宁夏西北山区输电线路风害治理措施研究

徐兆国，张振华，董慎学

(国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753000)

0 引 言

宁夏地区地形地貌特殊，常年干旱，且多风少雨。地形南北狭长，山体多，地势南高北低，受到新疆、西伯利亚等地区强冷空气的影响，风向主要为西风环流[1-2]。局部微地形区域多且易发生极端瞬时大风等恶劣天气，造成输电线路倒塔、断线、风偏等故障,并且冬季导线一旦形成偏心覆冰，输电线路很容易发生大规模舞动[3-6]。

线路风害的影响因素众多，如地理位置、气象环境以及微地形、微气象特征、线路建设情况等，因此不同地域的风害及防风策略也不同：如王宝成[7]等对蒙东地区多条220 kV线路风害进行了研究，认为故障主要原因为线路设计不满足实际要求，并提出了采用硬质挑担加重锤，单回路杆塔换位，提高防风设计标准配置等措施；徐雪丹[8]、谢锡汉[9]等研究了沿海地区线路风害问题，结果表明沿海地区风害主要由台风导致，台风风速超过输电线路原有设计值，致使输电塔塔材或者基础无法继续承载，风偏角度大于设计值，由此导致风害事故；牛彪[10]等则研究了地处高原环境的山西地区风害特征，并研究了防风偏绝缘隔离拉索的应用效果；针对宁夏地区输电线路风害频发问题，常彬[2]等结合气象数据、地形及大气环流等因素，研究了宁夏风区的分布特征，并根据风区分布特征提出了宁夏输电线路防风策略；徐兆国[1]等统计了宁夏地区6个代表气象站1981—2010年记录的最大风速、极大风速，分析了两种风速的月、年变化特征，并根据气象风速特征制订输电线路防风偏及防倒塔的策略。随着全球气候变化，加之宁夏西北山区独特的地理环境，各种防风措施的采用并没有完全解决风害问题，线路风害事故仍然时有发生，这对该地区差异化防风工作提出了新的挑战。

本文以宁夏石嘴山地区为例，对其地形、地貌、风区分布、气候以及输电线路运行经验进行分析，特别针对位于瞬时风速较大的山区输电线路进行研究，对比整理近年来气象风速的变化特征，分析各个防风措施的优缺点，提出合理可行的差异化风害治理措施，从而达到预防输电线路发生风害故障的目的，给西北山区电网整体风害治理提供借鉴。

1 输电线路风害的主要故障类型

1)倒塔类。强风风力等级超过杆塔承受能力，使得铁塔受力主材变形，导致铁塔自塔身折断或整体倾倒。

2)风偏类。强风吹动导线，导线靠近塔身距离过近放电，导致单相接地事故。

3)导地线断股和断线类。位于山区风口地区的线路，长期处于强风环境中，导地线长期处于连续晃动状态，最终造成导地线断股、断裂等情况。

4)绝缘子和金具损坏类。强风可造成绝缘子承受过大的机械应力，导致绝缘子钢脚开裂、芯棒断裂等问题；大风造成耐张线夹、螺栓及金具出现磨损甚至断裂。

石嘴山地区位于宁夏西北贺兰山东麓，是宁夏风害最为严重、最具典型的地区之一。该地区风速快，风力等级高且持续时间长，导致输电线路带电体与杆塔之间的空气间隙不断减小，当空气间隙的绝缘距离小于安全距离时，会发生风偏跳闸，即使输电线路进行重合闸操作，但在风的作用下依旧会形成二次击穿现象，对输电线路的稳定运行带来了巨大威胁[11-13]。

2 输电线路风害故障统计分析

2005年至2021年，石嘴山地区35 kV及以上架空输电线路共发生风害故障21次。按电压等级统计，35 kV线路5次，110 kV线路5次，220 kV线路11次；按风害类型统计，风偏13次，倒塔8次。具体情况如图1所示。经过统计可以发现，风偏事故占总体比例的61.9 %，是石嘴山地区主要的风害类型；倒塔事故占总体比例的38.1%，对电网的安全稳定运行影响较大；2010年发生风偏次数最多，而2015年则发生多次倒塔事故。

(a)风害统计(按电压等级)

此外，根据近年的运维经验，石嘴山地区大风天气及由其引起的恶劣气象条件在每年的4月至5月最为集中，局部瞬时风速较大的天气一般发生在9月至10月，极易引起倒塔故障。

3 输电线路风害治理措施

3.1 技术措施

3.1.1 防风偏措施

3.1.1.1 改变绝缘串连接方式

将单回直线塔对强风区域的线路边相(上风侧)、中相单串悬垂串改为“V”型串。将不能够改为“V”串的边相或中相绝缘子串，通过技术改造为倒“V”或“八”型串结构，如图2所示。

(a)“V”型串

以V型绝缘子为例，当V型串绝缘子一侧受风力F时，迎风侧的绝缘子会承受极大的拉力F1，而背风侧的绝缘子随着风力增大所承受的拉力F2逐渐减小，并由向下的拉力变为向上的压力F3。迎风侧绝缘子对金具的拉力和背风侧绝缘子的支撑力对输电导线路起到更好的稳固作用[14-18]。

对石嘴山地区某220 kV输电线路2.24 m长的I型复合绝缘子进行八字串及V型串的改装后，进行了有限元仿真计算，如图3所示。结果显示，30 m/s风速下，相对于I串，八字串可降低风偏位移14%，V型绝缘子串可降低风偏角位移超过95%。两种串型的绝缘子防风偏效果均较为显著。

(a)八字串改装仿真计算

3.1.1.2 加装导线防风拉线

通过在上风侧导线线夹处加装悬垂线夹，连接绝缘子后用钢绞线侧拉至地面，中相线用绝缘子将导线与塔身拉住，起到在大风时防止风偏的作用。由于线路走向为横风向，只需在上风侧的边相及中相安装即可。图4为防风拉线结构，其中迎风侧边相导线采用对地侧拉，而中相导线采用对塔侧拉。

图4 导线加装防风拉线

图5为迎风侧导线的受力分析，F1为对地侧防风拉线拉力，F11为水平拉力，F12为垂直拉力。水平方向的力作用向杆塔外侧，当输电线受到水平方向的自然风力时可以避免导线向内侧接近，使输电导线与杆塔保持安全的绝缘距离；而竖直向下的力使得输电导线在自然风力的作用下不易向上偏动。加装防风拉线不仅能够防止导线因水平风引起的闪络故障，而且还能有效抑制竖直风引起的导线上扬，保障输电线路在恶劣大风环境下的正常运行。

图5 导线加装防风拉线受力分析

此方法普遍适用于无人大风区，并且安装方便简洁，防风偏效果好，但是由于拉线连接至地面，使得本方法不适用于城镇人口聚集地和车辆较为频繁的地域，还应采取防风拉线的防盗、防松、防撞(如喷涂醒目的警示涂料或安装警示套管等)措施。此外，由于输电铁塔和导地线是一个耦联的系统，导线受风的作用产生振动将会在导线内产生很大的动张力，进而对输电铁塔产生强大的拖拽作用，导致输电铁塔遭到破坏。当采用导线防风拉线时，拉线对导线的拉力与风的动张力方向相反，可有效减少动张力的产生，从而对防止倒塔起到一定的作用。另外减小风的动张力也就可减小导线振动，从而减少对线路金具的磨损，避免了落线事故及其带来严重后果。

3.1.1.3 加装斜拉式防风偏绝缘拉索

使用拉索将绝缘子挂点与塔身连接起来，拉锁由绝缘棒本体和两端连接金具组成，两端分别连接在挂线点及塔身处。如图6所示。棒体包括伞裙和棒芯(选取多节合成绝缘子代替)，两端金具为常用的配套连接金具，且两端金具只需固定在铁塔塔材螺栓孔洞中即可，操作方便。

图6 导线加装斜拉式防风偏绝缘拉索

加装斜拉式防风偏绝缘拉索无需地锚等用于固定拉线的设施，材料常见，安装方便，无需担心外力破坏风险，但需要通过实验来确定当导线受风力偏转后运动轨迹靠近塔身最小距离d时，角θ的大小为多少才能保证安全距离，即确定绝缘拉索的长度和安装位置。

当风力过大，防风偏拉索会使导线绝缘空气间隙缩短，可使用横拉式防风偏绝缘拉索。如图7所示。横拉式防风偏绝缘拉索相比较斜拉式，其优点在于当受到侧向风力F时，横拉式防风偏绝缘拉索保持反向拉力F1可以有效地保证导线不发生偏移。其本身的机械性能可以满足风力对其的拉伸要求。

图7 导线加装横拉式防风偏绝缘拉索

3.1.2 防倒塔措施

3.1.2.1 加装杆塔防风拉线

针对自立铁塔，塔型如酒杯塔、猫头塔等，在塔身迎风一面加装钢绞线，与地面的地锚相连接，且钢绞线与塔身之间用合成绝缘子过渡连接。

拉线布置位置方式如下：在靠近塔头的塔身处沿塔身对角线方向均匀装设钢丝绳拉线，保证拉线与地面水平夹角约为30°～ 45°，这样既可以使拉线能够平衡杆塔受到的水平风力，又可以使杆塔与拉线的总体结构比较紧凑，减小拉线的占地宽度。拉线连接高度主要在塔身处，具体连接点需要保证导线和拉线最小距离大于安全放电间隙。

如图8所示。这种方法可以对抗风能力不足的自立铁塔是一种很好的保护措施，能够有效提高铁塔抗风能力，杜绝了倒塔事故。

图8 塔身加装防风拉线

3.1.2.2 补强杆塔

对7727型铁塔等薄弱塔型的塔腿和塔身连接处包钢进行补强，将铁塔上下两段主材连接牢固；定期进行杆塔螺栓紧固，对重点防风区段的铁塔采用薄型防松防卸螺帽。

3.2 管理措施

1)加强设计方案审查。对输电线路设计时是否充分考虑了微地形、微气象区及其他影响因素，是否对易发风害地区采取了差异化设计措施等进行严格审查，避免因设计条件不当造成的风偏、风荷载安全裕度不足。

2)严把工程验收质量。对输电线路工程竣工验收时严格按照防风设计条件执行，落实验收标准及十八项反事故措施，重点对塔基、螺栓等隐蔽工程加强验收，确保输电线路零缺陷投运。

3)定期开展风害隐患排查。对地脚螺栓和螺帽不匹配、螺帽松动及保护帽破损等情况及时进行整改，并扩大同类型杆塔的排查范围；对已采取防风措施的输电杆塔进行风偏角和机械性能校核，并对其应用效能进行评估，对不满足要求的杆塔区段及时进行优化改造。

4 应用成效

石嘴山地区220 kV正兰乙线等7条线路杆塔地处贺兰山沿风带，该区域多发大风极端天气，当大风以接近90°的角度吹向线路时，易引起导线风偏跳闸，或使导线长时间大幅摆动、疲劳受损，甚至导致杆塔损坏，严重影响线路安全运行。

以220 kV正兰乙线9号塔进行风害治理前后对比分析为例，220 kV正兰乙线9号塔原悬垂串串长为2.563 m，改为双串后，风速角取60°，等效串长可以减少0.18 m，在相同风偏角度时可以增加间隙0.1 m，折算到风偏角度可以减小约1.9°；同时将悬垂线夹改为加重式悬垂线夹，串重可以增加41.2 kg，在相同风速下，可以减小风偏角度0.5°。通过上述理论计算，可提高原线路的设计风速约1.3 m/s，缓和了导线因大风引起的纵向不平衡张力，限制了导线和绝缘子串风偏幅度，有效地保障了输电线路的空气间隙，防止线路发生放电和风偏闪络事故。

自石嘴山电网2013年实施该防风策略以来，输电线路风偏及倒杆断线等风害故障次数明显减少，截止到2017年底，输电线路仅发生过1起风偏故障，防风策略实施效果显著，降低了宁夏石嘴山电网的经济损失，提高了输电线路的安全稳定运行水平，相关输电线路风害措施及治理经验值得推广。

5 结 语

输电线路运维管理单位应根据自身地区气象特点，坚持理论联系实际的方法，借鉴其他单位的成功经验，结合自身地区特点及运行经验，采取针对性的防风措施，不断从加强线路风害资料的收集、持续完善风害区域分布图、冬季加强强风地区线路的巡视等方面下功夫，提出适用于本地区输电线路的防风策略，切实做好输电线路风害技术改造和设计工作，确保输电线路安全运行。