输电线路“六防”在线路初步设计中的应用研究

2022-12-13陈万意CHENWanyi侯添元HOUTianyuan任唯贺RENWeihe孙志SUNZhi

价值工程 2022年34期

陈万意 CHEN Wan-yi；侯添元 HOU Tian-yuan；任唯贺 REN Wei-he；孙志 SUN Zhi

（国网吉林省电力有限公司超高压公司，长春 130000）

0 引言

输电线路保安全、保畅通的关键在于防护意识强烈、防护措施得当，否则，线路受损以及出现故障的概率将大幅提升。通过线路设计人员与施工人员多年的摸索，针对输电线路的安全防护工作提出了“六防”策略，并针对每一个影响线路安全运行的因素，制订了一系列科学有效的措施，并在实际工作当中得到大面积推广和应用。实践证明，做好“六防”工作，不仅能够延长输电线路的使用寿命，同时，也能够增强整个电力网络的安全性与稳定性。

1 引发输电线路跳闸故障的主要因素

按电压等级划分，输电线路主要包括35kV、110kV、220kV、330、500kV等，由于输电线路多以架空形式为主，因此，受到自然环境因素以及人为破坏因素的影响，极易出现跳闸等故障，进而给整个电网的运行埋下了安全隐患。

1.1 雷击

众所周知，架空输电线路长年暴露在空气当中，并且不同电压等级的线路，距离地面建筑物的最小垂直距离也有所不同，如表1所示。

表1 高压输电线路与地面建筑物间最小垂直距离

从表1中可以看出，电压等级越高，线路与地面建筑物的最小垂直距离越大，随着垂直距离的升高，输电线路受到雷击的概率也明显增加。一旦遭受雷击，输电线路将极易发生跳闸现象，进而引发绝缘子闪络放电，在这种情况下，瓷质绝缘子表面釉层将烧伤脱落，玻璃绝缘子表面将出现不规则的网状裂纹。如果雷击产生的电流过大，线路的烧损面积也将随之增大，进而使终端用户的供电安全性受到严重影响。

1.2 低温结冰

线路低温结冰多发于我国的北方地区，或者早晚温差较大的地区。在冬季到来时，由于输电线路表面会凝结成一层厚厚的冰晶，随着冰晶厚度的增加，与带电粒子发生反应的概率也将明显上升，这时，整条线路便会发生冰闪现象。如果输电线路长期处于雨雪交加的气候环境里，那么，输电线路表面也会结一层厚厚的冰晶，并且处理难度与工作量相对较大[1]。

1.3 风力过大

在架设高压输电线路时，需要综合考虑安全指标与经济指标，因此，线杆之间也将间隔较大的距离，以节省更多的线杆材料费用与架设费用，而这种架设方式的弊端是连接两个线杆的线路过长，一旦遇到大风天气，线路将出现大幅度摇摆，如果风向不定，线路的摆动方向也具有随意性，当达到一定风力时，部分线路将极易出现断裂现象，或者与高耸的建筑物、高大树木相互缠绕，这时，输电线路也将出现短路跳闸事故，进而影响整个电网的安全运行。

1.4 鸟类的频繁活动

绝大多数高压输电线路都架设在野外或者无人区，由于这些区域的鸟类活动较为频繁，使得一些线路受到鸟类破坏的概率明显上升。比如一些鸟类经常在杆塔上栖息过夜，这就增加了线路本身的自重量，如果超出线路的承载范围，那么，线路则极易出现断裂现象。另外，鸟类排放出的粪便一旦与输电线路接触，那么粪便当中的水分将直接给绝缘子的绝缘性能造成影响，在这种情况下，将极易引起接地短路，进而出现跳闸等故障。

1.5 人为因素

人为影响因素可以从两方面予以考虑，一方面是人为恶意破坏，比如一些建筑或者基础设施建设施工单位，在施工过程中，并未遵照施工设计图纸要求，而盲目进行施工，以至于破坏了大量的输电线路，甚至给现场施工人员的生命安全构成直接威胁。另一方面是专业技术水平低。众所周知，电力系统维修与线路维护需要大量的专业技术人员，但是，由于输电线路维修与维护作业条件恶劣，并且高空作业的安全风险高，造成大量专业技术人员流失，在这种情况下，线路架设、线路维修与维护等工作的专业性也将受限，进而给整个电力网络埋下了重大的安全风险隐患。

2 输电线路“六防”在线路初步设计中体现的应用价值

所谓输电线路“六防”主要是针对引发输电线路短路、跳闸等故障的主要因素而采取的针对性预防与治理措施，即便输电线路故障的发生具有不可预知性，但是，通过事前的精准防范，能够将故障风险的发生概率或者故障损失降到最低点，因此，输电线路“六防”对整个电网的安全稳定运行起到关键性作用。

从输电线路“六防”的具体工作内容分析，不仅囊括了雷击、外力破坏、树线放电、鸟害、大风、冰冻等的主要预防措施，并且可以根据损害类型，进行点对点防范，每一种损害类型都与每一个防护与治理措施相对应，一旦输电线路出现故障，工作人员能够快速启动应急响应预案，进而最大限度的挽回故障损失。与此同时，输电线路“六防”不仅可以作为现场安全管理规范，并且，也是电力企业安全管理工作的重中之重，只有各级管理人员能够始终将“六防”工作落到实处，整个电力企业才能逐步向规范化、科学化、标准化方向发展。

3 输电线路“六防”在线路初步设计中的应用策略

3.1 防雷击策略

以110kV的高压输电线路为例，为了提升线路的整体防雷水平，设计人员应当根据地线保护角的取值范围来确定最佳的保护角度，如表2所示。

表2 输电线路地线保护角取值范围

如果输电线路所经的区域多为山区，那么，在架设线路时，一般沿着山坡倾斜的角度架设，并适当减小地线保护角，这也是防止绕击雷闪络事故的一条有效路径。

另外，降低接地电阻也是提高线路耐雷水平的有效措施，采取这种方式来降低雷击概率也能够节省大量的线路运行与维修成本。如果考虑季节因素，假设变电站进出线2km区段，档距在1000m以上，塔高在100m以上的大跨越段杆塔接地电阻值不得超过10Ω，而正常跨越区段的接地电阻值不得超过20Ω。遵循这一原则，在设计输电线路杆塔接地体时，应当满足以下要求：第一，如果考虑季节影响因素，土壤处于干燥状态时，变电站进出线1-2km范围内与大跨越区段，电阻值在10Ω以下，其它区段的最大接地电阻值不得超过20Ω。第二，如果采用人工接地方式，接地体单根射线长度应当在60m以下，如果采用双螺连接方式，杆塔外引线数量为2根，使接地体与杆身形成明导通。第三，在选择接地引下线时，其接地体材质应当以角钢为主，引下线材质多以圆钢为主，圆钢直径应当在12mm以上。第四，设计人员应当严格控制接地体的埋置深度，对于水量充沛的地区，如果土壤电阻率在100Ω·m以下，接地体埋置深度应当在0.8m以上。如果土壤电阻率介于100Ω·m与300Ω·m之间，接地体埋置深度应当在0.6m以上，如果土壤电阻率介于300Ω·m与2000Ω·m之间，埋置深度在0.5m以上，如果土壤电阻率超过2000Ω·m，埋置深度最小不得低于0.3m。如果遵循这一设计原则，输电线路发生雷击事故的概率将大幅下降。

3.2 防外力破坏策略

除自然灾害的破坏因素外，人为对输电线路的破坏事故也时有发生，尤其在其它建设项目的施工过程中，受到人为破坏的概率呈逐年上升趋势。另外，人类的一些行为活动，也会给线路的正常运行造成破坏。比如植树造林工程、燃放易燃易爆物品、放风筝、钓鱼等行为都可能引发线路短路或者跳闸事故。因此，在设计输电线路时，设计人员应当制订一套切实可行的防外力破坏策略。以林木植被的繁茂的山区为例，如果在该地区架设110kV的高压输电线路，那么，设计需要考虑森林火灾的破坏、高大树木的破坏以及建筑物的施工破坏等因素，为此，设计人员尽量避开易发生山火的区域以及建筑物较为密集的区域，如果线路跨越乡镇公路或者城镇，则可以采用呼高较高、根开较小的铁塔作为跨越支撑物，以此来减少铁塔的占地面积，提升导地线的跨越高度，这样一来，线路受损的概率也将大幅下降。

3.3 防树线放电策略

由于我国幅员辽阔，电网密集，输电线路几乎遍布每一个角落，尤其在进入二十一世纪后，我国加大了对偏远山区以及广大农村的线路架设力度，以至于一些新建的输电线路占用了大量的山地、林地以及农业耕地，同时针对当地的线路保护工作也提出了一些严格要求，比如在线路保护区域内，广大农户不得栽种一些高杆植物或者建造厂房，这一规定的出台不仅增加了输电线路的架设成本，同时，也损害了广大农户的基本利益。针对这一问题，在新修订的《架空线路设计规范》中明确规定，凡是经过上述区域的架空线路，都应当采用高跨成片林设计方案，在这一方案的引导下，输电线路的跨越方式发生了根本性转变，这不仅保障了农户的基本利益，并且，树线放电事故也明显减少。

3.4 防鸟害策略

3.4.1 防污设计

目前，多数输电线路使用的绝缘子为钢化玻璃材质，电力部门可以在此基础上，使用一些大盘径、大爬距的防污型产品。以提高绝缘子串的爬电距离，绝缘子串爬电距离越大，线路的清洁度越高，并且可以减少大量的清扫与维护工序。比如以大盘径的绝缘子串为例，这种绝缘子串靠近横担处加装一片大盘径绝缘子，或者在绝缘子串中间安装大盘径绝缘子，这种绝缘方式在防止鸟类粪便等污秽物方面将起到良好的防护作用。究其原因主要是由于绝缘子表面在堆积鸟类粪便以后，随着粪便等污秽物的增多，外界潮湿空气与雨雾将同时作用于污秽物上面，这时，绝缘子表面极易出现闪络现象。而输电线路如果暴露在干燥的空气中，鸟类粪便降低绝缘子闪络电压的能力受限，这就使污闪出现的概率大幅下降。因此，输电线路发生污闪的主要原因与鸟粪的电导率、污秽物的表面积大小以及污秽的来源路径有着密切关系。通过对线路污闪原因的分析，设计人员也可以利用喷涂RTV涂料的方法，来保护玻璃绝缘子。

3.4.2 防鸟害设计

为了防止鸟类损坏输电线路，设计人员可以采取以下三种方式：第一，优选塔型。即设计人员可以采用悬垂串挂点处叉铁少的塔型，这种塔型可以有效防止鸟类在横担处筑巢垒窝，这样一来，筑巢所用的杂草也不会与线路发生短接效应。第二，防鸟与治鸟。设计人员可以在易于筑巢的横担处加装驱鸟器或者安装防鸟刺，一旦鸟类在线路上栖息和停留，这两种装置可以直接驱散鸟类。第三，类似于防止线路污闪的方法，设计人员可以采用大盘径绝缘子插花，来防止鸟类粪便的侵害。

3.5 防覆冰策略

近年来，南方地区频繁发生冰冻灾害，而北方地区在冬季来临时，一些输电线路也会出现大面积覆冰现象，如果不及时予以处理，输电线路极易发生短路与跳闸事故，甚至某一区段的线路会严重受损。因此，在规划和设计输电线路时，设计人员应当全面考虑冰冻灾害给输电线路造成的不利影响，并遵循“避、防、融”的防冰冻原则，制定切实可行的防覆冰方案。

3.5.1 线路覆冰危害

输电线路覆冰一般包括以下几种形式：雾淞、雨淞、混合淞、冻雾、湿雪等，出现上述任何一种覆冰形式，输电线路的安全性与稳定性都将受到严峻考验。其中，对线路危害指数最高的是雨淞这种覆冰形式，当覆冰厚度达到极限值，将会引发断线与倒塔事故。比如2013年南方大部分地区出现的输电线路覆冰事故，覆冰厚度最大区段达到50mm以上，在这种情况下，覆冰自重量已经远远超出了线路的承载上限，继而多地发生了倒塔事故。一旦线路表面覆冰，线路本身将在风力的作用下发生低频率、大幅度摆动，如果摆动持续的时间过长，线路、绝缘子、铁塔的耐受能力将明显降低，这时，线路便会出现疲劳损伤，甚至会引发塔材脱落、线路断裂与铁塔解体等严重事故[5]。

3.5.2 防覆冰设计

为了防止输电线路出现覆冰事故，设计人员可以采取以下措施进行预防：第一，优化线路跨越路径，即线路穿越的地带可以选择一些地势较低的区域，这种走线方式可以大幅度降低覆冰的概率，线路的平均海拔每降低100m，线路覆冰概率也随之下降，并且覆冰程度也有所减轻。同时，也可以选择一些转角度数较小的区域，这样能够大幅提升转角塔的抗冰冻能力。第二，对于线路跨越档距较大的区段，可以采取增设杆塔数量地、减少档距的方法，这样可以增加线路的过载能力，降低杆塔的荷载量。也可以对直线杆塔的高差进行有效控制，尤其对不平衡张力的直线杆塔，其位置与数量应当合理予以确定。第三，为避免冰闪现象的发生，可以对输电线路的悬垂串进行插花处理，以增加双悬垂串之间的间隔距离。第四，为避免断线与倒塔事故的发生，设计人员应当合理选择杆塔的塔型，首先可以利用数学建模的方式，设计出铁塔的数学模型，然后根据模型计算出线路的疲劳强度值，然后对与杆塔相连的第一个金具进行加强处理，这样，对延缓线路的疲劳周期将起到关键性作用。

3.6 防风偏策略

输电线路距离地面的垂直距离越高，受到风的作用力越大，线路受损的概率也将随之升高，因此，在设计输电线路时，设计人员首先需要明确强风是引发线路发生风偏的主要原因。因为在强风的作用下，绝缘子串将向杆塔方向倾斜，这时，杆塔与线路间的间隔距离缩小，如果这一距离无法满足放电的最低电压要求，那么，线路发生闪络的概率将明显上升。其次，如果绝缘子在强风的作用下向着杆塔相反的方向倾斜，那么线路与通道内树竹的间隔距离将缩小，在这种情况下，也极易发生闪络。经过实地验证，在强风作用下，绝缘子向杆塔相反方向倾斜的概率明显高于同方向倾斜的概率。尤其对山区的输电线路来说，如果线路与山区树木的间隔距离越小，那么线路发生闪络的概率也就越大，因此，针对这种情况，近年来，电力部门着力对影响线路正常跨越路径的林木进行砍伐，但是，由于当地民众保护林木的意识增强，使得砍伐难度越来越大。为了有效解决这一问题，设计人员可以对杆塔进行加强处理，并将绝缘子片数控制在9-10片左右，使线路与树竹的间隔距离能够始终在安全距离的范围之内。同时，在选择线路跨越路径时，也可以尽量避开一些林木高度较高的区域，或者采用呼高较高的杆塔，这样也可以有效预防风偏事故的发生。