摘  要： 輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故時有發(fā)生，在影響電網(wǎng)安全運行的同時對經(jīng)濟造成了較大的損失。為分析風(fēng)偏閃絡(luò)的發(fā)生機理，通過對風(fēng)偏計算公式進(jìn)行分析并在此基礎(chǔ)上利用MATLAB軟件對風(fēng)偏閃絡(luò)影響因素逐一仿真。仿真結(jié)果表明，在風(fēng)偏影響因素中，風(fēng)速、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)和垂直檔距都對風(fēng)偏有不同程度的影響，而絕緣子串重量在一定程度上對風(fēng)偏的影響有限。同時根據(jù)仿真結(jié)果有針對性地提出了防治風(fēng)偏閃絡(luò)的措施，為今后輸電線路設(shè)計提供參考。

　　關(guān)鍵詞： 輸電線路；風(fēng)偏閃絡(luò)；MATLAB；風(fēng)壓不均勻系數(shù)

　　從1996~2012年，國家電網(wǎng)公司所屬線路110 kV及以上輸電線路發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)事故頻繁，其主要原因是導(dǎo)線和絕緣子串在強風(fēng)下風(fēng)偏角過大，使得導(dǎo)線對桿塔的間隙距離過小而造成風(fēng)偏閃絡(luò)[1]。發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)的線路有單、雙回線，塔型有耐張塔、直線塔，其中耐張塔主要是跳線對桿塔構(gòu)架放電，直線塔主要是導(dǎo)線或金具對塔臂放電。風(fēng)偏閃絡(luò)導(dǎo)致線路停運，嚴(yán)重影響供電的可靠性，并造成很大的經(jīng)濟損失。

　　1 導(dǎo)線風(fēng)偏計算

　　直線桿塔(含直線小轉(zhuǎn)角)懸垂絕緣子串連同架空導(dǎo)線受橫向水平風(fēng)力作用后，從其垂直位置發(fā)生偏移，受風(fēng)后的偏移位置與無風(fēng)時的垂直位置間的夾角稱為懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角[2]。

　　絕緣子串的風(fēng)偏大小依其所產(chǎn)生的風(fēng)偏大小來表示：

　　其中，?啄為懸垂絕緣子串風(fēng)偏角，PI為懸垂絕緣子串風(fēng)壓，GI為懸垂絕緣子串垂直荷載，P相應(yīng)于工頻、操作及雷電過電壓風(fēng)速下導(dǎo)線風(fēng)荷載，W1為導(dǎo)線自重，lH、lV為桿塔水平檔距和垂直檔距，?琢為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，?茁c為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，?滋z為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，?滋sc為導(dǎo)線的體型系數(shù)，d為導(dǎo)線的外徑或覆冰時的計算外徑，B為覆冰時風(fēng)荷載增大系數(shù)，?茲為風(fēng)向與導(dǎo)線方向之間的夾角。

　　從式(1)、(2)可以看出，絕緣子串的風(fēng)偏與導(dǎo)線自身參數(shù)、輸電線路設(shè)計參數(shù)和導(dǎo)線風(fēng)荷載等因素有關(guān)。而導(dǎo)線風(fēng)荷載又與風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)等有關(guān)。

　　2 輸電線路風(fēng)偏影響因素分析

　　本文以安徽宣城地區(qū)某220 kV山區(qū)線路為例，導(dǎo)線采用2×JLHA3-425中強度鋁合金絞線，氣象條件2910氣象區(qū)。為分析以上因素對風(fēng)偏的影響規(guī)律，本文采用改變其中一個影響因素而其他固定不變的方式，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，從而得出風(fēng)偏影響規(guī)律。

　　2.1 風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)

　　沿整個檔距內(nèi)電線各點的風(fēng)并不是每時每刻都以同樣的程度作用在輸電線路上, 同一時刻每一點的風(fēng)速更是不均勻的。因此, 在輸電線路設(shè)計的風(fēng)壓計算中引入了風(fēng)壓不均勻系數(shù)α，以表征風(fēng)場的上述特征。

　　當(dāng)風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc=1.0、風(fēng)向夾角θ=90°時，分別取風(fēng)壓不均勻系數(shù)α=0.75、0.67、0.61，利用MATLAB軟件仿真出不同風(fēng)速下絕緣子風(fēng)偏的變化情況，如圖1所示(為便于比較，本文選取國網(wǎng)典型模塊2B5-ZMC1塔)，不同風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)下導(dǎo)線風(fēng)偏值如表1所示。

　　可以看出，風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)對絕緣子風(fēng)偏影響較大。以風(fēng)速V=30 m/s為例，比較α取0.61和0.75時的風(fēng)偏角可以看出，后者比前者增大8.3°，增幅達(dá)16.5%；當(dāng)α=0.61時，取V=25 m/s和30 m/s時的風(fēng)偏角可以看出，后者比前者增大11.73°，增幅達(dá)30.4%。可見，α的選取和風(fēng)速的確定對風(fēng)偏很關(guān)鍵。

　　我國在1999年發(fā)布的《110~500 kV架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，當(dāng)風(fēng)速V≥20 m/s時，風(fēng)壓不均勻系數(shù)均按0.61設(shè)計。但從2004年以來，國家電網(wǎng)公司110 kV~500 kV輸電線路風(fēng)偏跳閘呈高發(fā)趨勢，許多專家認(rèn)為風(fēng)壓不均勻系數(shù)α取0.61不太合理，對風(fēng)速打的折扣太大，預(yù)留裕度不夠[3]。在2010年發(fā)布的國標(biāo)GB50545-

　　2010《110 kV~750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中，對α的取值重新進(jìn)行了規(guī)定，α的劃分也更加詳細(xì)、合理。同時國標(biāo)GB50545-2010在校驗桿塔風(fēng)偏間隙時對風(fēng)壓不均勻系數(shù)提出了修正方案，其隨水平檔距的變換關(guān)系為：

　　α=0.5+60/lH(3)

　　不同水平檔距下風(fēng)速及風(fēng)壓不均勻系數(shù)對風(fēng)偏的影響值如圖2所示。由圖2可以看出，水平檔距小則風(fēng)偏角大，水平檔距大則風(fēng)偏角小。此修正方案綜合反映了風(fēng)壓不均勻系數(shù)隨檔距變化的客觀規(guī)律。在對已建輸電線路進(jìn)行桿塔校驗時，需要針對桿塔檔距來確定風(fēng)壓不均勻系數(shù)[4]。

　　2.2 風(fēng)壓高度變化系數(shù)及風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)

　　在輸電線路風(fēng)荷載計算時，均是以10 m高的風(fēng)速為基準(zhǔn)進(jìn)行計算的，高度對風(fēng)荷載的影響是通過風(fēng)壓高度變化系數(shù)來實現(xiàn)的。理論上，風(fēng)速沿高度的增大與地面摩擦力(粗糙程度)、地表基本風(fēng)速、高度等因素有關(guān)。對架設(shè)高度大于基本風(fēng)速高度(一般10 m)的線路,其最大風(fēng)速則需由最大基本風(fēng)速換算為高空風(fēng)速。風(fēng)壓高度變化系數(shù)Kh為：

　　其中，h為風(fēng)速距地面或水面的高度，hs為線路的風(fēng)速基準(zhǔn)高度，a為與地面粗糙度有關(guān)的系數(shù)(一般簡稱為地面粗糙系數(shù))。

　　當(dāng)風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)βc=1.0、風(fēng)向夾角θ=90°、?琢=0.61時，利用MATLAB軟件仿真出不同Kh下絕緣子風(fēng)偏的變化情況如圖3所示(本文計算29 m/s大風(fēng)情況下風(fēng)偏角)。

　　由圖3可以看出，風(fēng)壓高度變化系數(shù)對大風(fēng)情況下風(fēng)偏角的影響較明顯，這其中影響風(fēng)壓高度變化系數(shù)的主要是導(dǎo)線離地高度和地面粗糙系數(shù)。在國標(biāo)GB50545-2010《110 kV~750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中對地面粗糙系數(shù)已有明確規(guī)定，因此在實際工程中，導(dǎo)線的架設(shè)高度成為影響懸垂絕緣子風(fēng)偏閃絡(luò)的重要因素，導(dǎo)線架設(shè)高度越高，風(fēng)偏閃絡(luò)越嚴(yán)重。隨著我國電網(wǎng)建設(shè)迅速發(fā)展，高桿塔和大跨越塔越來越多，合理選取風(fēng)速高度換算系數(shù)就顯得更為重要。

　　目前，國標(biāo)GB50545-2010《110 kV~750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中，僅針對500 kV及以上輸電線路風(fēng)偏角計算時考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)， 220 kV及以下輸電線路并沒有考慮這一系數(shù)。已有專家和學(xué)者針對風(fēng)偏角計算時不考慮風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的不合理性進(jìn)行了理論分析[5-6]，并利用有限元軟件對不同風(fēng)速和不同檔距下的風(fēng)偏角進(jìn)行數(shù)值模擬，計算出不同風(fēng)速和不同檔距下的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)。筆者認(rèn)為此方案較能綜合反映風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)與風(fēng)偏角的客觀規(guī)律，可以為輸電線路的設(shè)計提供參考。

　　2.3 風(fēng)向與導(dǎo)線軸向夾角的影響

　　在風(fēng)偏角計算模型中，取βc=1.0、?琢=0.61，利用MAT-

　　LAB軟件仿真出不同風(fēng)向夾角下絕緣子風(fēng)偏的變化情況，如圖4所示。

　　從圖4可以看出，風(fēng)向夾角對導(dǎo)線懸垂絕緣子串風(fēng)偏角影響很大，其中風(fēng)向夾角為90°時，風(fēng)偏影響最嚴(yán)重。國標(biāo)GB50545-2010《110 kV~750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中，對風(fēng)向夾角的取值沒有明確規(guī)定，在考慮留有足夠裕度的情況下，目前實際工程桿塔規(guī)劃及風(fēng)偏校驗時都認(rèn)為風(fēng)是垂直于導(dǎo)線的，即風(fēng)向與導(dǎo)線的軸向夾角取90°[7]。

　　2.4 輸電線路設(shè)計參數(shù)的影響

　　2.4.1 垂直檔距對風(fēng)偏角的影響

　　仍以宣城工程為例，當(dāng)水平檔距取350 m、風(fēng)壓不均勻系數(shù)?琢=0.61時，利用MATLAB軟件仿真出不同垂直檔距、不同風(fēng)速下絕緣子風(fēng)偏的變化情況，如圖5所示(本文計算大風(fēng)情況下風(fēng)偏角)。

　　2.4.2 絕緣子串重量對風(fēng)偏角的影響

　　近年來，隨著復(fù)合絕緣子越來越多地在工程中應(yīng)用，其發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)的概率相對較高，許多設(shè)計人員認(rèn)為這主要是由于復(fù)合絕緣子重量較輕而導(dǎo)致，因此在開展防風(fēng)偏工作中，主張對懸垂絕緣子串導(dǎo)線下方加裝重錘增加絕緣子串重量或?qū)?fù)合絕緣子改為瓷(玻璃)絕緣子的方法。本文通過MATLAB軟件對上述方法進(jìn)行校驗，取水平檔距350 m、風(fēng)壓不均勻系數(shù)?琢=0.61，計算不同風(fēng)速下風(fēng)偏隨絕緣子串重量的變化情況，仿真結(jié)果如圖6所示(本文計算大風(fēng)情況下風(fēng)偏角)。

　　從圖6可以看出，在不同的風(fēng)速下，絕緣子串重量由20 kg增加至70 kg時，風(fēng)偏角相應(yīng)只減小了2°多。同時當(dāng)加裝重錘后，由于重錘為導(dǎo)電體，其縮小了帶電體對塔頭構(gòu)件的空氣間隙，因此加裝重錘或更換復(fù)合絕緣子對風(fēng)偏的抑制效果并不明顯。

　　3 輸電線路風(fēng)偏治理措施

　　通過上述對輸電線路風(fēng)偏影響因素的分析，在工程中可相應(yīng)采取針對性的措施來抑制輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)：

　　(1)風(fēng)速和垂直檔距對風(fēng)偏影響較大，在設(shè)計過程中應(yīng)重視氣象資料的搜集以及微地形、微氣象的劃分，合理選取工程的風(fēng)速取值。在山區(qū)或高低起伏較大的地形環(huán)境中應(yīng)特別避免小垂直檔距的發(fā)生。

　　(2)風(fēng)壓不均勻系數(shù)的選取對風(fēng)偏有較大的影響，在輸電線路設(shè)計中，國標(biāo)GB50545-2010《110 kV~750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》中對風(fēng)壓不均勻系數(shù)的取值重新進(jìn)行了定義，經(jīng)過多年運行經(jīng)驗表明，風(fēng)壓不均勻系數(shù)的劃分合理、可行。但在對已運行或改造線路進(jìn)行風(fēng)偏校驗時，現(xiàn)行做法基本沒有考慮風(fēng)壓不均勻系數(shù)隨水平檔距的變化關(guān)系，仿真結(jié)果表明這種做法不甚合理，在今后的風(fēng)偏校驗過程中應(yīng)針對不同的水平檔距合理選取風(fēng)壓不均勻系數(shù)。

　　(3)在輸電線路規(guī)劃高塔或跨越塔時，風(fēng)壓高度變化系數(shù)對風(fēng)偏的影響較大，通過合理選取風(fēng)壓高度變化系數(shù)，可在不增加塔頭尺寸的同時有效防止風(fēng)偏發(fā)生的幾率。

　　(4)直線桿塔絕緣子串重量的選取對風(fēng)偏的影響有限，在風(fēng)偏校驗過程中通過改變絕緣子形式或增加重錘的方式只能小范圍地降低風(fēng)偏閃絡(luò)幾率。在實際校驗中，可以通過改變絕緣子串形式等更加有效的防風(fēng)偏技術(shù)。

　　本文在風(fēng)偏計算的基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB仿真軟件對風(fēng)偏影響因素進(jìn)行了逐一仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果有針對性地提出改善風(fēng)偏閃絡(luò)的措施，從而用最小的代價降低了風(fēng)偏閃絡(luò)的幾率，為后期輸電線路設(shè)計提供參考。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 龍立宏，胡毅，李景祿，等.輸電線路風(fēng)偏放電的影響因素研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（4）：19-21.

　　[2] 張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計手冊(第2版)[M].北京：中國電力出版社，2003.

　　[3] 徐小東，王鋼.關(guān)于風(fēng)壓不均勻系數(shù)的研究[J].電力建設(shè)，2007，28（7）：1-4.

　　[4] AKA N T，BEROUAL A.Bubble dynamics and transition into streamers in liquid dielectrics under a high divergent electric field[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2001(34)：1408-1412.

　　[5] 邵瑰瑋，耿翠英，胡毅.國內(nèi)外輸電線路風(fēng)偏設(shè)計參數(shù)比較與分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34（12）：7-10.

　　[6] 孔偉，朱明偉，付豪，等.風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)在風(fēng)偏角計算中的研究分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2012，30（2）：21-24.

　　[7] 李孟春，張艷玲，楊北革，等.懸垂絕緣子串風(fēng)偏最小間隙距離計算分析[J].電測與儀表，2012，49（3）：21-24.