超高压输电线路风偏故障原因分析

张立明，马 立，曹 铖

（国网湖北省电力有限公司超高压公司，湖北宜昌 443002）

我国幅员辽阔、地形复杂，在电网配合负荷需求扩容的同时，架空线路穿过恶劣天气地区的情况也更加频繁，因而风偏故障频次也越来越多。风偏是指导线和绝缘子串在强风作用下产生摇摆偏离初始位置的现象，当其与邻近物体空气间隙小于安全距离时产生风偏闪络，引起输电线路跳闸[1]。据统计，在2013—2015年，国家电网所辖超高压输电线路风偏跳闸次数分别是146、53、46 次，占总跳闸次数比例分别是11.14%、5.78%、9.81%[2]。

输电线路风偏故障可以分为跳线风偏、绝缘子风偏、相间风偏。文献[3]分析了某500 kV 四分裂输电线转角耐张塔外角处绕引跳线悬挂在塔身脚钉引起的跳闸故障；文献[4]讨论了在验收220 kV 海北—拉布大林—根河基建工程时发现的5 处双回路换位塔存在的相间风偏故障隐患；文献[5]针对220 kV 某Ⅱ线线路开关跳闸故障采用刚性直棒法计算绝缘子风偏位移，随后采用自主研发系统建立了实际复杂山地三维模型及通过ANSYS 有限元仿真得到其风速分布，然后再次计算对原结果进行修正。

本文对湖北省某500 kV 输电线绝缘子风偏故障原因，采用刚性直棒法进行计算分析，同时给出相关的解决方案，以消除存在的风偏隐患保证在强对流天气下输电的安全可靠与持续供电。

1 设备基本情况

该500 kV 输电线路于2002 年4 月22 日投入运行，湖北境内全长161.457 km。故障杆塔为222#杆塔，导线水平排列，杆塔设计风速为27 m/s（新规程10 m基准高度折算），风偏校核后最大允许风速为27.6 m/s。小号侧档距779 m，大号侧档距404 m，故障区段平均海拔高度为664.189 m，线路为东西走向，主要地形为山地。故障区段基本情况见表1。

表1 故障区段基本情况

2 故障概况

2.1 故障跳闸概况

2022 年8 月9 日19 时30 分，某500 kV 一回线A 相（右相）故障跳闸，重合闸不成功。8 月9 日22 时35 分，该回线路强送成功，故障基本情况见表2。故障测距情况如下。

表2 故障基本情况

1）分布式故障诊断装置测距：故障位置在149 号杆塔大号侧34 km，对应杆塔号221#—222#。

2）宜昌换流站故障测距：行波测距宜昌站127.669 km，对应杆塔号221#—222#。

2.2 故障现场概况

故障发生前线路所属区段气象台发布了冰雹橙色预警，具体为2022 年8 月9 日19 时10 分，气象台发布冰雹橙色预警信号：预计未来6 h 将有可能出现冰雹天气，雨量20~40 mm，阵风8~10 级。8 月9 日19 时30 分，故障区段天气情况为狂风暴雨，故障区段连续10 min 最大风速达31.8 m/s。

此外，现场人员观测到，周边树竹存在被吹断、连根拔起情况，房屋屋顶瓦片被吹飞，故障时段确有大风情况发生。

2.3 故障巡视概况

8 月9 日19 时51 分接到故障信息后，国网湖北超高压公司立即安排技术人员进行故障测距核算等故障查找前的技术准备工作，通过分析故障时段现场天气，结合故障测距、线路平断面图资料及地形因素，推断可能导致故障的原因为风偏、异物等，制定了优先巡视该回线路220#—225#区段的排查方案，派出4 名人员赶往现场开展故障巡视工作，并第一时间联系护线员了解现场情况。

8 月9 日21 时15 分，故障巡视人员到达故障区段现场时，该地区天气已转阴，对故障区段线路通道情况进行了全面排查，未发现异常情况。向调度汇报后申请送电。8 月9 日22 时35 分该500 kV 线路强送成功。由于天色已晚，未能开展无人机巡检及登杆检查工作，当日暂未发现故障点。

8 月10 日5 时15 分，故障巡视人员到达故障区段现场，利用无人机对218#—225#开展故障巡视，6 时20 分，在222#杆塔右相导线防振锤、对应上方塔材发现明显放电痕迹，随后安排人员带电登杆进行了确认。根据该回线路故障测距、保护等信息，现场天气情况和故障查找情况，初步判断该处为故障点，如图1、图2所示。

图1 222#杆塔塔材及导线端放电痕迹

图2 222#放电通道

3 原因分析

3.1 原因排查分析

由故障录波图可以看出，19 时30 分50 秒，该线路发生故障，故障电流3.105 kA。故障发生时，故障区段内无外破施工作业情况。因此，排除外破引起线路故障；通过查询雷电定位系统，在故障发生时间及前后5 min 时段，该回线路通道5 km 范围内无符合跳闸时间的雷电活动记录，且根据分布式故障监测系统记录的故障时刻电流行波波形，故障时刻电流行波主波头电流上升比较陡，波尾持续时间大于40 μs，符合非雷击跳闸故障特征，故排除雷击故障。

通过现场对故障区段通道检查，杆塔大小号侧通道内状况良好，无超高树木，排除树（竹）线放电引起线路故障；通过对杆塔巡视检查，杆塔上未发现鸟巢、鸟粪等鸟类活动迹象，排除鸟害引起线路故障；通过对故障区段进行全面排查，线路通道及周边1 km 范围内及导地线、绝缘子、杆塔上无漂浮物等异物残留痕迹，排除异物引起线路故障。

经现场走访调查，故障时现场出现局部飓风，且在杆塔塔材及导线发现有放电点，可初步判定局地瞬时大风强对流天气引起导线及绝缘子串向塔身侧倾斜（风偏），造成导线与塔身最小空气间隙不能满足运行要求而引起空气击穿，从而造成线路跳闸。设计气象条件基本风速为Vmax=27 m/s，根据设计风速对222#杆塔风偏角进行校核。校核经过如下。

1）杆塔所在区段导线型号为4×LGJ-400/50。

2）线路设计最大风速为27 m/s。

3）222#杆塔前后断面图及明细表，明细表见表3。

表3 221#—223#杆塔明细表

4）222#杆塔导线悬垂串重及串长：m=283 kg；l=5.47 m。

3.2 数据计算分析

1）允许摇摆角计算。根据电力行业标准DL/T 5092—1999《（110～500）kV 架空送电线路设计技术规程》[6]要求，500 kV 线路海拔在500 m 以上、1 000 m 以下时，带电部分与杆塔构件在大风情况下的最小放电距离为1.3 m，结合ZB2 单线图，画出大风情况杆塔允许风偏角，根据杆塔间隙圆得知，ZB2 直线杆塔在大风情况下，允许摇摆角ψ 为54.58°。

2）实际摇摆角计算。视悬垂绝缘子串为均布荷载的刚性直棒，设校验气象条件下悬垂绝缘子串的垂向荷载为GJ，横向水平风荷载为PJ，末端作用的导线荷载为Gd、Pd，对A点列力矩平衡方程式，有

所以

式中：γ1、γ4分别为导线的自重比载和风压比载；lh、lv分别为该基杆塔的水平档距和垂直档距；A为导线的截面积。

风速随高度变化指数公式为

根据《电架空路设计手册》第五章第一节中，电线水平档距为lh时的风荷载计算公式为

根据《电架空路设计手册》第五章第三节中，电线水平档距lh、垂直档距lv计算公式为

式中：l1v、l2v分别为某一杆塔两侧的垂直档距，m；σ10、σ20分别为某一杆塔两侧的电线水平应力，N/mm2；l1、l2、lh分别为杆塔两侧的档距和杆塔的水平档距，m；h1、h2分别为杆塔两侧的悬挂点高差，m；当邻塔悬挂点低时取正号，反之取负号；γv为电线的垂直比载，N/（m·mm2）。

设计气象条件基本风速为Vmax=27 m/s，现根据设计风速对222#杆塔风偏角开始校核，4×LGJ-400/50 导线技术参数：A=451.55 mm2，m=1.511 kg/m，d=27.63 mm。根据断面图上量得，221#-223#杆塔导线平均高度为18 m、hi=18 m、hx=10 m、Vx=27 m/s，根据公式（3）计算出Vi=29.66 m/s。根据断面图及明细表，l1=404 m、l2=779 m，依据公式（6）、公式（7）计算得出垂直档距lv=337 m、水平档距lh=592 m。断面计算如图3 所示。

图3 222#断面计算图

根据查阅导线技术参数及资料计算，经公式（4）、公式（5）计算得出γ1=0.032 82 N/（m·mm2）、γ4=0.027 84 N/（m·mm2）、PJ=1 048 N、GJ=5 119 N。再通过公式（2）得出222#再设计最大风速情况下风偏角为ψ=53.3°，小于允许摇摆角ψ=54.58°。满足规范要求。按照上述公式计算，当风速超过设计最大风速达到27.6 m/s时，222#杆塔电气间隙小于规范要求值1.3 m。经推算，当风速达到31.8 mm/s 时，222#杆塔风偏角为60.36°，电气间隙为0.88 m，如图4 所示。

图4 31 m/s 风速工况校核摇摆角

综上所述，故障发生期间，现场短时风速为31.8 m/s，超过最大允许风速Vmax=27.6 m/s，导致该回输电线路222#杆塔风偏角为60.36°，电气间隙（0.88 m）不满足1.3 m 安全距离，该回输电线路导线防振锤对杆塔塔身放电，造成风偏跳闸。

3.3 整改建议

根据设备损伤情况及故障原因，建议采取如下整改方案。

1）8 月11 日前，对受强对流天气暴雨影响的区域线路开展灾后特巡，重点排查线路周围是否存在异物漂浮物隐患、山区滑坡及泥石流等次生灾害，并利用无人机进行精细化巡检，重点检查杆塔挂点螺栓、金具有无松动脱落等情况，及时发现消除线路缺陷隐患。对该回线路220#—225#区段杆塔完成一次螺栓紧固。

2）协同省电科院和设计单位对海拔超过500 m、峡谷风道地形的杆塔开展风偏校核，针对不满足要求的杆塔采取加装重锤、单串改双串、I 串改V 串等措施进行治理，防止同类故障的再次发生。

3）推广应用微气象在线监测装置。通过在已投运线路上安装微气象在线监测装置，收集积累第一手的气象资料，特别是野外短时大风数据，为其本身风偏校核治理及新建线路设计提供依据和支撑。

4 结束语

本次故障暴露出国网湖北省超高压公司对位于高海拔、峡谷风道的杆塔风偏校核工作方面存在不足，对于线路大风环境，加上空气湿度、温度变化等异常环境状态叠加预想不足，未能考虑到多种异常环境叠加的特殊工况并采取相应的应对措施，导致其电气间隙小于工频电压最小放电间隙，引起线路风偏跳闸故障。下一步工作应当尽快进行故障后整改行动，采取相应措施消除输电线路存在的安全隐患问题。