220 kV雙分裂小四甲線粘連原因分析及防治措施

何帥，王曉康，王景，邰晨凡

(國網寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100)

隨著大容量遠距離輸電的發展，需要在提高輸送容量的同時，降低輸電線路的電抗，減少電暈損耗，減少對無線電通訊的干擾影響，工程上采用分裂導線[1]來解決此問題。每相導線分裂成多根方式來相應增大每相導線的等效直徑，達到降低電場強度的效果，從而減少線路的損耗和對無線電、通訊線路的干擾，增加線路對地電容和線間電容，提高功率因數，減少壓降。

雙分裂輸電線路通常采用水平排列、垂直排列以及不平衡斜向排列方式。垂直布置的雙分裂導線，在不加間隔棒的情況下，有效地避免了導線舞動造成的相間故障，但是在高溫天氣下，隨著輸送負荷的驟增，如果子導線間距離選擇不符合要求，在上下子導線張力不平衡和風力作用下[2]，子導線間很容易出現粘連現象。

1 故障基本情況

某220 kV變電站小四甲乙線為某鋁業集團集中供電，輸電線路采用同塔雙回雙分裂垂直布置，現已運行超過13年。2018年6月10日，對220 kV小四乙線進行綜合自動化改造，雙回線路負荷全部由220 kV小四甲線供電，小四甲線全長3.578 km，共12級桿塔。當日，地表氣溫30 ℃，小四甲線電流1 108.4 A，線路輸送有功功率423 MW，無功功率144 var，功率因數0.95。導線型號2×LGJ-400/35，實際截面425.24 mm2，單位長度重量1 349 kg/km，額定持續最大電流835×2A。實測8號與9號桿塔之間分裂導線間距最小為270 mm，遠小于標準要求的400 mm。

1.1 導線粘連及異常聲響

2018年6月10日12時44分發現該條線路多處發生導線粘連現象，其中8號塔與9號塔之間導線粘連比較嚴重，導線弧垂最低點粘連最嚴重，向兩側桿塔方向逐漸減弱。在此檔內均勻選擇6個測點，粘連后子導線間距測試結果見表1。

8號至9號塔之間雙分裂導線發生粘連，之后分開，隨后再粘連，再分開，此過程循環重復發生，伴隨有瀑布般的異常響聲。

表1 8號塔至9號塔之間雙分裂子導線間距

1.2 導線溫升

對8號至9號塔之間的導線均勻取點進行紅外測溫，環境溫度為30 ℃，負荷為422 MW時，各相子導線粘連處與未粘連處的紅外測溫情況見表2，并根據表2畫出折線圖，如圖1所示。

表2 220 kV小四甲線8號至9號桿塔各測試點紅外測溫

圖1 各測點溫度變化折線

由表2可見，粘連部分較未粘連部分產生較大溫差。兩子導線粘連部分中輕微粘連處溫度最高，較未粘連處溫差最大為24.2 ℃，粘連緊密處較未粘連處溫差最大為18.8 ℃，輕微粘連處溫度更高。

雙分裂導線發生粘連后，改變了磁場分布，與未粘連相比，等效減小了導線半徑。導線電阻發熱計算公式[3]如下：

(1)

式中：ρ—導線電阻率，Ω·m；

L—導線長度，m;

S—導線截面積,m2;

I—導線流過電流,A;

t—時間,s。

導線粘連后等效截面積S減小，粘連部分電阻增大，導線發熱量增大，因此造成粘連部分導線的溫度升高。

2 雙分裂導線粘連原因分析

2.1 發熱造成子導線間距縮短

雙回線路單回運行，電流增大導致線路發熱，溫度變化會引起導線熱脹冷縮，從而影響導線弧垂。溫度升高導線伸長量增加，造成弧垂增大，檔距越大時效果影響越突出。

導線弧垂計算公式為

(2)

式中：G—導線每米質量，kg/m；

L—檔距，m；

T—導線張力，kg。

上子導線在電磁引力作用下的弧垂為

(3)

下子導線在電磁引力作用下的弧垂為

(4)

由式(3)和式(4)可以看出,上子導線的弧垂大于下子導線弧垂[4]。當上子導線的溫度升高，它的弧垂會增大，與下子導線間距離縮短。由式(1)可以看出，子導線間距縮短又會增大導線的溫升，從而形成惡性循環。

2.2 電磁力大于重力時發生粘連

垂直分布雙分裂導線粘連，是作用于導線的各力在某些時刻達到了平衡的狀態。對下子導線進行受力分析，導線單位長度間的張力為水平方向，導線垂直方向作用力主要是靜電力、電磁力和重力。計算表明導線的靜電力較小，可以忽略不計[5]。子導線所受電磁力如圖2所示。

圖2 雙分裂導線電磁力

雙分裂導線的電磁力可按公式(5)計算[6]。

(5)

式中：F—分裂子導線之間的電磁力，N；

μ0—磁導率，μ0=4π×10-7N/A2·m；

I1、I2—上下子導線流過的電流，A；

L—導線長度,m；

d—上下子導線的間距,mm。

μ0和L固定不變、I1和I2近似相等[7]，則有：

(6)

由式(6)可知，電磁力F與電流平方成正比，與子導線間距成反比。

當單位長度導線所受電磁力等于重力時，可得：

(7)

小四甲線負荷電流為1 108.4 A，代入式(7)可得d=37.13(mm)，下子導線所受電磁力的最大值和重力相等。當上下子導線由于長期大負荷運行發熱，上下弧垂產生差異，上下子導線間距縮小，外界風力作用下，間距小于這一距離時，電磁力大于重力，子導線間就會發生粘連，但粘連狀態非常脆弱。電流I隨時間成50 Hz頻率變化，電流平方按100 Hz頻率變化，由式(6)可知，下子導線所受電磁力隨時間按100 Hz頻率變化，如圖3所示。

圖3 下子導線受力波形

每周期內電磁力大于重力時(T1時間段內)，下子導線即會向上運動；電磁力小于重力時(T2時間段內)，下子導線又會向下運動。因此，子導線間以100 Hz頻率粘連和分離，會產生100 Hz頻率異常聲響[8]。這種鞭擊粘連會造成子導線表面磨損，影響導線壽命。

2.3 導線粘連過程仿真分析

對小四甲線兩種不同距離雙分裂狀態進行仿真，得出上下子導線不同間距時每米下子導線的電磁力受力曲線和上下子導線周圍的磁力線分布情況。

2.3.1 子導線間距420 mm

分裂線正常間距420 mm，小四甲線負荷電流1 108.4 A，頻率100 Hz下，仿真下子導線電磁力曲線見圖4。小四甲線每米下子導線所受電磁力最大值為1.18 N，小四甲線每千米導線質量為1 349 kg，下子導線受到的拉力小于線的重力，所以小四甲線在距離420 mm時不會出現粘連。子導線周圍電場分布均勻，不會發生電暈，發熱較少。

(a)電磁力曲線

(b)磁力線分布

2.3.2 子導線間距60 mm

分裂線距離縮小為60 mm，在小四甲線負荷電流1 108.4 A，100 Hz頻率下仿真下子導線電磁力曲線，見圖5。小四甲線每米下所受電磁力最大值為6.4 N，小四甲線每千米導線質量為1 349 kg，下子導線受到的拉力小于線的重力，所以小四甲線在距離60 mm時不會出現粘連。子導線間電場畸變，可能產生電暈，發熱增加。

(b)磁力線分布

下子導線在不同距離下所受最大電磁力變化曲線見圖6。由圖6可知，下子導線所受最大電磁力隨上下子導線間距縮短急劇增大。受導線外徑限制，上下子導線仿真最小間距為60 mm，但由式7計算可知，當上下子導線間距小于37.13 mm時，下子導線所受電磁力大于重力，上下子導線可能發生粘連。

圖6 最大電磁力隨距離變化曲線

3 雙分裂導線粘連防治措施

針對小四甲線粘連緊急情況，現場進行了人工帶電作業，人工將上下子導線分離。分離后上下子導線不再粘連，說明上下子導線間距只有縮短到一定程度時才會發生鞭擊粘連。

根據以上雙分裂導線粘連原因及現象分析，建議采取以下措施預防和治理雙分裂導線粘連：

(1)盡量避免雙分裂導線負荷突然增大，依據本條導線負荷情況分析，一旦超過2條子導線總負荷的66%[9]，有可能發生分裂導線粘連的現象。

(2)根據人工帶電作業將子導線分開后測得的子導線間距顯示，弧垂最低點間距270 mm<400 mm,不符合架空送電線路設計技術規程[6]要求，子導線間距過小也是造成粘連的重要原因。在運行過程中，應按要求及時測量子導線間距，通過調整懸垂線夾間距，在耐張桿塔使用延長金具[10]，使下子導線微量增長或改用大分裂金具等措施增大子導線間距。

(3)對于已經發生粘連的線路，可進行人工帶電作業，通過繩梯攀登到弧垂最低點，人工將子導線分離。負荷穩定后，不會再發生導線粘連現象。

4 結 論

通過對220 kV雙分裂導線小四甲線的粘連情況分析，針對小四甲線粘連之后導線溫度上升、異常聲響原因、下子導線的受力分析，得出：

(1)粘連導線溫度與未粘連導線溫度比較，溫度升高是因為雙分裂導線等效截面下降。

(2)雙分裂導線存在的異常聲響是因為存在著100 Hz粘連與分離的交換過程。

(3)分析下子導線的運動過程，只有在高溫環境下負荷驟增，導線發熱，上下子導線不平衡伸長，再有外界風力作用下，導線間距小于37.13 mm時，上下子導線才可能發生粘連現象，且這種粘連現象是運動的鞭擊粘連，因此會對導線產生較大的磨損。