220 kV输电线路分裂导线粘连分析与处理方法

2024-01-12李冬潘一帆江召刘宏波李凯蓝敏雪

云南电力技术 2023年6期

李冬，潘一帆，江召，刘宏波，李凯，蓝敏雪

（中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司，云南昆明 650051）

0 前言

随着我国经济的高速发展，我国电网建设也紧跟其后，支撑着我国经济的发展和人民生活的稳定。我国大多数地区的远程输电以220 kV输电线路为主，同时220 kV 输电线路也是省级电网的骨干电力网络，其重要性尤其突出。增加线路稳定性，减少线路可能出现的问题是一个值得研究的内容[1]。自1990 年以来，全国各个地区都发生了多起分裂导线粘连的故障，严重危害了电网的运行安全与输电系统的稳定运行。因此，对于分裂导线粘连的成因和校验及其解决方法都有研究的意义[2-3]。

在以往工程中，发现分裂导线之间无法保持所需要的电气间距时，通常会采用在分裂导线上加装间隔棒的方式来防止导线粘连[4-5]，但在实际工程运用中发现，在受到施工弧垂误差及风振等因素的影响下，部分间隔棒会夹持导线部位，导致导线磨损严重，甚至出现铝线断股等严重问题。本文提出两种方法来解决导线粘连问题，以兰腾220 kV 输电线路的导线粘连问题来验证方法的合理性。

1 导线粘连的原因

1.1 导线的粘连

对于双分裂导线，可以视为两条相互平行的电流分别为I1、I2且电流方向相同的通电导体，如图1 所示。由右手螺旋定则得到，在电流通过后所产生的磁场方向为垂直纸面向外，同时根据电磁力的左手定则可以分别得到两条导线受到的电磁力为F1和F2，电磁力的大小根据公式（1）计算[6]：

图1 双分裂导线示意图

式中：F为电磁力，N；μ=4 π×10-7为真空磁导率，H/m；d为双分裂导线之间的距离，m。

在电磁力的作用下，同相的双分裂导线的受力的方向向着对方靠拢。在设计双分裂导线的时候已经考虑到电磁力对导线产生的影响，在输电线路正常运行的过程中，电磁力并不会导致分裂导线粘连，但是长距离输电线路一般架设在野外环境中，野外复杂的环境可能出现大风、分裂导线温差、长时间高负载导致的温升和施工误差，都会加大粘连的可能性。当导线某处发生粘连，两导线的距离d会受力缩短，受到的电磁力进一步提高，导致粘连不断延伸，直至悬挂点，才会因金具的刚性间隔维持力的平衡，停止粘连。

1.2 风速对导线粘连的影响

220 kV 输电线路多用于长距离输电，通过的环境一般为野外，野外的自然环境相对复杂，特别在山岭地区，为了合理利用地形，降低工程的总造价，常会将输电线路的杆塔立于两山峰之间，以此减少杆塔的使用数量[7]。此时档距中间为山谷地形，而山谷地形为风口，相对于平原等地区有着更大的风速。同时，随着档距的增大，风速更加快，由风力导致的导线摆动就会愈加剧烈。当分裂导线在风力的作用下摆动不一致而相互接近时，风产生的作用力会抵消一部分自重。同时，导线距离d的减小会加大电磁力，从而导致的导线粘连。风速产生的风力由表1 所示：

表1 风速对导线的作用力

1.3 导线温度差异对导线粘连的影响

220 kV 输电线路常常会因为日照、风速、覆冰等一系列原因造成分裂导线温度出现差异，同时220 kV 输电线路常为长距离输电导线，特别在档距较大的线路中，随着档距的增加，弧垂也会加大，弧垂的计算公式如下[8]：

式中：H为导线的弧垂，m；L为导线的长度，m；Fz为导线的张力，N；Gz为导线的重力，N；C 为导线参数决定的拉断力，N；Sz为导线截面积，m2；ξ为安全系数，正常计算为2.5。

温度升高的热胀冷缩会使得导线截面积的上升和导线长度变长，分裂导线的温度差异会导致导线弧垂增长水平不一，分裂导线距离d缩短，最后电磁力升高双分裂导线发生粘连。如表2 所示为弧垂与温度的关系。

表2 弧垂与温度变化关系

对于220 kV 输电线路，双分裂导线的分裂间距最大不会超过600 mm，在温差的影响下，根据表2 可知，会大幅度减少间距，分裂导线距离d缩短，最后电磁力升高双分裂导线发生粘连。

1.4 载流量对导线粘连的影响

对于导线载流的设计一般以线路平均载流量为主[9]，对于220 kV 输电线路，以LGJ-300/40 为例，根据公式（1）计算分裂导线的电磁力，得到表3。

表3 输送功率与电磁力的关系

由表3 可知，随着输送功率的上升，单位电磁力逐渐升高，同时分裂间距越小，单位电磁力的提升越大。

虽然在设计时会考虑到载流量加大造成的电磁力增大的问题，但设计的载流量一般以平均能耗为标准，近些年随着一些高耗能产业的兴起与发展，例如电解硅等，都会持续大量耗能。长时间的高负载会使得导线温度上升发生形变，同时大电流提高的电磁力使得分裂导线更易粘连。

1.5 施工对导线粘连的影响

虽然设计上是保持了安全的分裂间距，但是在放线的过程中难免会出现一些小问题，例如放线时上子导线的弧垂比下子导线大，或下子导线的弧垂为负误差，会导致分裂导线两线之间的分裂间距小于设计规定值，这时，任何前文所分析的原因都可能会导致导线粘连的概率大大提高。

2 220 kV兰腾双回路输电线路案例分析

兰腾双回路输电线路为220 kV 的输电线路，采用2*LGJ-300/40 的钢芯铝绞线，分裂导线采用垂直排列，分裂间距为400 mm，全长70.5 km，气候条件为覆冰5 mm，基本风速为25 m/s，穿越地形多为高山丘陵。

2.1 导线粘连的起因、处理与现状

工程建设于2006 年，在投运后发现导线发生粘连现象，分析得出原因是施工放线误差导致的分裂导线间距缩短，同时导线跨越区间时有大风现象，综合导致的导线粘连问题，最后采用加装间隔棒的方式来解决问题。

在2020 年发现，线路上加装的导线间隔棒受到施工弧垂误差、风振和温度等一系列影响，部分间隔棒夹持导线部位，导线磨损严重，甚至出现铝线断股等严重问题。

间隔棒安装在分裂导线上的主要目的是固定各分裂导线间的间距，用于防止导线互相鞭击、抑制微风振动和次档距振荡。间隔棒一般安装在档距中间，每个安装相隔50～60 m[10]。而此工程中的间隔棒发生了位移，两个、甚至多个间隔板位移而贴紧到了一起，还会发生翻转现象。

2.2 采用间隔棒的弊端

由事例可以知道，采用间隔棒来保持分裂导线间距还是会导致诸多问题，例如间隔棒位移、导线磨损、导线拉拽等。

虽然导线在设计上，双分裂导线的两条子导线的弧垂应该相同，但无论是自然环境的影响还是施工时的误差都会导致两条子导线出现一定高的弧垂差。在放线时如果上子导线放线较设计较少，会出现上子导线通过间隔棒强行拉扯下子导线的情况，会严重增加导线的磨损，出现间隔棒因导线磨损的位移现象，严重时还会出现子导线的铝线断股等问题。在放线时如果下子导线放线较大，会出现上子导线因间隔棒的原因额外承受另一子导线的自重，同样会出现导线磨损加剧，受力接近拉断力等问题，造成断股等问题。

2.3 分裂间隙验证

在发现间隔棒导致的诸多问题后，考虑对间隔棒进行拆除，但同时还需要预防导线粘连的问题，就导线粘连问题，对分裂导线的分裂间隙进行重新分析验证。

在分裂间距正常的情况下，根据公式（1），取LGJ-300/40 型导线允许载流量770 A，环境温度35 ℃，平衡温度90 ℃。经计算，400 mm分裂间距条件下，单位长度导线间电磁力为0.3 N/m，单位长度导线自重力为11.09 N/m，导线自重力远大于导线间电磁力。因而在不考虑其他因素（施工放线误差，导线材质误差）影响下，导线间电磁力不会导致导线粘连。导线分裂间距满足相关要求。

考虑到工程施工时会产生的误差，根据《110 kV～750 kV 架空输电线路施工及验收规范》（GB 50233-2014）[11]的要求，220 kV 及以上误差为±2.5%，若上子导线为正误差，下子导线为负误差，300 m 代表档距条件下，弧垂差近0.277 m，导线分裂间距剩余123 mm，导线间电磁力为0.97 N/m，仍不足以发生导线粘连。但如果施工时操作出现问题，上下子导线放线误差分别为3.5%和-3.5%，则弧垂差近0.388 m，导线分裂间距仅剩12 mm，此时导线间电磁力已达10.4 N/m，十分接近导线自重力，极易发生导线粘连。

子导线的弧垂也会存在一定的差异，受导线直流电阻误差、日照条件差异、垂直导线风速等因素影响，上下子导线存在一定温升差异。经计算：300 m 代表档距情况下，上下子导线温差若达到10 ℃，则弧垂差近0.38 m，导线分裂间距仅剩20 mm。档距与弧垂的关系如表4。

表4 档距与弧垂的关系

若导线间分裂间距近10 mm 时，电磁力即可达到12 N/m，此时电磁力已大于导线自重力，从而导致上下子导线粘连。

由导线粘连校验、施工弧垂误差校验、子导线弧垂差异校验和输送容量校验可以得到结论，400 mm 的分裂间距理论上是满足分裂导线对于导线粘连的预防的，对于间隔棒可以进行拆除。

3 解决导线粘连的方法

通过对于220 kV 兰腾双回路输电线路案例的分析和验证。可以明显看出，对于当前应对导线粘连的主流处理方式加装间隔棒在解决了粘连问题的同时，会产生许多新的问题，并不是一个很好的解决方法。

3.1 更换导线排列方式

对比水平排列，垂直排列更省金具，在考虑到经济性的问题上，除重冰区都采用垂直排列作为常用排列方式。由垂直排列变换到水平排列也相对简单，只需要替换绝缘子串部分金具即可完成。对于垂直排列和水平排列的耐张串设计如图2 和图3 所示。

图2 垂直排列耐张串

图3 水平排列耐张串

水平排列相较于垂直排列，可以防止因为弧垂误差的原因造成的分裂导线的分裂间隙缩短的问题；同时在放线施工出现误差时，并不会缩短分裂导线的分裂间距；当温度上升导致的热胀冷缩使得导线弧垂增大也不会影响导线的分裂间距。可以用于解决分裂导线的因电磁力产生的粘连问题。

3.2 调整导线弧垂提高分裂间距

在许多实际工程中，因为发现输电线路发生粘连情况时早已投产多年，对线路进行耐张串改造会造成长时间停电，造成大量的危害和损失。以220 kV 兰腾双回路输电线路为例，经过多方面计算和验证，证明导线的分裂间距在非极端环境下，都可以保证线路不发生粘连。在考虑到经济性和停电造成的影响，只对间隔棒进行拆除工作，同时采用减少上子导线的弧垂，加大下子导线的弧垂，通过这样的方法再次增加分裂导线的分裂间隔，以此给出足够的冗余量，防止出现大风、上下子导线温差、长时间大输送功率等带来的粘连发生的可能性，不给导线粘连发生的条件。同时，该方法也应用于解决220 kV 羊丽双回线的导线粘连问题，取得了良好的效果。