山東500 kV電網線路舞動分析及其治理

劉洪正，喬耀華，楊立超

（山東電力集團公司超高壓公司，山東濟南 250021）

0 引言

2010年1月20日和2月28日，山東遭受兩次大范圍大風雨雪冰凍天氣，500 kV電網發生大面積線路舞動，造成15條62條次500 kV線路跳閘，電網運行出現多次重大險情。山東電網在短時間內連續發生兩次大面積線路舞動，范圍之大、時間之長是歷史上從未發生過的。

1 兩次電網舞動的基本概況

1.1 天氣情況

受強冷空氣影響，自1月20日8時開始山東各海區出現了7～8級陣風10級的東北風，魯西北地區、半島地區和內陸湖面也出現7級陣風，氣溫為2～-5℃，山東出現了多年少見的大范圍凍雨、風雪天氣，山東省氣象臺和海洋預報臺發布風暴潮藍色警報和海浪藍色警報。2月28日，山東大部地區出現小雨天氣，逐漸轉為雨夾雪轉小到中雪局部大雪，有5～6級東北風，氣溫降到2～-4℃，同時伴有雷電活動，省氣象臺發布了海上大風黃色預警信號和大范圍雨雪預報。

兩次惡劣天氣的共同特點一是大風，二是氣溫低，三是雨雪天氣。

1.2 兩次舞動事件對電網的影響

2010年1月20日8時18分起至21日6時，13條500 kV線路跳閘36條次，電網結構遭受嚴重破壞。最嚴重時，煙威電網僅通過500 kV嶗陽線相連。跳閘次數最多的是500 kV濰陽線，跳閘次數竟達到8次。

2010年2月28日14時32分起至3月1日8時，7條500 kV線路跳閘26條次，山東與華北聯網的500 kV辛聊Ⅰ、Ⅱ線和黃濱Ⅰ、Ⅱ線相繼跳閘，造成山東電網與華北電網兩次解列。

1.3 兩次舞動事件對電網設備的危害

“1.20”和“2.28”事件中，線路舞動造成山東500 kV電網設備受損嚴重。經全面巡視檢查，共發現由于舞動造成的500 kV線路缺陷387條，其中危急缺陷11條，嚴重缺陷38條，一般缺陷338條。舞動造成了輸電線路螺栓松動、脫落，金具、絕緣子、跳線損壞，導線斷股、斷線，塔材、基礎受損等缺陷，各類缺陷統計分析如圖1。

圖1 輸電線路舞動缺陷情況分析

山東500 kV輸電線路舞動損傷典型案例：

（1）500 kV輸電線路舞動造成多處導線燒傷、斷股，見圖2。

圖2 500 kV線路導線斷股

（2）500 kV線路耐張連接金具斷裂，跳線懸垂線夾斷裂，見圖3。

圖3 淄濰線耐張金具斷裂、跳線懸垂線夾斷裂

（3）耐張塔塔材螺栓有松動、脫落現象，見圖4。

圖4 濰陽線鐵塔螺栓脫落

（4）鐵塔塔腿基礎保護帽破裂，見圖5。

圖5 壽油Ⅰ、Ⅱ線126號鐵塔塔腿基礎保護帽破裂

（5）舞動造成多處導線間隔棒掉抓、損壞，見圖6。

圖6 導線間隔棒掉抓、損壞

2 兩次電網舞動的特點及分析

根據上述線路舞動情況，綜合分析兩次電網舞動事件有以下特點：

（1）東西或西北-東南走向線路舞動條數多，故障跳閘多。山東冬季盛行北風或東北風，東西或西北-東南走向500 kV線路與冬季主導風向夾角大，位于迎風面，易發生線路舞動。兩次舞動事件造成故障跳閘的15條500 kV線路均為東西走向或西北-東南走向。

（2）同塔雙回線路舞動造成的故障多。500 kV線路舞動跳閘15條，其中12條是同塔雙回線路。同塔雙回線路發生舞動時造成線路跳閘的比例高。

（3）相間故障多。兩次舞動事件造成的62次500 kV線路故障中，單相故障28次（45.2%），相間故障34次（54.8%）；相間故障占故障總數的一半以上。

（4）線路重復跳閘次數多。輸電線路發生舞動后，若天氣條件沒有大的變化，輸電線路會受到一個穩定的風激勵，在風的作用下舞動持續時間長，會造成重復跳閘或重合不成。1月20日發生跳閘的有28條線路重復跳閘，500 kV濰陽線跳閘8次，濰嶗線跳閘7次。舞動區段較小的，故障點集中；舞動區段較大的，故障點分散。

（5）500kV水平布置線路單相接地故障多。500 kV單回線水平布置的線路相間距離較大，導線舞動造成相間短路的幾率小，但易造成引流線對塔身放電，尤其是中相繞跳式的引流線。淄濰線83號和濰陽線49號均為中相引流線、濰嶗線55號塔為右相引流線對塔身放電。

（6）線路舞動對設備的危害性較大。輸電線路舞動時，線路全檔做大幅度的波浪式振動，并兼有擺動，擺動軌跡順線路方向近似橢圓狀。導線舞動呈低頻高幅，且持續時間長，具有較大的危害性。垂直排列的導線發生舞動，易造成線路相間短路；水平排列的導線發生舞動，造成與跨越物的電氣距離不夠對跨越物放電、導線或跳線對塔身距離不夠對桿塔放電。舞動容易引起線路閃絡、金具損壞、倒塔、斷線、螺栓松脫、導線燒傷斷股、光纜斷芯或斷纜等，對電網和設備安全運行造成嚴重影響。

3 輸電線路舞動的機理及對策

3.1 舞動概念

在冬季，當水平方向的風吹到因覆冰而變為非圓截面的導線上時，將產生一定的空氣動力，由此會誘發導線產生一種低頻頻率（0.1～3 Hz）、大振幅（10 m以上）的自激振動，是較高風速引起的覆冰導線的馳振。由于其形態上下翻飛，形如龍舞，也稱舞動。

3.2 影響舞動的因素

從舞動的定義不難看出，舞動的形成主要取決于三方面的因素，即覆冰、風的激勵和線路結構及參數。但形成舞動的因素非常復雜，而各種因素又相互影響，構成了舞動激發與擴展的復雜情況。歸納起來，對導線舞動的激發與擴展起主要作用的因素大致有三個方面，即線路的走向、地形與地勢，當地的氣象條件，線路系統的結構與參數。

（1）線路走向、地形與地勢的影響。導線的舞動是由于冰和風的聯合作用產生的。這里所說的風向是指使導線覆冰時的風向，通常冬季，尤其在冰雪天，以北風居多。據前蘇聯的文獻報道和我國導線舞動的統計資料表明，絕大多數的導線舞動發生在風向與線路夾角為45～90°的情況下。那么，在其他的氣象條件與線路條件都完全相同，線路的走向不同起了決定性的作用。

根據國內外的統計資料，導線舞動多數產生于平原開闊地區，這是不難理解的。因為，與山區或丘陵地區相比，平原與開闊地區無論從風速還是空氣的流態來說，都更加有利于舞動的形成。

（2）氣象條件。對于導線舞動來說，冰風因素是主要的激勵源，具有關鍵的作用。它們的產生及其形態不僅與氣象因素密切相關，而且，它們彼此又相互影響。

舞動多發生在覆冰導線上，覆冰厚度一般為2.5～48 mm。導線上形成覆冰須具備3個條件：①空氣濕度較大，一般90%～95%，雨淞、凍雨或雨夾雪是導線覆冰常見的氣候條件；②合適的溫度，一般為0～-5℃，溫度過高或過低均不利于導線覆冰；③可使空氣中水滴運動的風速，一般大于4 m/s。

冬季及初春季節里，冷暖氣流的交匯引起的風力較強，地勢平坦、開闊及風口地區的輸電線路，在導線（不均勻）覆冰的情況下，當風速在4～20 m/s，且風向與線路走向的夾角≥45°時，導線易舞動。

（3）線路系統的結構和參數也是形成舞動的重要因素之一。

許多國內外的觀測資料表明，在同樣的地理與氣象條件下，分裂導線比單導線容易舞動。單導線覆冰時，由于扭轉剛度小，在偏心覆冰作用下導線易發生很大扭轉，使覆冰接近圓形；而分裂導線覆冰時，由于間隔棒的作用，每根子導線的相對扭轉剛度比單導線大得多，在偏心覆冰作用下，導線的扭轉極其微小，不能阻止導線覆冰的不對稱性，導線覆冰易形成翼形斷面。因此，對于分裂導線，由風激勵產生的升力和扭矩遠大于單導線。對于500 kV超高壓輸電線路，多采用四分裂導線，較易發生舞動。

觀測資料還表明，大截面導線比小截面易舞動。大截面導線的相對扭轉剛度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭轉角要小，導線覆冰更易形成翼形斷面，在風激勵作用下，產生的升力和扭矩要大些。

3.3 線路覆冰舞動的機理

（1）國外舞動研究概況。

舞動的觀測與研究源于20世紀30年代，美、加、蘇、英、日等國進行了大量的觀測、研究工作。而就舞動的機理而言，至今還只有美國的DenHartog提出的垂直激發機理和加拿大的O.NⅠgol提出的扭轉激發機理，以及所謂的“慣性耦合激發機理”這三種機理基本概括了舞動機理研究的主要成果。

（2）國外舞動研究成果。

Den Hartog舞動機理（垂直激發機理）如圖7所示。

圖7 Den Hartog舞動激發模式

O.NⅠgol舞動機理（扭轉激發機理）如圖8所示。

圖8 O.NⅠgol舞動激發模式

慣性耦合激發機理如圖9所示。

圖9 慣性耦合激發模式

圖中：y為導線橫向位移；ρ為空氣密度；U為風速；D為導線直徑；CL為空氣動力升力系數；CD為空氣動力阻尼系數；m為覆冰質量。

（3）我國舞動研究情況。

我國對舞動觀測與研究的起步較晚。有關舞動的記載始于20世紀50年代，而真正進行大規模治理與研究還是在1987年湖北省中山口大跨越發生舞動斷線之后才開始進行的。

理論研究方面的主要成果是創立了 “穩定性舞動機理”。穩定性機理考慮了垂直、水平、扭轉三個分量，并考慮三者的互相耦合，從而可以模擬各種類型的舞動。原則上，穩定性舞動機理可以包括現有的各種舞動機理，換言之，現有的各種舞動機理可以看作為穩定性舞動機理的某種特例。

原電力工業部于1990年立項 “220～500 kV輸電線路導線舞動的試驗研究與治理”，經原國電電力建設研究所和湖北省電力局等單位多年研究，攻克了20多項技術難關，取得了有效防止220～500 kV輸電線路導線舞動的研究成果，并獲得1997年度國家科技進步一等獎。

3.4 輸電線路覆冰舞動治理的對策

（1）防舞措施的分類。

鑒于輸電線路舞動主要是由于三個方面的因素所形成的，即覆冰及其截面形狀；風速及其方向；線路系統的自身參數。與此相應，防舞的措施也將是根據這幾個方面有針對性地進行。

現行的防舞措施，大體可以分為三類：其一，從氣象條件考慮，避開易于形成舞動的覆冰區域與線路走向，即避舞措施；其二，從機械與電氣的角度，提高線路系統抵抗舞動的能力，即抗舞措施；其三，從改變與調整導線系統的參數出發，采取各種防舞裝置與措施，抑制舞動的發生，即抑舞措施。

抑舞措施是采取各種防舞裝置與措施，改變與調整導線系統的參數，達到抑制舞動的發生，或減小舞動的強度，以保證線路的安全，也是防治舞動的重要方面對于已建成的線路，抑舞措施則是唯一的辦法。這類措施主要是通過在線路上安裝防舞裝置來實現其抑制舞動的功能。

（2）常用防舞措施。

大電流溶冰。在導線中通過大電流將冰溶化，以消除致舞的不穩定因素。該方法技術復雜，費用昂貴，不便采用。

相間間隔棒。就是在相間或回路間用絕緣棒進行機械連接，制約導線的舞動，其固定處將成為波節，使舞動成為多個半波的模式使振幅變小，達到防止導線間短路的目的。另外，該裝置不僅改變了系統的結構方式能抑制導線舞動，而且還可防止脫冰跳躍所引起的混線事故。隨著合成絕緣子的廣泛應用，該裝置已從高壓線路發展到超高壓線路上，是比較有效的防舞動和隔離混線裝置，在雙回路乃至多回路上安裝相間間隔棒是防治舞動的首選措施之一。

線夾回轉式間隔棒。將子導線間隔棒改為可以線夾回轉式間隔棒，可以有效解決線路不均勻覆冰的問題，減輕風的激勵作用，提高線路的穩定性。結合雙擺防舞器一起使用，取得較好的應用效果。

雙擺防舞器。雙擺防舞器研制始于1989年，在安裝方式上采取了集中和分散相結合、宏觀集中微觀分散、重擺和輕擺相配合等措施。在1991年12月湖北漢江中山口大跨越500 kV線路舞動中表現出了較明顯的防舞動效果。

失諧擺。是由加拿大學者尼戈爾首先提出，與Harvard等人共同研究和發展起來，并在工程實踐中取得相當效果的一種防舞裝置。失諧擺的設計基于扭振激發機理，用來調整扭振固有頻率，使之與橫向振動的高階固有頻率分離，從而防止其耦合而誘發舞動。

擾流器。擾流器可以改變導線在氣流中所受到的氣動力。一般的擾流防舞器是利用某種特制的線纏繞在導線上，使得導線與擾流線合成體的各個截面的形狀都彼此不同，即使在覆冰后也仍然如此。這樣，各個截面上的空氣動力（升力、阻力與扭矩）就會互不相同，相互干擾與抵消，達到抑制舞動的目的。

4 山東500 kV線路防舞綜合治理情況

4.1 500 kV線路防舞措施的制定

由于舞動的形成主要取決于三個因素，即覆冰、風激勵和線路的結構與參數，因此，運行線路主要通過改變線路的結構和參數達到防舞動治理的目的。山東電力集團公司配合中國電科院、華北電科院等單位提出的線路防舞動方案，對不同的方案進行了綜合比較，結合山東500 kV電網實際，并參考湖北、河南、遼寧等舞動較頻繁的省公司的治理情況，提出以下治理方案：

（1）單回水平排列線路治理方案。單回水平排列的線路，由于導線上下舞動，相間間隔棒無法形成牽制作用，因此采用線夾回轉式間隔棒加雙擺防舞器方式。線夾回轉式間隔棒代替現在的子導線間隔棒，可以使導線有一定的自由轉動幅度，提高覆冰的均勻性；其結構特點是：部分線夾為普通固定線夾，部分線夾為回轉線夾，回轉線夾可轉動角度范圍為0～174°，可與普通固定線夾互換。雙擺防舞器增加導線的壓重，破壞形成共振的諧振條件。

線夾回轉式間隔棒的次檔距布置應遵循以下原則：最大次檔距不大于50 m，最小次檔距不大于25 m，平均次檔距取45 m左右，并采取不等距、不對稱的布置方式。

（2）同塔雙回垂直排列線路治理方案。同塔雙回垂直排列線路，采用相間間隔棒預防覆冰舞動。相間間隔棒可將電力線路中的各相導線機械地連接起來，使各導線的運動相互制約。研究表明，相間間隔棒抑制導線舞動的機理在于其拉力 （而非支撐力）的牽制作用，使各相導線的不同期強迫振動載荷（不均勻覆冰的空氣動力提供）相互平衡抵消，從而抑制導線舞動。在該機理的支持下，可對傳統相間間隔棒的機械特性和結構形式進行優化，可采用較細的芯棒直徑和分段式結構，或改變聯接方式，也可進而研制新型的柔性相間絕緣子；使其在機械上僅承擔導線非同期運動時的拉力而非支撐力。從實際使用效果上看，相間間隔棒是當前防舞動效果最好、最可靠的防舞器械。

對于同塔雙回垂直排列線路，主要應用相間間隔棒預防覆冰舞動。根據相間間隔棒生產技術現狀和防舞功能需求，相間間隔棒采取雙節聯接的型式，在線路檔距中的布置方式參照國家電網公司有關文件的要求執行，對不同檔距相間間隔棒的安裝數量及安裝位置如表1所示。

表1 500 kV相導線垂直排列線路相間間隔棒布置方法

（3）鐵塔螺栓緊固，同時對治理區段的耐張塔進行全部緊固。

（4）易覆冰舞動區段的確定。

舞動的形成主要取決于三個因素，即覆冰、風激勵和線路的結構與參數。因此，治理措施應主要針對線路的“易覆冰舞動區段”。易覆冰舞動區段的確定，主要根據運行經驗、氣象部門的歷史觀測資料、對沿線現有輸電線路及通信線路的覆冰及運行情況進行調查等。

以下地段宜定性為易覆冰舞動區：曾經發生過輸電線路覆冰舞動或附近線路發生過舞動；處于重冰區或中重冰區，且覆冰季主導風向與線路走向夾角大于45°；冬季與早春氣溫可達到零下，有雨雪、風力在4 m/s以上的區域；輸電線路的大跨越區段；符合以下典型特征的微地形、微氣象區：高山分水嶺型、水氣增大型、地形抬升型。

4.2 2010年500 kV輸電線路防舞治理開展情況

截至2010年12月10日，山東電力集團公司超高壓公司已完成2010年16條500 kV輸電線路治理工作，治理線路1 206檔499.11 km，安裝防舞相間間隔棒3 261套、線夾回轉式間隔棒3 186套、雙擺防舞器2 280套；超高壓公司防舞治理工作歷時81個工作日，參與2 954人次，共計人工17 282工日。具體防舞治理內容見表2。

表2 2010年山東500 kV輸電線路防舞治理區段及措施統計表

序號 電壓等級 線路名稱 區段 檔數 長度/km防舞治理措施相間間隔棒 回轉式間隔棒 雙擺防舞器 鐵塔緊固11 500 黃濱Ⅰ線12 500 黃濱Ⅱ線105號～111號112號～116號117號～122號123號～128號156號～178號105號～111號112號～116號117號～122號123號～128號156號～178號42 29.059 125 21 42 29.059 125 21 13 500 壽油Ⅰ線 1號～159號 158 66.757 508 18 14 500 壽油Ⅱ線 17號～50號 33 13.091 111 18 15 500 辛聊Ⅰ線16 500 辛聊Ⅱ線140號～146號154號～199號203號～242號140號～146號154號～199號203號～242號90 34.887 546 22 90 34.887 273 11合計 1 206 458.11 3 261 3 186 2 280 429

圖10 淄濰線回轉式間隔棒及雙擺防舞器

圖11 益川Ⅰ、Ⅱ線相間間隔棒

4.3 氣象及舞動監測系統

為及時掌握氣象信息和線路舞動的相關數據，對調度應急處理、事故搶修、防舞動綜合治理都是非常有利的，同時也是智能電網實施的一項重要內容。2010年，山東電力集團公司在500 kV電網建立了山東電網的氣象及線路舞動實時監測系統。

（1）氣象實時監測系統。在全省27個500 kV變電站建立小型氣象監測站，實時監測風速、風向、溫度、濕度、氣壓、雨雪等氣象指標，氣象數據具備統計、分析和歷史存儲功能。主站設在超高壓，信號送至省調、應急中心、運行單位及相關管理部門。

（2）線路舞動在線監測系統。在500 kV濱油Ⅱ線、壽油Ⅰ、Ⅱ線、辛聊Ⅰ線加裝線路舞動在線監測系統。該系統是今年全國電網遭受大范圍舞動后的一個新研究課題，基本原理是采用附著在導線上的加速度傳感器實時監測線路的舞動情況，一個檔距內安裝7個傳感器便可描繪出導線的完整的舞動軌跡（波幅、波長、頻率），并在桿塔上安裝小型氣象監測站，數據通過安裝在鐵塔的點對點微波裝置傳送至附近變電站，然后通過變電站的光纖通道傳送至省調、應急中心和運行單位。該系統實現導線舞動的定量監測，對電網的應急處理和防舞動治理改造提供數據支持。

5 輸電線路舞動事件的啟示

加強輸電線路舞動及防治工作研究。舞動發生具有一定的偶然性，而且概率較低，往往會被人們忽視。但偶然之中存在必然性，只要具備了起舞的三個條件，舞動的發生就是必然的。2010年前山東電網鮮有輸電線路舞動記錄，但2010年年初兩次大范圍舞動為輸電防舞治理工作敲響了警鐘；說明在相當大的區域范圍內存在導線舞動的可能性，由于舞動的巨大破壞性，因此應對舞動研究與防治給予足夠的重視。

防治工作方式轉變。山東500 kV輸電線路舞動問題的研究與防治必須與設計、生產、運行部門相結合，對新建、在運行、已舞動線路分別進行防治，將災害減少到最低。同時積累舞動防治的經驗，在實踐中不斷完善舞動防治方法。同時，必須轉變觀念，將單純被動的“治理”改為“預防為主，防、治結合”的主動工作方法。

加強輸電線路舞動觀測和實時監測。應關注山東500 kV輸電線路舞動發生的新特點，對各地區發生的舞動及時跟蹤，加強對舞動觀測的影像記錄和舞動實時在線監測數據收集，了解舞動發生的情況和新特點，為舞動的研究和防治積累資料。

6 結束語

2011年2月27日0時30分起至15時30分，因大風雨雪覆冰天氣造成山東電網濰坊、煙臺地區部分線路發生舞動現象，導致500 kV東嶗I線、霞昆Ⅰ線相繼跳閘，其中霞昆Ⅰ線跳閘3次，強送3次。此次發生舞動線路（檔段）均未安裝防舞裝置，安裝防舞裝置的線路 （檔段）均未發生線路舞動故障。山東電力集團公司超高壓公司2010年防舞治理中使用的線夾回轉式雙擺防舞器和相間間隔棒及其布置方案，在此次舞動中均起到了良好的防舞效果，雖然安裝了相間間隔棒的部分檔段仍有小幅整體舞動，但并未造成閃絡等事故。上述情況充分說明，2010年山東電力集團公司超高壓公司完成防舞一期治理工作，在本次舞動災害中發揮了重要的防舞作用。

2011年，山東電力集團公司超高壓公司將按照《輸電線路舞動治理工作指導意見》和《國家電網公司輸電線路防舞差異化改造技術要求》，根據舞動區域分布圖和2010～2011年冬季舞動情況，制定公司2011年輸電線路防舞治理計劃，對2010、2011年均發生舞動 （跳閘故障或觀測到舞動的線路）的線路，進行全線治理。