湖北区域超特高压输电线路风偏风险评估分析

金 哲，尹 洪，李晓峰，刘春堂，雷 雨，辛 巍，杨世强

（国网湖北省电力有限公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

国网湖北省电力有限公司检修公司管辖500 kV及以上超特高压输电线路113条，长度9 680.069 km，杆塔19 444基。2015年以来，所辖线路先后发生3起风偏故障跳闸，严重影响了供电可靠性。

对这3起风偏故障跳闸事件进行分析发现，故障发生时局部最大风速均已超设计风速，造成导线与塔身最小空气间隙不能满足运行要求，引起空气击穿。

在以往的风偏校核分析及风险评估工作中，一般采用设计风速作为基准风速进行校核，所辖线路杆塔均满足设计风速要求。但是在微气象区、甚至普通的平原地区超设计风速情况日益增多，线路运维面临新的威胁，有必要对线路杆塔进行超设计风速校核，重新评估线路杆塔风偏风险。

1 线路风偏故障基本情况

2016年7月27日，500 kV峡都三回线路风偏故障；2016年8月14日，500 kV林江一回线路风偏故障；2017年8月12日，500 kV卧贤二回线路风偏故障。3起风偏故障线路设计风速均为27 m/s（基准高度10 m），气象台观测的现场最大风速分别为31.2 m/s、30.5 m/s、34.5 m/s（基准高度 10 m），故障杆塔塔型分别为ZB4-51、ZB2-48、ZB1-30。现场地形分别为山地、平原、平原。

根据3起风偏故障实际平均风速情况，选取超设计风速5%对杆塔风偏风险进行校核分析。

2 线路风偏校核方法

本次校核主要采用的方法为：计算设定风速条件下杆塔的风偏摇摆角，以及特定塔型及绝缘子串组合条件下允许摇摆角，对比两个摇摆角，得出是否满足风偏要求的结论[1]。

2.1 超设计风速5%条件下杆塔的风偏摇摆角计算

摇摆角由水平荷载与垂直荷载比值组成。其中水平荷载由导线、绝缘子串受风产生的风荷载组成。此外，对于直线转角塔，角度会让杆塔两侧导线不处于同一条直线上，直线转角塔风荷载应增加角度荷载。

垂直荷载主要由导线、绝缘子串自重产生的垂直荷载，以及导线附加垂直荷载（导线间隔棒、防振锤、双摆防舞器重量）组成。

2.1.1 水平荷载计算

导线风压荷载计算公式为：

在式(1)中，α是导线风压不均匀系数，Wo是基本风压，μz是风压高度变化系数，μsc是导线体型系数，βc是计算杆塔时风荷载调整系数，d是分裂导线外径之和，Lp是杆塔水平档距，B是大风工况风荷载增大系数，θ是导线与风向间夹角。相关取值情况参见《Q/GDW 179 110 kV～750 kV架空输电线路设计技术规定》。

绝缘子串风压荷载计算公式为：

在式(2)中，Wo、μz、B 同上，A1是绝缘子串受风面积，取值标准为：单盘盘径为254 mm2的绝缘子，每片受风面积取0.02 m2。大盘径及双盘径取0.03 m2。金具受风面积，单导线每串取0.03 m2。两分裂导线每串取0.04 m2,3-4分裂导线，每串取0.05 m2，对于双联绝缘子串的受风面积，取单联的1.5～2倍。

直转杆塔角度荷载计算公式为：

2.1.2 垂直荷载计算

导线垂直荷载计算公式为：

绝缘子串垂直荷载计算公式为：

附加垂直荷载计算公式为：

2.1.3 风偏摇摆角计算

风偏摇摆角计算公式为：

2.2 特定塔型及绝缘子串组合条件下允许摇摆角的计算

根据特定塔型单线图、绝缘子金具串串长、导线分裂间距等，以工频电压下线路带电部分与杆塔构件的最小间隙（500 kV为1.2 m）为控制半径，绘制大风工况下允许风偏角示意图，得出特定塔型及绝缘子串组合条件下允许摇摆角，如图1所示。

图1 500 kV线路ZB型杆塔允许摇摆角Fig.1 Acceptable swing angle of ZB type tower of 500 kV transmission line

可以看到，图1所示某500 kV输电线路ZB型杆塔允许摇摆角为49.6°。

2.3 风偏摇摆角与允许摇摆角比对分析

将上述计算、分析得到的风偏摇摆角和允许摇摆角进行对比，若风偏摇摆角大于等于允许摇摆角，则存在风偏隐患；若风偏摇摆角小于允许摇摆角，则不存在风偏隐患。

3 风偏校核结果分析

3.1 风偏校核结果概述

经校核，公司存在1 330基杆塔不满足超设计风速5%风偏校核要求，占杆塔总数的7.2%。

不满足要求的杆塔共涉及81类塔型，其中不满足杆塔数排前十的分别为：ZB1型192基；L1型148基；G1型122基；ZB2型102基；ZV1型79基；ZB3型73基；ZV型70基；G2型68基；ZBV1型62基；ZB4型35基，总计951基，占全部不满足要求杆塔数量71.5%。

由此看出，不满足要求的杆塔类型主要集中在L型、ZB型、G型、ZV等型式上。

统计上述 4类塔型有：ZB型（ZB1、ZB2、ZB3、ZB4、ZB5）塔412基校核不满足要求，占31.0%；G型（G1、G2、G3、G4、G5）塔206基校核不满足要求，占15.5%；ZV型（ZV、ZV1、ZV2、ZV3）塔184基校核不满足要求，占13.8%；L型（L1、L2）塔169基校核不满足要求，占12.7%；四类塔型占比达73.0%。

各类不满足杆塔类型比例如图2所示。

图2 不满足超设计风速5%校核杆塔型式一览Fig.2 Tower type general survey of dissatisfy windage yaw checking by adopting the 5%exceeding designing of wind speed as the reference wind speed

3.2 塔头结构分析

选取ZB型杆塔分析其塔型结构，部分塔型塔头结构如图3所示。

图3 ZB型部分塔型塔头结构图Fig.3 Tower head structure diagram of part ZB type tower

统计边相及中相横担挂点分别至塔身距离如表1所示。

表1 ZB塔型边相及中相横担挂点分别至塔身距离Tab.1 The ZB type tower distance between the side and the center of the horizontal cross arm

随着塔型结构逐渐增大（从ZB1至ZB5），边相（AB）及中相（CD）距离也随之增大，不满足超设计风速5%校核杆塔的比例则同步递减,如图4所示。

图4 塔头尺寸逐步加大，风偏隐患逐渐减小Fig.4 With the tower head size increases,the windage windage hidden danger reduces

其中ZB3至ZB4由10.7%增至11.0%，略有增幅，这主要是由于两种塔型边相（AB）及中相（CD）距离一样，而ZB4型塔型平均呼高较ZB3型塔型高的缘故。

统计G型、L型等其他塔型各极导线挂点至塔身距离结论显示也基本符合上述结果。

可以推断：同一大类塔型（如G型、ZV型、ZB型等），横担较窄、塔头较小的1型塔、2型塔（如G1、ZV1、ZB1等），风偏裕度偏小，风偏隐患更为突出。

3.3 垂直档距分析

选取L型杆塔分析垂直档距，L1型塔总计217基，148基不满足超设计5%风速校核要求，占比68.2%。L2型塔总计35基，21基不满足超设计5%风速校核要求，占比60.0%。

分析这些不满足要求的杆塔垂直档距，对其逐档划分如表2所示。

对L型塔而言，垂直档距在200 m以下杆塔5基，不满足要求的杆塔5基，占100%；垂直档距在200至300 m间杆塔37基，不满足要求的杆塔33基，占89.2%；垂直档距在300至400 m间杆塔107基，不满足要求的杆塔77基，占72.0%；垂直档距在400 m以上杆塔103基，不满足要求的杆塔54基，占52.4%，变化趋势如图5所示。

分析其他塔型也基本符合上述结果。可以推断：垂直档距越小，杆塔绝缘子发生风偏的隐患越大。

表2 L1、L2型不满足超设计风速5%杆塔垂直档距一览Tab.2 L1 and L2 type tower ertical span general survey ofdissatisfy windage yaw checking by adopting the 5%exceeding designing of wind speed as the reference wind speed

图5 垂直档距增大，校核不满足杆塔比例逐渐减小Fig.5 With the Vertical span increases,the proportion of the unsatisfied tower decrease

3.4 线路杆塔Kv值分析

Kv值即为杆塔垂直档距除以水平档距。由于杆塔摇摆角由水平荷载与垂直荷载比值决定，而水平荷载占比最大的组成部分导线风荷载取决于水平档距，垂直荷载占比最大的组成部分导线垂直荷载取决于垂直档距，因此Kv值较垂直档距而言更能反映线路杆塔风偏隐患情况。

统计某±500 kV直流线路G1-36杆塔校核数据，得到18个样本值，其中7基杆塔不满足超设计风速5%校核要求，11基杆塔满足。对18基杆塔按Kv值大小排列如表3所示。

可以看到：随着Kv值从小到大，杆塔风偏风险基本呈递减趋势，仅330号杆塔存在差异。

对此线路而言，Kv值大于1.09时基本满足超设计风速5%校核要求，小于1.09时不满足设计风速5%校核要求概率极大。

需要补充说明的是，对不同线路的同类型塔，Kv值分界点略有不同，这主要是由于不同线路绝缘子串长度不同等其他非关键原因导致。

对每条线路而言，找准各类型塔Kv值，也可为线路治理提供一个重要依据。

表3 某G1-36杆塔Kv值及校核情况Tab.3 Kv value and checking results of G1-36 type tower

4 结语

风偏治理主要工作在于L型、G型、ZV型、ZB型等1型塔、2型塔治理。此类杆塔基数大，需进行防风偏治理的数量也较多，应根据现场所处地形、环境、历史风偏情况、垂直水平档距等综合考虑，制定分年度治理计划分批治理。总体原则为：优先对垂直档距小、水平档距大的杆塔开展防风偏治理。优先对各塔型1型塔、2型塔等横担结构较小的杆塔进行治理。

线路防风偏推荐采取的方法有：对于直线塔，可在原悬垂串上加挂重锤抑制导线风偏，提高间隙裕度。对于风偏隐患较严重的直线塔，也可将原单联悬垂串改为双联悬垂串，并分别在每串上加挂重锤。对于风险最大的杆塔，还可在导线与塔身之间加装硬隔离措施[3]。如在导线横担处挂点与塔身之间加装硬隔离绝缘棒。该绝缘棒可以在导线风偏时阻隔导线进一步向塔身靠近。对于耐张塔，可在引流线悬垂串加挂重锤抑制导线风偏，提高间隙裕度。也可将跳线串单改双，将单串引流线绝缘子改为双I串或“八字”串并加装重锤。

[参考文献]（References）

[1]胡毅.输电线路运行故障分析与防治[M].北京：中国电力出版社，2007.Hu Yi.Analysis and Prevention of Transmission Line Operation Faults[M].Beijing：China Electric Power Press,2007.

[2]谢强,张勇,李杰.华东电网500 kV任上5237线飑线风致倒塔事故调查分析[J].电网技术,2006,(10)：59-63,89.XIE Qiang,ZHANG Yong,LI Jie.Investigation on tower collapses of 500 kV renshang 5237 transmission line caused by downburst[J].Power System Technology,2006,(10)：59-63,89.

[3]国网运维检修部.输电线路六防工作手册.防风害[M].北京：中国电力出版社，2015.Operation and Maintenance Department,State Grid Corporation of China.Manual of power transmission line six prevention.Windage yaw prevention[M].Beijing：China Electric Power Press,2015.