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新疆电网输电线路风偏故障分析报告—1—新疆电网输电线路风偏故障分析报告新疆电力公司生产技术部2010年1月内部资料注意保存新疆电网输电线路风偏故障分析报告—1—前言多年来,灾害性大风一直威胁着新疆电网输电线路的安全运行,因强风和沙尘暴造成的输电线路倒杆塔、断线、风偏、污闪、绝缘子脱串和金具断裂等事故时有发生,其中尤以风偏对输电线路的危害频次高、范围广、程度重。近年来,公司根据灾害性大风的特点,有针对性地开展了特殊区域输电线路治理工作,倒杆塔、断线、风偏、污闪等故障得到了遏制,但2009年以来,灾害性天气频发,部分输电线路由于设计不周、施工质量低和运行维护不当,风偏故障大幅上升,已成为影响电网安全运行的重要因素,为认真剖析风偏故障的深层次原因,为公司输电线路规划设计、施工建设、运行维护和技改大修提供依据,特编制本报告。本报告主要参照2005~2009年统计数据,重点对2008~2009年运行数据进行分析,并对以往典型故障进行了分析。—2—新疆电网输电线路风偏故障分析报告1.新疆自然地理概况新疆国土面积166万平方公里,北倚阿尔泰山脉,南临昆仑山脉,中部横隔天山山脉。塔里木盆地和准噶尔盆地分别位于天山南北,三大山脉和二大盆地是形成风区的主要因素。此外,新疆处于中纬度地区,冷峰和低压槽过境较多,加大了南北向或东西向的气压差,因而在一些气流畅通的峡谷、山谷和山口等地使得气流线加密,风速增强。在冷空气入侵,尤其秋冬、冬春交际或气温突变时容易出现较大风速,甚至灾害性大风天气。新疆地形图新疆电网输电线路风偏故障分析报告—3—在新疆境内著名的风区有吐鲁番西北部的“三十里风区”(小草湖~大河沿),吐鲁番与哈密交界十三间房“百里风区”(兰新线红旗坎~沙尔站),哈密三塘湖~淖毛湖风区(二百四十里戈壁风区)和东南部风区,巴州罗布泊风区,博尔塔拉阿拉山口风区,乌鲁木齐达坂城风区(红雁池~后沟),塔城铁厂沟~老风口风区,阿勒泰额尔齐斯河谷风区等九大风区。这些风区年大风日数(8级及以上大风)大多在100天以上,其中达坂城、阿拉山口风区甚至超过了200天。其中,哈密十三间房“百里风区”不仅大风出现频率高,且风速极值出现最多,2003年4月16日,位于“百里风区”的兰新线大步车站(距十三间房车站15km)实测瞬时最大风速达到了60m/s(17级)。2.输电线路风速取值原则2.1主要技术原则—4—根据《110~500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T5092-1999)和《电力工程气象勘测技术规程》(DL/T5158-2002),110~220kV线路气象条件根据沿线气象资料和附近已有线路的运行经验,按15年重现期确定;其中,确定最大设计风速时,按当地气象台站10min时距平均的年最大风速作样本,采用极值Ⅰ型分布作为概率模型,换算至地面15m高度确定。同时,还规定山区送电线路的最大设计风速,如无可靠资料,按附近平原地区的统计值提高10%选用。综上所述,影响最大风速取值的主要因素为重现期、风速时距;同时,站点位置也是影响取值的关键因素之一。2.2重现期的选取我国《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)规定风荷载基本值的重现期为由30年一遇,2006年修订为50年一遇。美国ASCE74标准规定重现期对应不同的可靠性水平分别取50、100、200、400年一遇,而只有临时线路重现期小于50年一遇。我国输电线路行业标准中,大风概率采用15年一遇(330kV及以下线路)和30年一遇(500kV线路);对330kV及以下大跨越线路采用30年一遇,对500kV大跨越线路采用50年一遇。2008年国家电网公司发布《110~750kV架空输电线路设计技术规定》(Q/GDW179-2008),规定110~330kV输电线路及其大跨越为30年一遇,500kV输电线路及其大跨越和750kV输电线路为50年一遇,经统计其平均基准风速约提高了10%和5%。新疆电网输电线路风偏故障分析报告—5—通过对比,现行输电线路行业标准最大设计风速相对于建筑结构和国外标准偏低,但这和我国的国情和技术政策有关,现阶段不会有重大变化。2.3风速时距的选取我国建筑荷载规范采用连续自记、时距为10min的平均风速作为计算建筑物的风荷载。国外也有采用瞬时(2~3s,如美国、日本等)及1、2、10min甚至1h的平均风速。在实际天气状况下,风速的幅值随时间和空间是变化的,从宏观上看风速时距越短,其平均风速越大,瞬时风速最大。据统计,2min时距瞬时最大风速是平均风速的1.29倍,10min时距瞬时最大风速达到平均风速的1.5倍(陆地)。我国采用10min平均风速的主要理由是认为建筑结构质量都比较大,因而其阻尼也较大,风压要对其产生破坏性的影响,时间较长时才能显出动力反应。实际建筑物大风灾害的统计结果也表明,仅瞬时风速大而10min平均风速不大时,很少造成建筑物受损的灾害。但上述风速取值对于质量较小的导线尤其引流线明显不合理。如美国以3s阵风风速为设计取值,与我国标准相比,大约是1.4倍,但在导线及铁塔荷载计算时安全系数的取值大于我国规范取值,杆塔结构荷载计算结果相当。值得注意的是,在1968年以前我国多数气象站采用的是每天定时3~24次(其中4次最多)定时观测时距为2min的平均风速,这样相对于连续自计方式,可能遗漏较多的大风速。经了解,新疆80年代以前大多气象台站按照每天4次定时观测。—6—通过国内多年输电线路运行经验证实,目前的风速时距选择对于杆塔结构影响不大,但对于导线尤其质量较小的引流会有较大影响,近年来沿海和公司输电线路引流风偏故障频发也证实了这一因素。同时,90年代以来,新疆也采用了连续自计方式,尤其2000年以来又新增了大量的自动观测站。因此,在输电线路设计中,要选用最近年限的观测风速,资料不全的区域还应比对“全国基本风压图”进行测算,而不能简单套用以往工程的气象条件。2.4站点位置一般情况,气象台站多设置在平原城镇附近,观测的大风资料很难概括地区局部特殊地段的最大风速。如:山顶气流受山脉的动力抬升作用,风速较山麓风速一般要大10%;峡谷、山口气流被压缩,存在“狭管效应”,其风速较平地风速增大1.1~1.23倍;河岸、湖边、沙漠等地面(或水面)平坦开阔、粗糙度较小,风速也相应增大。贵州兴义站1957~1967年平均风速9.6m/s,1968~1985年平均风速14.5m/s,前段资料明显偏小,经了解原站址属洼地,后迁至开阔地带,较原址高150m。2007年2月28日,吐鲁番地区大风倾覆旅客列车,该处风速达到54.6m/s(16级),但距此30km的托克逊气象站观测风速仅为25m/s。3.输电线路导线风压计算原则根据《110~500kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T5092-1999)规定,导、地线风压按照下述公式计算:Wx=·Wo·Z·SC·d·Lp·sin2新疆电网输电线路风偏故障分析报告—7—Wx—垂直于导线及地线方向的水平风荷载标准值,kN;Wo—基准风压,取值为21ρV2,kN/m2;ρ—空气密度,与大气压力、温度、空气湿度有关;—风压不均匀系数;Z—风压高度变化系数;SC—导线或地线的体型系数;d—导线或地线的外径或覆冰时的计算外径,mm;Lp—杆塔的水平档距,m;—风向与导线或地线方向之间的夹角,度;通过上式,风压与风速取值为平方关系,因此风速的合理选取对风压影响很大;同时,影响风压值的关键参数还有风速不均匀系数和基准风压(空气密度)。3.1风速不均匀系数选取现行规程中风速不均匀系数没有按照具体档距选取,而是按照风速统一取值,如30m/s以上风速地区校验杆塔电气间隙时为0.61,按照上述回代,相当于将风速降低了22%。各国风速不均匀系数取值曲线—8—其中,《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)的规定适用于机械负荷计算,对于导线风偏间隙校验应该有所折减;日本和德国的规定,反映了风压不均匀系数随档距变化的客观规律,比较适合于权衡比选该系数;俄国和我国对不同档距采用简化的单一数据,对大档距偏高,对小档距偏低,但俄国总体较我国高。2006年,国网公司系统500kV线路频发风偏故障,国内部分专家也认识到“风速不均匀系数”的单一取值不合理。2008年国家电网公司制定《110~750kV架空输电线路设计技术规定》(Q/GDW179-2008)时,对该系数进行了修正。3.2基准风压工程上为统一标准,按照标准状态(1个标准大气压、海拔高度0m,环境温度10℃)下干燥空气密度ρ=1.25kg/cm3,则基准风压标准值Wo=V2/1600kN/m,该式适用于我国大部分平原地区,但对高海拔地区误差较大,如昆明地区实测ρ=0.963kg/cm3,风压仅为标准值的77%。4.输电线路绝缘配合设计原则输电线路绝缘配合设计,实际上就是确定输电线路导线(带电体)在工频电压、雷电过电压和操作过电压情况与邻近接地体之间的各种空气间隙。主要有三个方面工作,一是确定合理的杆塔头部间隙和拉线配置,使导线在各种运行工况下与杆塔构件和拉线保持足够的绝缘裕度;二是合理选择线路走径、排定杆塔位置,使导线在各种运行工况下与山体边坡、交叉跨越物、邻近建筑物等保持足够的安全净距;三是合理配置杆塔型式、导(地)线型式和运行张力,在各种新疆电网输电线路风偏故障分析报告—9—运行工况下,使相导线、导线与地线之间保持足够的安全净距。在这当中,需要计算导线弧垂和风偏角。导线弧垂,其中g为比载(导线单位荷载,按不同组合共有7种),N/m-mm2,l为杆塔档距,m;σ为导线应力,N/mm2。当线路档距越大、应力越低,其弧垂越大。在不考虑覆冰和绝缘子串风压以及自重情况下,绝缘子串风偏角,其中,g1为自重比载,g4为风压比载(主要与最大风速、风速不均匀系数有关),lsh为水平档距(相邻两档距平均值),lch为垂直档距(相邻两档导线弧垂最低点之间距离)。当线路气象条件不变时,影响风偏角的主要因素则是水平档距和垂直档距,如果在线路设计中,杆塔垂直档距过小,则风偏角将有可能超出临界值。5.历年风偏故障统计分析5.1总体情况经统计,2005~2009年新疆电网110kV及以上输电线路累计发生风偏跳闸85次,占总跳闸次数的15.6%,尤其2009年达到33%,高出均值一倍以上,高出历史最好水平的2007年近30个百分点。历年风偏跳闸次数对比191238420510152025303540452005年2006年2007年2008年2009年风偏次数ch1sh41lglgtg8glf2—10—历年风偏占总跳闸次数对比5.2风偏故障统计分析5.2.1风偏故障主要类型耐张杆塔引流对杆塔本体、绝缘子地端金具等接地体放电(主要有中相引流对塔身主材、地线支架下平面和绝缘子地端金具放电,边相引流对导线横担下平面放电等形式)。直线杆塔导线对杆塔本体、永久拉线等接地构件放电。档距中导线对架空地线、交叉跨越物、山体边坡等邻近物体放电。5.2.2风偏故障原因统计根据上述分类,综合分析2008~2009年风偏故障,按风偏技术原因统计如下:从上图看出,中相引流风偏是目前风偏故障中最多的一16%10.30%3.50%8.30%33%0%5%10%15%20%25%30%35%2005年2006年2007年2008年2009年跳闸比例2736527051015202530跳闸次数中相引流边相引流导线对塔身双分裂直线杆边坡、邻近物架空地线新疆电网输电线路风偏故障分析报告—11—种,其次,为导线对架空地线、塔身,双分裂直线杆中相导线对永久拉线,边相引流对横担,导线对山体边坡、邻近物等物体风偏放电。经过确认,将上述跳闸按照第一责任原因统计如下:从上图看出,造成风偏故障的责任原因主要有超设防标准(超设计风速)、设计不周和施工质量差,当然,可研初设审查、施工图会审和工程验收把关不严也是重要因素。因此,要解决输电线路风偏故障就必须要从加强线路设计、施工、监理和运行维护等基础性工作开始,从提高设防标准、改进设计方法、加强设计和施工质
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