建设迅速发展，高杆塔和大跨越塔越来越多，合理选取风速高度换算系数就显得更为重要。

目前，国标 GB50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中，仅针对500 kV及以上输电线路风偏角计算时考虑风荷载调整系数，220 kV及以下输电线路并没有考虑这一系数。已有专家和学者针对风偏角计算时不考虑风荷载调整系数的不合理性进行了理论分析[5-6]，并利用有限元软件对不同风速和不同档距下的风偏角进行数值模拟，计算出不同风速和不同档距下的风荷载调整系数。笔者认为此方案较能综合反映风荷载调整系数与风偏角的客观规律，可以为输电线路的设计提供参考。

2.3 风向与导线轴向夹角的影响

在风偏角计算模型中，取 βc=1.0、α=0.61，利用 MATLAB软件仿真出不同风向夹角下绝缘子风偏的变化情况，如图4所示。

图4 风向夹角对风偏的影响值

从图4可以看出，风向夹角对导线悬垂绝缘子串风偏角影响很大，其中风向夹角为90°时，风偏影响最严重。国标 GB50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中，对风向夹角的取值没有明确规定，在考虑留有足够裕度的情况下，目前实际工程杆塔规划及风偏校验时都认为风是垂直于导线的，即风向与导线的轴向夹角取 90°[7]。

2.4 输电线路设计参数的影响

2.4.1垂直档距对风偏角的影响

仍以宣城工程为例，当水平档距取350 m、风压不均匀系数α=0.61时，利用MATLAB软件仿真出不同垂直档距、不同风速下绝缘子风偏的变化情况，如图5所示(本文计算大风情况下风偏角)。

2.4.2绝缘子串重量对风偏角的影响

图5 垂直档距对风偏的影响值

近年来，随着复合绝缘子越来越多地在工程中应用，其发生风偏闪络的概率相对较高，许多设计人员认为这主要是由于复合绝缘子重量较轻而导致，因此在开展防风偏工作中，主张对悬垂绝缘子串导线下方加装重锤增加绝缘子串重量或将复合绝缘子改为瓷(玻璃)绝缘子的方法。本文通过MATLAB软件对上述方法进行校验，取水平档距350 m、风压不均匀系数α=0.61，计算不同风速下风偏随绝缘子串重量的变化情况，仿真结果如图6所示(本文计算大风情况下风偏角)。

图6 绝缘子串重对风偏的影响值

从图6可以看出，在不同的风速下，绝缘子串重量由20 kg增加至70 kg时，风偏角相应只减小了2°多。同时当加装重锤后，由于重锤为导电体，其缩小了带电体对塔头构件的空气间隙，因此加装重锤或更换复合绝缘子对风偏的抑制效果并不明显。

3 输电线路风偏治理措施

通过上述对输电线路风偏影响因素的分析，在工程中可相应采取针对性的措施来抑制输电线路风偏闪络：

(1)风速和垂直档距对风偏影响较大，在设计过程中应重视气象资料的搜集以及微地形、微气象的划分，合理选取工程的风速取值。在山区或高低起伏较大的地形环境中应特别避免小垂直档距的发生。

(2)风压不均匀系数的选取对风偏有较大的影响，在输电线路设计中，国标 GB50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》中对风压不均匀系数的取值重新进行了定义，经过多年运行经验表明，风压不均匀系数的划分合理、可行。但在对已运行或改造线路进行风偏校验时，现行做法基本没有考虑风压不均匀系数随水平档距的变化关系，仿真结果表明这种做法不甚合理，在今后的风偏校验过程中应针对不同的水平档距合理选取风压不均匀系数。

(3)在输电线路规划高塔或跨越塔时，风压高度变化系数对风偏的影响较大，通过合理选取风压高度变化系数，可在不增加塔头尺寸的同时有效防止风偏发生的几率。

(4)直线杆塔绝缘子串重量的选取对风偏的影响有限，在风偏校验过程中通过改变绝缘子形式或增加重锤的方式只能小范围地降低风偏闪络几率。在实际校验中，可以通过改变绝缘子串形式等更加有效的防风偏技术。

本文在风偏计算的基础上，应用MATLAB仿真软件对风偏影响因素进行了逐一仿真，并根据仿真结果有针对性地提出改善风偏闪络的措施，从而用最小的代价降低了风偏闪络的几率，为后期输电线路设计提供参考。

[1]龙立宏，胡毅，李景禄，等.输电线路风偏放电的影响因素研究[J].高电压技术，2006，32（4）：19-21.

[2]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册(第2版)[M].北京：中国电力出版社，2003.

[3]徐小东，王钢.关于风压不均匀系数的研究[J].电力建设，2007，28（7）：1-4.

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[5]邵瑰玮，耿翠英，胡毅.国内外输电线路风偏设计参数比较与分析[J].高电压技术，2008，34（12）：7-10.

[6]孔伟，朱明伟，付豪，等.风荷载调整系数在风偏角计算中的研究分析[J].内蒙古电力技术，2012，30（2）：21-24.

[7]李孟春，张艳玲，杨北革，等.悬垂绝缘子串风偏最小间隙距离计算分析[J].电测与仪表，2012，49（3）：21-24.