新型防振裝置在750 kV輸電線路地線防振中的應用研究

彭毅，安寧，劉勝春，楊光，郭學健

(1.甘肅省電力公司，蘭州市，730050;2.中國電力科學研究院，北京市，102488;3.甘肅省電力設計院，蘭州市，730050)

0 引言

甘肅河西750 kV輸電線路是西部大開發重點工程——新疆與西北750 kV電網聯網、甘肅風電外送工程的重要組成部分，該工程對結束新疆電網孤網運行、打通甘肅風電外送通道具有重要的里程碑意義，使西北地區的水、火、風電“打捆”東送成為現實。河西750 kV線路所處地形平坦開闊，植被少，刮風日數多，風速均勻、平穩，其地線特別是雙回路塔的掛點高(70～100 m)、檔距大、微風振動持續時間比其他地區持久、振動幅度大，長期運行會導致地線振動超標，引起疲勞斷股，給線路的安全、穩定運行帶來嚴重威脅。因此，有必要結合750 kV工程開展地線的防振研究，為工程設計和建設提供技術支撐，同時也為西北其他地區同類輸電線路的防振提供依據，對確保線路的安全、穩定運行具有重要的意義。

1 線路微風振動概述

導地線微風振動是發生范圍廣、持續時間長的一種振動形式。層流風吹過導線后會在導線的背后產生漩渦，俗稱“卡門漩渦”，如圖1所示［1］。規則的漩渦脫落會引起導線在與風向垂直的方向上周期性的振動，由于引起這種振動的風速通常為0.5～10 m/s，所以稱為微風振動。當風速較大時，尾流中的漩渦變得不穩定，速度變化也不規則，變成湍流尾流，此時反而不易形成微風振動。

導線微風振動的頻率與導線的直徑和風速有關，它們的關系式［2］為

式中:f為導線振動頻率，Hz;v為風速，m/s;D為導線直徑，m;St為 Strouhal數，一般取 0.185 ～0.2。

圖1 卡門漩渦示意Fig.1 Schematic diagram of Carmen vortex

微風振動具有“鎖定效應”(又稱“同步效應”)，即實際流速和對應脫落頻率由式(1)確定的流速之比為0.87～1.37時，地線的振動頻率和旋渦的脫落頻率都不變化。實際地線微風振動的頻率均為基頻的整數倍，而基頻又很小，且微風振動存在“鎖定效應”，因此可以認為任何為0.5～10 m/s的風速均能夠引起地線的微風振動。從這個意義上講，地線的微風振動幾乎每時每刻都在發生，因此，必須采取有效的防振措施來抑制地線的微風振動，使其處于安全范圍內。

2 河西地區超高壓線路地線微風振動故障

甘肅河西地區導地線微風振動強烈，經常發生防振錘滑移、脫落等故障，嚴重的引起導地線斷股，威脅線路的安全運行。酒泉超高壓輸電公司所轄330 kV輸電線路常常發生因風振引起間隔棒、防振錘線夾滑移和脫落等故障，防振錘滑脫、掉落等事件一直威脅著線路的安全運行。截止2010年4月底間隔棒防振錘事件累計達562件，其中防振錘滑脫、掉落事件158件;引起導線斷股危急事件3件，嚴重事件1件。武威輸變電工區管轄330 kV線路共發生38次導線防振錘脫落。原涼金一線(現河金一線和河涼一線)線路投運后，次年就有少量間隔棒和防振錘滑移的事件發生，此后間隔棒和防振錘滑移、斷股、脫落等事件時有發生，2008年至2011年初，共發現間隔棒防振錘缺陷419處。這說明甘肅河西地區輸電線路導地線的微風振動非常嚴重，傳統的防振裝置已經不能滿足要求，需研制新的防振裝置抑制導地線的微風振動。地線防振錘滑移見圖2。

3 750 kV線路地線微風振動特點

甘肅河西750 kV線路地線微風振動具有以下特點:

(1)微風振動頻率范圍廣。根據沿線氣象站的風速統計數據和地線參數，計算得到地線的微風振動頻率為6.3～111 Hz，說明只要在引起微風振動的風速范圍內，都會產生相應頻率的微風振動。

圖2 河金一線地線防振錘發生滑移Fig.2 Slip of dampers in ground wire of Hejin line

(2)微風振動持續時間長。地形和氣候條件表明，線路所處地區刮風日數多，地線微風振動幾乎時刻都在發生，頻度遠高于其他地區。

防振錘是線路防振的基本元件，普通線路地線用FG型防振錘的2個錘頭對稱布置，線夾與地線通過鋼板固定，這種防振錘在運行中存在以下問題:

(1)不能有效抑制地線微風振動，防振效果不夠理想。FG型防振錘為對稱布置，只有2個諧振頻率，其諧振范圍較小，無法有效覆蓋地線微風振動的全部頻率范圍。在地勢平坦、風速平穩持久地區，當地線振動頻率超出防振錘諧振頻率時，防振錘基本沒有防振效果，反而在線夾處形成節點，造成該處地線斷股。

(2)在運行中容易產生滑移。FG型防振錘通過鋼板和螺栓與地線固定，在微風振動強烈地區，防振錘振動過大容易造成線夾滑移，從而磨損導線，長時間的磨損會導致地線斷股。

4 新型防振裝置的研制

鑒于傳統的FG型防振錘無法有效覆蓋地線微風振動的頻率范圍，因此需研制結構合理的多頻防振錘，必要時組合使用。對于大檔距線路，還可采用“阻尼線+防振錘”組合防振，以獲得最優的防振效果。同時，傳統防振錘線夾采用螺栓夾持，長期振動后容易松動進而磨損地線，因此在防振錘線夾的結構形式上也要進行改進，采用安裝方便、防滑性能好的線夾，減輕運行維護的工作量，提高長期運行可靠性。

為滿足地線防振的特殊要求，專門研制了適用于地線的2種型號專用預絞式線夾防振錘。首先根據線路參數和氣象條件確定地線的諧振頻率范圍，然后運用防振錘設計理論結合經驗開展防振錘的設計［3-4］，最后對研制的防振錘進行型式試驗，根據結果再進行優化。新研制的預絞式線夾防振錘錘頭采用不等重、不對稱布置，如圖3所示，具有4個分布合理的諧振頻率。預絞式線夾防振錘線夾為U形，從地線下面與地線面接觸，不僅握著可靠、防滑性能好、安裝方便，而且對地線的作用力通過預絞絲分散，消除了應力集中，有利于降低線夾處的動彎應變，避免了傳統防振錘線夾集中握著造成應力集中容易損壞地線的問題。

圖3 安裝在地線上的預絞式線夾防振錘Fig.3 Damper with preformed clamps installed in ground wire

750 kV線路地線有3種型號規格，分別是鍍鋅鋼絞線1×19－13.0－1270－B(GJ－100)、鋁包鋼絞線JLB20A－100和JLB20A－150;具有2種外徑，分別是13.0和15.75 mm。設計了2種防振錘，型號分別為FR-3和FR-2，其諧振頻率見表1。

表1 研制防振錘的諧振頻率Tab.1 Resonance frequency of developed damper

為考核專門研制的2種防振錘的性能，按照DL/T 1099—2009《防振錘技術條件和試驗方法》的要求進行了型式試驗，包括機械強度、功率特性和振動疲勞試驗，試驗結果均滿足標準相應要求，試驗合格。2種型號防振錘功率特性曲線見圖4。從圖中可以看出，每種防振錘均具有4個不同的諧振頻率，組合后共有8個諧振頻率，可覆蓋微風振動全部頻段的較寬范圍。與普通的FG型防振錘相比，新型防振錘不僅頻率范圍更廣，而且線夾防滑型號好，握著更加牢靠，有利于地線的長期穩定運行。

考慮到在微風振動特別強烈地區，單純使用防振錘長期運行后防振效果會降低，從保證線路長期運行可靠性的角度考慮，采用“阻尼線+防振錘”形式的防振方案是比較理想的。與防振錘相比，阻尼線具有頻率寬、耐振性能好的特點，常常應用在大跨越工程的防振上。這種組合型防振裝置具有兩者的優點，一方面頻段更廣，能覆蓋微風振動全部頻段的更大頻率范圍;另一方面，防振錘安裝在阻尼線的內部，其振動相對較小，有利于長期穩定運行。

圖4 預絞式線夾防振錘功率特性曲線Fig.4 power characteristic of damper with preformed clamps

預絞式“阻尼線+防振錘”防振方案如圖5所示，阻尼線采用鋼芯鋁絞線LGJ-300/25，通過預絞式阻尼線線夾與地線固定。該方案綜合阻尼線和防振錘的防振效果，試驗結果表明其具有良好的防振效果。

圖5 預絞式阻尼線+防振錘防振方案Fig.5 Anti-vibration plan combining damper with preformed clamps and damping wire

我國絕大多數大跨越均采用“阻尼線+防振錘”型式的防振方案，多年來的運行經驗和測振結果表明，這種防振方案不僅效果好，而且長期運行可靠性高，運行維護工作量少。對微風振動特別強烈的地區，從確保線路長期穩定運行的角度出發，推薦采用“阻尼線+防振錘”型式的防振方案。

5 新型防振裝置的應用

根據地線防振錘和預絞式的性能特點，結合地線防振錘的安裝經驗［5］，本次新型防振裝置的安裝按照以下原則:

(1)對單回路地線，當檔距在300 m以下時每端安裝1個FR-2型防振錘，檔距為300～700 m時每端安裝FR-2、FR-3型防振錘各1個，檔距超過700 m時每端安裝FR-3型防振錘1個、FR-2型防振錘2個。防振錘采用等距安裝，相鄰防振錘距離為0.75 m。

(2)對雙回路地線，當檔距在300 m以下時每端安裝FR-2、FR-3型防振錘各1個，相鄰防振錘距離為0.9 m;檔距大于300 m時每端安裝1組預絞式阻尼線+防振錘。

對于微風振動特別強烈的地段，采用預絞式線夾“防振錘+阻尼線”聯合防振方案。安裝在750 kV線路地線上的預絞式線夾“防振錘+阻尼線”聯合防振方案見圖6。

圖6 安裝在750 kV地線上的預絞式線夾“防振錘+阻尼線”Fig.6 Damper with preformed clamps and damping wire installed in 750 kV ground wire

本次研制的新型防振錘獲得國家實用新型專利。新型防振錘招標價格略高于傳統防振錘，價格控制在概算允許范圍以內。在750 kV武勝—河西—酒泉—敦煌線路工程中，大量采用了新型地線防振裝置，絕大部分地段單回路段全部采用新型預絞式線夾防振錘，雙回路段采用新型預絞式線夾“防振錘+阻尼線”和全防振錘2種方式。共使用12000余套預絞式線夾防振錘，500余套預絞式阻尼線。

輸電線路導地線的微風振動現場測試非常必要［6］，為了解新型防振裝置應用于750 kV輸電線路地線后的實際效果，先后分別在2條線路上進行了現場測振。從2次現場測振結果可以看出，預絞式線夾防振錘和“預絞式防振錘+阻尼線”聯合防振方案最大的動彎應變為97 με(單峰值)，明顯低于地線動彎應變的許用值200 με，表明推薦的防振方案具有良好的防振效果。

6 結語

在750 kV武勝—河西—酒泉—敦煌線路中全面采用了新型防振裝置，室內微風振動模擬試驗表明2種型式的防振裝置均具有良好的防振效果，實際線路安裝新型防振裝置后進行的現場測振進一步驗證了模擬試驗的科學性，結果表明采用新型防振裝置能將地線的微風振動抑制在較低的范圍內，能確保地線的長期穩定運行。現場施工表明新型防振錘安裝方便、握著牢靠、不易滑移、減少維護工作量。750 kV線路地線防振研究成果不僅適用于750 kV輸電線路，同樣適用于其他超高壓線路，對于已納入“十二五”規劃的新疆電力外送特高壓輸電線路更具有直接的應用價值，可以在超高壓、特高壓輸電線路中推廣應用，具有廣闊的應用前景。

［1］ Transmission line reference book:Wind induced conductor motion［M］.Electric Power Research Institute，Palo Alto.California，USA，1979.

［2］鄭玉琪.架空輸電線微風振動［M］.北京:水利水電出版社，1987.

［3］李效韓，李邦宜，徐乃管.裝防振錘的架空輸電線系統的微風響應［J］.中國電機工程學報，1997，17(5):352-355.

［4］李效韓，李邦宜，徐乃管.防振錘非線性參數識別［J］.中國電機工程學報，1996，16(2):142-144.

［5］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［6］張會韜，架空輸電線路微風振動危害的實例及現場測振的重要性［J］，電力建設，1997，16(9):38-41.