架空輸電線路防舞動措施

劉 瑞，劉耘成

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110044）

架空輸電線路防舞動措施

劉 瑞1，劉耘成2

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110044）

分析了架空輸電線路導線舞動原理，研究了微風振動、馳振激發(fā)和擴展導線舞動的特點及振動頻率、導線的受力情況。根據(jù)導線舞動原理，結合架空輸電線路運行維護經(jīng)驗，分析了線路走向、地形與地勢，冰風參數(shù)，線路結構參數(shù)對導線舞動的影響，提出了減弱導線振動，加強導線、金具的耐振強度、優(yōu)化導線排列方式等防舞動措施，介紹了國內(nèi)常用防舞動裝置及其工作原理，并對今后防舞動工作提出了建議。

架空輸電線路；導線舞動；防舞動

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求高速增長。我國發(fā)電能源和用電負荷分布不均衡的特點決定了建設堅強智能電網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略目標，具有長距離、大容量輸電特征的架空輸電線路是其堅實基礎和核心環(huán)節(jié)。根據(jù)國家電網(wǎng)公司“十二五”及中長期科技發(fā)展規(guī)劃與特高壓輸電技術發(fā)展趨勢，單回架空輸電線路電壓等級、輸送容量將不斷提升。

架空輸電線路舞動通常發(fā)生在冬季導線覆冰而形成非圓斷面的情況下，當水平方向風吹到因覆冰而變?yōu)榉菆A斷面輸電導線時，將產(chǎn)生一定的空氣動力，在一定條件下，將誘發(fā)導線產(chǎn)生一種低頻（約為0.1～3 Hz）、大振幅（約為導線直徑的5～300倍）的自激勵振動。

根據(jù)統(tǒng)計，1957年至1992年初，我國共發(fā)生了44次導線舞動，波及到的線路有161條，導線損傷66根，引發(fā)線路跳閘119次。在遼寧地區(qū)發(fā)生舞動最多的是沈陽、鞍山、錦州、大連、營口等地區(qū)［1］，1957年至1990年的33年中有18年發(fā)生舞動，共計25次，波及線路86條。

近幾年我國電網(wǎng)和輸電技術發(fā)展迅速，架空輸電線路數(shù)量和長度不斷增加，同時線路電壓等級、輸送容量也不斷提升。架空輸電線路一旦發(fā)生舞動，將會給電網(wǎng)安全和社會經(jīng)濟造成重大損失。因此，在建設架空輸電線時有必要深入研究各類防舞動技術，采取相應的防舞動措施。

1 架空輸電線路舞動原理

當氣流從導線表面流過時，將作用于導線一個激勵。激勵的大小和性質與導線的斷面形狀、風速、風向等因素有關。這個激勵將激發(fā)導線產(chǎn)生不同性質的振動。同時，導線的振動又會反過來影響氣流的運動及激勵力，從而形成氣流與導線之間的耦合振動，即導線舞動。導線舞動原理可分為微風振動和馳振（俗稱舞動）。

1.1 導線的微風振動

微風振動是由于氣流繞過導線表面，在導線后方形成旋渦。當旋渦從導線兩側交替脫落時，便作用于導線一個交變的周期激勵力，引起導線的周期振動。導線的這種微風振動稱為渦振動。

導線微風振動頻率fs（Hz）計算公式如下：

式中 U——風速，m／s；

D——導線直徑，m；

S——司脫羅哈數(shù)，我國取0.2。

導線微風振動持續(xù)時間較長，可達數(shù)天。主要危害是造成導線疲勞斷股，金具、桿塔構建疲勞破損和磨損。引起導線微風振動的風速是在0.5～10 m／s內(nèi)的穩(wěn)定風，其振幅的峰—峰值一般不大于導線直徑的2～3倍（振幅小于5 cm），頻率fs約為3～120 Hz。架空導線可看成是兩端固定的一條弦線，具有本身的固有頻率，頻率計算公式如下：

式中 fd——導線的固有頻率，Hz；

T——導線的張力，N；

q——導線單位長度的重力，N／m。

當固有頻率為fd的導線上作用橫向均勻風速時，如果風對導線產(chǎn)生的微風振動頻率fs與其固有頻率fd相同，則會引起諧振，作用于導線上的交變沖擊力變大，使導線產(chǎn)生較大振幅的振動，引起導線舞動。

1.2 導線的馳振

導線馳振是由于氣流以較高速度流過覆冰非圓斷面導線表面所產(chǎn)生的空氣動力引起的一種自激勵振動。由于空氣動力與導線回復力相比弱很多，因此導線振動的頻率與導線的固有頻率接近。

為便于導線舞動研究，結合運行經(jīng)驗，將覆冰情況下的導線斷面設為橢圓形。設橢圓長軸與風向水平，即夾角α＝0°，風速為V，導線以速度u向上運動。此時導線受力情況如圖1（a）所示，相對于導線風具有水平方向速度V和向下速度u，相當于速度為Vr的風與導線長軸夾角Δα的方向吹過，根據(jù)機翼原理不難看出空氣動力產(chǎn)生的推力L的方向向下，抑制導線的運動。反之，當導線向下運動時，空氣動力產(chǎn)生的推力L的方向向上，同樣抑制導線的運動。

當橢圓長軸與風向垂直，即α＝90°。此時導線向上運動時，導線受力情況如圖1（b）所示。相對于導線風具有水平方向速度V和向下速度u，相當于速度為Vr的風與導線短軸夾角Δα的方向吹過，根據(jù)機翼原理不難看出空氣動力產(chǎn)生的推力L的方向向上，助長導線運動。反之，當導線向下運動時，空氣動力產(chǎn)生的推力L的方向向下，同樣助長導線運動。這時導線不穩(wěn)定，不論多小的擾動，風總是使導線運動振幅增加，從而引起導線舞動［2－3］。

圖1 導線舞動的受力分析（a）——風向與橢圓長軸平行；（b）——風向與橢圓長軸垂直

2 影響導線舞動的因素

形成導線舞動的因素非常復雜，而各種因素又互相作用，構成了導線舞動激發(fā)和擴展。根據(jù)實際架空輸電線路的運行維護經(jīng)驗，對導線舞動的激發(fā)和擴展起作用的因素有線路的走向、地形與地勢，冰風參數(shù)，線路結構參數(shù)。

2.1 線路走向的影響

架空輸電線路導線舞動原理分析是按照風向垂直于線路方向進行的。只有風向垂直于線路方向時，導線所承受的空氣動力最大，所表現(xiàn)出的微風振動和馳振最典型和突出。如果風向與線路之間有一個夾角，真正起作用的是風相對線路的垂直分量，而平行與線路的分量通常是不會起到激勵作用的。因此，一段線路舞動的大小與狀態(tài)，主要取決于風向與線路方向的夾角。當夾角為90°時，對導線舞動的影響最大，當夾角為0°時，即風向平行于線路方向，則引起舞動的可能性最小。根據(jù)遼寧省架空輸電線路運行經(jīng)驗，當風向與線路方向夾角為45°～90°時，易發(fā)生導線舞動［4］。

風向是隨機的，但導線舞動是由覆冰和風的聯(lián)合作用產(chǎn)生的，只有冬季才有可能發(fā)生覆冰現(xiàn)象。冬季，尤其是冰雪天氣，以北風居多。因此，在架空輸電線路設計時一般按照北風考慮線路防舞動設計。

2.2 地形與地勢的影響

由于地表的摩擦，越接近地面，風速相對較低，只有離地面300 m以上時［5］，才可以認為風速不再受地表的影響。我國東北地區(qū)電壓等級為500 kV、220 kV、66 kV，這3個電壓等級的架空輸電線路導線高度一般都低于40 m。因此，地形和地勢對導線舞動有一定的影響。

在架空輸電線路設計中，平均風速沿高度變化的規(guī)律可用如下公式計算：

式中 u、z——分別為任意高度的平均風速和離地高度；

zs、us——分別為標準高度和該處的平均風速；

a——地面粗糙度系數(shù)，地面越粗超，其值越大，通常采用的數(shù)值如表1所示。

只有冬季風才有可能激發(fā)導線舞動，冬季風是季風，在同一地區(qū)若忽略地面粗糙度系數(shù)的影響，其風速基本相同，即在300 m以上高度風速相同。設某地區(qū)300 m高度處的風速為40 km／h。根據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)程》（GB 50545—2010）架空輸電線路設計基本風速應取離地面高度10 m。根據(jù)式（3），開闊平原地區(qū)線路設計基本風速為22～26 km／h，而森林地區(qū)設計基本風速只有17 km／h?？芍皆_闊地區(qū)架空輸電線路易發(fā)生導線舞動，這符合運行經(jīng)驗。

表1 地面粗糙度系數(shù)

2.3 冰風參數(shù)的影響

對于導線舞動來說，冰風因素是主要的激勵來源，具有關鍵作用。其產(chǎn)生及形態(tài)不僅與氣象因素密切相關，且彼此又互相影響［6］。顯然，這些問題具有很大的隨機性，在導線舞動研究和進行防舞動設計時，通常向運行維護單位收資或根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來確定覆冰厚度和設計基本風速。

2.4 線路結構參數(shù)的影響

根據(jù)導線舞動原理，除風向、風速、覆冰、地形及地勢等外在因素外，導線本身的結構參數(shù)，通過氣動力大小、導線回復力、導線固有頻率等因素影響導線舞動的激發(fā)和擴展。導線結構參數(shù)主要包括：導線類型、張力、弧垂、檔距、導線直徑、導線比載等特性和參數(shù)。根據(jù)運行經(jīng)驗，上述因素對導線舞動的影響可分為導線分裂形式的影響和導線直徑的影響。通常分裂導線相對單導線易發(fā)生舞動，大直徑導線相對小直徑導線易發(fā)生舞動。

3 架空輸電線路防舞動措施

影響架空輸電線路導線舞動的因素較多，不僅受線路參數(shù)和外界作用的影響，還受許多隨機因素的影響。目前，還不能完全避免導線舞動的發(fā)生，但在架空輸電線路設計、建設階段采取適當?shù)姆牢鑴哟胧┛蓽p小其規(guī)模，減輕其危害。

3.1 減弱導線的振動

振動是導線舞動激發(fā)和擴展的根本原因，只要設法從根本上消除引起導線振動的條件，就能有效防止導線的舞動。如線路路徑避開易振區(qū)，年平均應力選定在不易發(fā)生振動的應力值區(qū)間內(nèi)，采用柔性橫擔、偏心導線、防振線夾等提高導線本身的阻尼作用。但這些措施在實際工程中往往受到投資效益的限制，不易實現(xiàn)。

3.2 加強導線、金具的耐振強度

導線舞動將造成導線、金具的疲勞損傷，因此，加強導線、金具的耐振強度可有效減小或避免導線舞動造成的危害。加強導線耐振強度的措施主要是通過在導線與金具連接處加裝護線條或打背線，加強線夾出口處附近導線的剛度和耐振強度，減小彎曲應力、擠壓應力和磨損，對導線起一定阻尼作用。鋼芯鋁絞線常用的護線條形式有錐形護線條和預絞絲護線條。打背線是用一段與導線材料相同的線材同導線一起安裝于線夾中，并在兩端與導線幫扎在一起。加強線夾耐振性能主要是提高線夾轉動的靈活性，使線夾隨導線上下振動而靈活轉動，減小導線在線夾出口處的彎曲應力。

3.3 優(yōu)化導線排列方式

導線舞動軌跡垂直于導線軸線，成橢圓形，橢圓長軸與鉛錘方向夾角一般在15°左右，長軸與短軸長度比一般為2∶1到5∶1，長軸長度可達到1倍弧垂或更長。當導線發(fā)生大幅度舞動時，2根運動的上下導線可能產(chǎn)生碰線閃弧，引起導線燒傷和短路跳閘。為避免此類事故的發(fā)生，除了采取防舞動措施控制幅度之外，可以在輸電塔塔頭設計上采取相應的措施加大不同相導線間的垂直、水平距離，防止導線間碰線。如果條件允許，可采用導線水平布置的方式。

4 架空輸電線路防舞動裝置

在實際工程中由于受到地形、線路走向及投資效益的限制，上述措施無法實現(xiàn)或不能有效防止導線舞動，因此，有必要加裝相應的防舞動裝置。

4.1 防振錘

防振錘是防止微風振動及其擴大的常用裝置。實質上是一個動力減振器，一般由鋼絞線把2個重錘連接在一起構成，鋼絞線中部裝1個線夾，用來把防振錘固定在導線上。防振錘一般安裝在靠近線夾振動波的波腹處，其自振頻率與導線相近，當導線振動時2個重錘有較大的甩動，有效吸收導線的振動能量，減小線夾及導線的疲勞損傷。防振錘的重量應和導線的型號相適應，通常導線截面越大，防振錘重量越大。如鋼芯鋁絞線截面為240 mm2時防振錘重量為5.6 kg，截面為400 mm2時重量為7.2 kg。

4.2 相間間隔棒

相間間隔棒是在相間或回路之間使用的具有絕緣性能和機械強度的間隔棒，將各導線機械地連接起來，使各導線的運動相互制約，達到抑制舞動的目的。由于相間間隔棒握住2根間隔較大的導線或多根子導線，因此，相間間隔棒承受導線舞動、冰雪跳躍或短路所引起的沖擊力及兩端連接導線的懸垂度之差、風壓和覆冰不平衡所引起的荷載，并通過其線夾將荷載傳給相間間隔棒線夾處導線，造成導線疲勞損傷或直接斷股、斷線。相間間隔棒在保證一定機械強度的同時，其線夾要采取防止導線磨損的措施，如加裝橡膠內(nèi)襯等。

此外還有擾流防舞器、雙擺防舞器、防舞鞭、整體式偏心重錘等多種防舞動裝置，在架空輸電線路建設過程中應綜合考慮氣象、地形、導線形式及型號等實際情況，合理選擇防舞動裝置［7］。

5 結束語

近年來，由于導線舞動引起的架空輸電線路故障頻發(fā)，應加大力度研究導線舞動。本文對導線舞動原理及其影響導線舞動的因素進行了分析，并對架空輸電線路的防舞動工作提出了建議。目前采用的一些防舞動措施和裝置還不能完全滿足實際架空輸電線路防舞動要求，應采取理論與實踐相結合的方法，研究出成熟、實用的防舞動技術，為保證架空輸電線路及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供技術支持。

［1］張 巍，王 飛，張忠瑞.遼寧電網(wǎng)輸電線路舞動區(qū)域劃分及舞動分布圖繪制的研究［J］.東北電力技術，2011，32（11）：9－12，22.

［2］郭應龍.輸電線路舞動［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［3］張忠亭.架空輸電線路設計原理［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［4］張 巍，王 飛，楊鐵軍.2009～2010年冬季遼寧電網(wǎng)輸電線路舞動分析［J］.東北電力技術，2010，31（8）：14－18.

［5］孔 齊.風荷載對輸電線路舞動的影響及防舞動措施［J］.廣東電力，2011，24（4）：9－12.

［6］郎振國，劉 良，徐寶臣.通遼地區(qū)輸電線路發(fā)生覆冰舞動原因及對策［J］.東北電力技術，2006，27（11）：48－52.

［7］單曉峰，李 勇，翟國利.500 kV輸電線路防舞動治理措施分析［J］.宿州學院學報，2013，28（5）：83－84.

Analysis of Anti?galloping Measures for Overhead Transmission Line

LIU Rui1，LIU Yun?cheng2
（1.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.State Grid Dalian Power Electric Supply Company，Shenyang，Liaoning 110044，China）

This paper analyses the conductor galloping principle of overhead transmission line，as well as studies breeze vibration，the characteristics of galloping，vibration frequency and conductors stress.With the inspection and maintenance experience of overhead transmission line，the influence of line tend，topography，ice and wind parameter and line structure parameter are analyses.Anti?gal?loping measures by weakening the wire vibration，reinforcing wire fittings，vibration resistance，optimization of wire arrangement are put forward.This paper also introduces domestic anti?galloping device and its working principle and puts forward some suggestions for future anti?galloping.

Overhead transmission lines；Conductor galloping；Anti?galloping

TM75

A

1004－7913（2015）12－0047－04

劉 瑞（1986—），男，學士，助理工程師，從事輸變電工程建設技術管理工作。

2015－10－10）