河北省南部電網輸電線路舞動分析及風險評估

高 志，何瑞東，賈伯巖

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

架空輸電線路舞動是危害輸電線路安全穩定運行的一種嚴重災害，往往造成線路閃絡跳閘、金具及絕緣子損壞、導線斷股斷線、桿塔螺栓松動脫落、塔材損傷、基礎受損等故障，嚴重時可能造成倒塔事故。河北省南部保定、石家莊、邢臺、滄州、衡水和邯鄲6個地區并非傳統意義上的易舞區，據調查，2000年邯鄲地區曾發生范圍較廣的輸電線路覆冰舞動，造成220 kV夏武線跳閘。但是，近年來河北省南部地區低溫、雨雪等惡劣天氣頻發，使輸電線路覆冰舞動成為嚴重影響電網安全運行的因素之一。

1 輸電線路舞動情況

2010年初，河北省南部電網(簡稱“河北南網”)發生歷史罕見的大范圍輸電線路舞動，舞動發生地域廣、持續時間長、破壞強，主要集中在滄州、邯鄲地區，涉及多條高壓、超高壓輸電線路。

1.1 滄州地區

2010年1月19日晚至20日，河北省滄州地區為雨夾雪天氣，降水量為3.2 mm，平均溫度為0.2 ℃，相對濕度85.3%,風向為東北風，風力7～8級，平均風速3.7 m/s，最大瞬時風速9.2 m/s。惡劣天氣導致東驊Ⅰ、Ⅱ線，黃濱Ⅰ、Ⅱ線等500 kV線路及多條220 kV線路發生舞動，經現場觀測，舞動線路區段與風向夾角均大于45°。東驊Ⅰ、Ⅱ線及黃濱Ⅰ線故障停運，故障線路均為同塔雙回架設，導線垂直排列。500 kV滄驊Ⅰ、Ⅱ線黃驊站出口附近區段出現小幅舞動，但未造成線路故障跳閘。滄州黃驊地區8條220 kV線路和10條110 kV線路，共約144檔導線發生舞動，持續時間近10 h，造成線路桿塔螺栓松動脫落、防振錘跑位、導線損傷等缺陷。

1.2 邯鄲地區

2010年2月28日，受冷空氣和暖濕氣流共同影響，河北省南部和山東中北部地區出現雨夾雪或小到中雪天氣，降水量2.6 mm，平均溫度0.5 ℃，平均濕度86.8%，風向為北風，風力7～8級，平均風速5.5 m/s，最大瞬時風速8.8 m/s。惡劣天氣造成華北山東聯網辛聊Ⅰ、Ⅱ線和黃濱Ⅰ、Ⅱ線發生舞動跳閘29次，導致山東電網與華北主網解列。500 kV辛聊Ⅰ、Ⅱ線導線劇烈舞動，造成多起跳閘，多處桿塔和導線受損。舞動線路均為同塔雙回線路，導線采用四分裂垂直排列形式。發生舞動線路均處于平原開闊地帶、東西走向，與舞動時的風向基本垂直。

2 輸電線路舞動影響因素分析

輸電線路舞動是由于導線、地線發生偏心覆冰后，在風的激勵作用下產生的一種低頻率(約0.1～3 Hz)、大振幅(可達10 m以上)自激振動現象。舞動的形成主要取決于覆冰、風激勵和線路結構參數三方面因素。

a. 覆冰。線路不均勻覆冰是舞動的必要條件之一。覆冰多發生在風作用下的雨淞、霧淞、霜淞及濕雪堆積于導線的氣象條件下，其中雨淞是導線覆冰舞動最具威脅性的天氣。通常先雨后雪，氣溫驟降(由零上降至零下)，并伴隨大風，導線極易產生偏心覆冰，改變了導線空氣動力特性，從而誘發舞動。

b. 風激勵。舞動離不開風的激勵，其形成與風速、風向以及流態等因素直接相關。冬季及初春季節，冷暖氣流的交匯引起的風力較強，處于地勢平坦開闊、水面及風口等地區的輸電線路，在導線不均勻覆冰的情況下，風速適當(4～25 m/s)、且風向與線路走向的夾角較大(通常大于45°)時，易產生舞動。由于我國冬季的主導風向以北風或偏北風為主，本次發生舞動線路大多為東西走向。

c. 線路結構參數。線路結構參數對舞動的形成也有重要的影響，相關參數主要包括導線的類型(分裂導線或單導線)、張力、弧垂、檔距、塔線連接方式以及導線的特性參數等。 從國內外的統計資料來看，在相同的環境、氣象條件下，分裂導線要比單導線容易產生舞動，大截面的導線要比常規截面的導線易產生舞動。

3 河北省南部地區氣象、地理特征

3.1 氣象

通過對1980年至2009年近30年間河北省南部地區94個氣象觀測站的雨凇、霧凇、溫度、濕度、降水、風(10 m高度)資料的全面分析，可以獲得較為準確的河北南部雨(霧)凇、風向等典型分布及變化趨勢。

3.1.1 霧凇分布

霧凇是低溫時空氣中水汽直接凝華，或過冷霧滴直接凍結在物體上的乳白色冰晶沉積物[1]。河北南網霧凇集中出現在12月至翌年2月，主要分布于太行山東麓平原，中心位于邯鄲東部、邢臺中部、石家莊、保定東部一線，西部山區最少。霧凇發生時靜風頻率最高，平均風速較小，僅為1.3 m/s。平均溫度為-3.3 ℃，平均相對濕度為84.6%，易形成粒狀霧凇導致線路覆冰，但由于霧凇發生時，風速較小，產生舞動風險相對較小。

3.1.2 雨凇分布

雨凇是過冷卻的液態降水(凍雨)碰到地面物體后直接凍結而成的毛玻璃狀或透明的堅硬冰層，外表光滑或略有隆突。河北南網雨凇集中出現在12月至翌年2月，其分布趨勢為平原多于山區，邢臺、邯鄲為雨凇日數最多的區域，滄州、衡水次之，保定、石家莊最少。雨凇發生時，氣溫在-4～0 ℃，相對濕度在90%～100%的概率最大，且雨凇發生時風速較大，平均風速達到6 m/s，在風的作用下極易引起導線的不均勻覆冰。

統計表明，發生雨凇天氣過程中，北、東北方向的風出現概率最大，分別占總數的19.6%和12.9%，與西北-東南走徑的輸電線路夾角幾乎垂直，風激勵的作用較強，舞動發生的風險級別很高。由于雨凇易引起導線的不均勻覆冰，同時雨凇發生時風的激勵作用較強，因此，雨凇引起輸電線路覆冰舞動的風險相對較高，對處于雨凇易發區線路應重點加強防舞措施。

3.1.3 線路舞動多發季節的風向

風的激勵作用是引起線路覆冰舞動的重要因素，特別是風向與線路走徑的夾角，是分析線路舞動風險的重要依據[2]。為此，對河北南網12月至翌年2月易發生舞動各區域雨霧凇發生時的風向進行分析，其中邯鄲、邢臺東部地區風向多為南風，衡水、滄州地區風向多為南風、西南風，保定東南部、石家莊東部南風、偏南風居多，其他區域風向比較復雜。

3.2 地形

河北南網覆蓋石家莊、邢臺、邯鄲、保定、滄州和衡水6個地區。河北省南部地區地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜。西部地區位于太行山山脈，屬于山地地貌類型，海拔多在2 000 m以下；東部平原區是華北大平原的一部分，平均海拔不足50 m。滄州地區瀕臨渤海，沿海地區多濕地；河道和湖泊主要分布在保定和衡水地區，較大的有白洋淀、衡水湖等。

河北南網易發生舞動的輸電線路主要位于華北平原中南部，該地區東部瀕臨渤海，冬春交替之際，內陸冷氣團與海洋濕潤氣團在該區域交匯，由于密度原因，容易形成海洋濕潤氣團在上，內陸冷氣團在下的逆溫現象，易發生霧凇、雨凇或凍雨。滄州發生舞動的黃驊市東部及南部、黃驊港、南大港、鹽山、孟村等地區地勢平坦開闊；邯鄲發生舞動的肥鄉、館陶地區處于開闊的平原地帶，均是易發生凍雨的地區，且由于地勢開闊，易形成穩定的風激勵。

4 舞動風險分極及區域劃分

舞動故障分析和相關研究表明，導線不均勻覆冰和風向風速構成的冰，以及風條件是影響舞動形成的一個關鍵因素[3]。因此，河北南網舞動風險劃分主要建立在舞動多發氣象過程——凍雨(雨霧凇)發生頻次區域劃分基礎上，主要考慮雨凇分布特征、線路舞動頻次、霧凇分布特征、風速風向、導線積冰概率、運行經驗、地形地貌和地質特征，各因素的影響程度由前至后依次遞減。經綜合評估按舞動風險從低到高劃分為零級舞動區、一級舞動區、二級舞動區和三級舞動區4個等級，劃分標準和區域如下。

4.1 零級舞動區

按照舞動頻次法，近10年未發生過舞動的線路區域；按照凍雨氣象頻次，近30年間雨凇天數小于10天的區域；處于山區、丘陵地形，或地形地貌較為復雜，不易形成穩定風向風速，或遠離河流、湖泊等水域的區域。該級區域包括保定東北部，石家莊西北部，邢臺西北部，邯鄲西部，衡水東南、中部等地區。

4.2 一級舞動區

按照舞動頻次法，近10年以來發生過1～2次舞動的線路所在區域；按照凍雨氣象頻次，近30年間雨凇日數大于10天、小于20天的區域；鄰近發生過舞動線路地區，且地形、氣象條件與鄰近地區基本相似的區域，及靠近河流、湖泊等水域地區。該級區域包括保定西南部，石家莊東南部藁城、寧晉，邢臺東部平鄉、隆堯，邯鄲東部，衡水西南、東北等地區。

4.3 二級舞動區

按照舞動頻次法，近10年以來發生過3～4次舞動的線路所在區域；按照凍雨氣象頻次，近30年間雨凇日數大于20天的區域；鄰近發生過舞動線路地區，且地形、氣象條件與鄰近地區基本相似的區域，靠近河流、湖泊等水域地區。該級區域包括滄州東部黃驊、海興，邢臺東北部巨鹿、南宮，邯鄲東部魏縣、廣平、肥鄉等地區。

4.4 三級舞動區

按照頻次法近10年以來發生過5次及以上線路舞動的區域。由于河北南網尚未有5次及以上線路舞動的線路區域，因此沒有劃分三級舞動區域。

5 防舞動建議

一級舞動區內線路防舞動改造時，一般只加裝防舞動裝置。二級舞動區內線路防舞動改造時，應對舞動區段加裝防舞裝置，必要時可采用組合防舞措施。對耐張塔、緊鄰耐張塔的直線塔和重要交叉跨越段鐵塔的橫擔和主材連接部位進行防松改造。三級舞動區內線路防舞動改造時，應采用綜合改造措施。如：線路跨越主干鐵路、高速公路等重要跨越物時，宜對跨越方式進行改造，采用耐-直-直-耐的跨越方式，臨近被跨越物桿塔采用直線塔；500 kV線路重要交叉跨越段耐張塔可改造為鋼管塔；可適當加大瓷或玻璃懸垂絕緣子串的聯間距；對線路耐張塔、緊鄰耐張塔的直線塔和重要交叉跨越段鐵塔進行全塔防松改造；加強對舞動區線路運行情況的監測，分區域、有選擇地安裝舞動在線監測裝置。

參考文獻：

[1] 劉熙明，許愛華．降雪與凍雨天氣研究回顧[J]．氣象與減災研究，2008，31(4)：59-63．

[2] 丁錫廣，陶文秋.減輕送電線路線路舞動災害的措施[J]．高電壓技術，2004，30(2)：54-55．

[3] 郭鹿龍，李圍興，尤傳永．輸電線路舞動[M]．北京：中國電力出版社．2003．