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(dǎo)線舞動原理，研究了微風(fēng)振動、馳振激發(fā)和擴(kuò)展導(dǎo)線舞動的特點(diǎn)及振動頻率、導(dǎo)線的受力情況。根據(jù)導(dǎo)線舞動原理，結(jié)合架空輸電線路運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，分析了線路走向、地形與地勢，冰風(fēng)參數(shù)，線路結(jié)構(gòu)參數(shù)對導(dǎo)線舞動的影響，提出了減弱導(dǎo)線振動，加強(qiáng)導(dǎo)線、金具的耐振強(qiáng)度、優(yōu)化導(dǎo)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(dǎo)線舞動；防舞動

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)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(fù)荷分布不均衡的特點(diǎn)決定了建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是我國電網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，具有長距離、大容量輸電特征的架空輸電線路是其堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)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(shù)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(dǎo)線覆冰而形成非圓斷面的情況下，當(dāng)水平方向風(fēng)吹到因覆冰而變?yōu)榉菆A斷面輸電導(dǎo)線時，將產(chǎn)生一定的空氣動力，在一定條件下，將誘發(fā)導(dǎo)線產(chǎn)生一種低頻（約為0.1～3 Hz）、大振幅（約為導(dǎo)線直徑的5～300倍）的自激勵振動。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1957年至1992年初，我國共發(fā)生了44次導(dǎo)線舞動，波及到的線路有161條，導(dǎo)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(jì)25次，波及線路86條。

近幾年我國電網(wǎng)和輸電技術(shù)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(jì)造成重大損失。因此，在建設(shè)架空輸電線時有必要深入研究各類防舞動技術(shù)，采取相應(yīng)的防舞動措施。

1 架空輸電線路舞動原理

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

1.1 導(dǎo)線的微風(fēng)振動

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

導(dǎo)線微風(fēng)振動頻率fs（Hz）計(jì)算公式如下：

式中 U——風(fēng)速，m／s；

D——導(dǎo)線直徑，m；

S——司脫羅哈數(shù)，我國取0.2。

導(dǎo)線微風(fēng)振動持續(xù)時間較長，可達(dá)數(shù)天。主要危害是造成導(dǎo)線疲勞斷股，金具、桿塔構(gòu)建疲勞破損和磨損。引起導(dǎo)線微風(fēng)振動的風(fēng)速是在0.5～10 m／s內(nèi)的穩(wěn)定風(fēng)，其振幅的峰—峰值一般不大于導(dǎo)線直徑的2～3倍（振幅小于5 cm），頻率fs約為3～120 Hz。架空導(dǎo)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(jì)算公式如下：

式中 fd——導(dǎo)線的固有頻率，Hz；

T——導(dǎo)線的張力，N；

q——導(dǎo)線單位長度的重力，N／m。

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

1.2 導(dǎo)線的馳振

導(dǎo)線馳振是由于氣流以較高速度流過覆冰非圓斷面導(dǎo)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(dǎo)線回復(fù)力相比弱很多，因此導(dǎo)線振動的頻率與導(dǎo)線的固有頻率接近。

為便于導(dǎo)線舞動研究，結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將覆冰情況下的導(dǎo)線斷面設(shè)為橢圓形。設(shè)橢圓長軸與風(fēng)向水平，即夾角α＝0°，風(fēng)速為V，導(dǎo)線以速度u向上運(yùn)動。此時導(dǎo)線受力情況如圖1（a）所示，相對于導(dǎo)線風(fēng)具有水平方向速度V和向下速度u，相當(dāng)于速度為Vr的風(fēng)與導(dǎo)線長軸夾角Δα的方向吹過，根據(jù)機(jī)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(dǎo)線的運(yùn)動。反之，當(dāng)導(dǎo)線向下運(yùn)動時，空氣動力產(chǎn)生的推力L的方向向上，同樣抑制導(dǎo)線的運(yùn)動。

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

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

2 影響導(dǎo)線舞動的因素

形成導(dǎo)線舞動的因素非常復(fù)雜，而各種因素又互相作用，構(gòu)成了導(dǎo)線舞動激發(fā)和擴(kuò)展。根據(jù)實(shí)際架空輸電線路的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，對導(dǎo)線舞動的激發(fā)和擴(kuò)展起作用的因素有線路的走向、地形與地勢，冰風(fēng)參數(shù)，線路結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 線路走向的影響

架空輸電線路導(dǎo)線舞動原理分析是按照風(fēng)向垂直于線路方向進(jìn)行的。只有風(fēng)向垂直于線路方向時，導(dǎo)線所承受的空氣動力最大，所表現(xiàn)出的微風(fēng)振動和馳振最典型和突出。如果風(fēng)向與線路之間有一個夾角，真正起作用的是風(fēng)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(fēng)向與線路方向的夾角。當(dāng)夾角為90°時，對導(dǎo)線舞動的影響最大，當(dāng)夾角為0°時，即風(fēng)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)風(fēng)向與線路方向夾角為45°～90°時，易發(fā)生導(dǎo)線舞動［4］。

風(fēng)向是隨機(jī)的，但導(dǎo)線舞動是由覆冰和風(fēng)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(fēng)居多。因此，在架空輸電線路設(shè)計(jì)時一般按照北風(fēng)考慮線路防舞動設(shè)計(jì)。

2.2 地形與地勢的影響

由于地表的摩擦，越接近地面，風(fēng)速相對較低，只有離地面300 m以上時［5］，才可以認(rèn)為風(fēng)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(dǎo)線高度一般都低于40 m。因此，地形和地勢對導(dǎo)線舞動有一定的影響。

在架空輸電線路設(shè)計(jì)中，平均風(fēng)速沿高度變化的規(guī)律可用如下公式計(jì)算：

式中 u、z——分別為任意高度的平均風(fēng)速和離地高度；

zs、us——分別為標(biāo)準(zhǔn)高度和該處的平均風(fēng)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(fēng)才有可能激發(fā)導(dǎo)線舞動，冬季風(fēng)是季風(fēng)，在同一地區(qū)若忽略地面粗糙度系數(shù)的影響，其風(fēng)速基本相同，即在300 m以上高度風(fēng)速相同。設(shè)某地區(qū)300 m高度處的風(fēng)速為40 km／h。根據(jù)《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)程》（GB 50545—2010）架空輸電線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速應(yīng)取離地面高度10 m。根據(jù)式（3），開闊平原地區(qū)線路設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為22～26 km／h，而森林地區(qū)設(shè)計(jì)基本風(fēng)速只有17 km／h?？芍皆_闊地區(qū)架空輸電線路易發(fā)生導(dǎo)線舞動，這符合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

表1 地面粗糙度系數(shù)

2.3 冰風(fēng)參數(shù)的影響

對于導(dǎo)線舞動來說，冰風(fēng)因素是主要的激勵來源，具有關(guān)鍵作用。其產(chǎn)生及形態(tài)不僅與氣象因素密切相關(guān)，且彼此又互相影響［6］。顯然，這些問題具有很大的隨機(jī)性，在導(dǎo)線舞動研究和進(jìn)行防舞動設(shè)計(jì)時，通常向運(yùn)行維護(hù)單位收資或根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來確定覆冰厚度和設(shè)計(jì)基本風(fēng)速。

2.4 線路結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

根據(jù)導(dǎo)線舞動原理，除風(fēng)向、風(fēng)速、覆冰、地形及地勢等外在因素外，導(dǎo)線本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過氣動力大小、導(dǎo)線回復(fù)力、導(dǎo)線固有頻率等因素影響導(dǎo)線舞動的激發(fā)和擴(kuò)展。導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括：導(dǎo)線類型、張力、弧垂、檔距、導(dǎo)線直徑、導(dǎo)線比載等特性和參數(shù)。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，上述因素對導(dǎo)線舞動的影響可分為導(dǎo)線分裂形式的影響和導(dǎo)線直徑的影響。通常分裂導(dǎo)線相對單導(dǎo)線易發(fā)生舞動，大直徑導(dǎo)線相對小直徑導(dǎo)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(dǎo)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(jī)因素的影響。目前，還不能完全避免導(dǎo)線舞動的發(fā)生，但在架空輸電線路設(shè)計(jì)、建設(shè)階段采取適當(dāng)?shù)姆牢鑴哟胧┛蓽p小其規(guī)模，減輕其危害。

3.1 減弱導(dǎo)線的振動

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

3.2 加強(qiáng)導(dǎo)線、金具的耐振強(qiáng)度

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

3.3 優(yōu)化導(dǎo)線排列方式

導(dǎo)線舞動軌跡垂直于導(dǎo)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(dá)到1倍弧垂或更長。當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生大幅度舞動時，2根運(yùn)動的上下導(dǎo)線可能產(chǎn)生碰線閃弧，引起導(dǎo)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(shè)計(jì)上采取相應(yīng)的措施加大不同相導(dǎo)線間的垂直、水平距離，防止導(dǎo)線間碰線。如果條件允許，可采用導(dǎo)線水平布置的方式。

4 架空輸電線路防舞動裝置

在實(shí)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(shí)現(xiàn)或不能有效防止導(dǎo)線舞動，因此，有必要加裝相應(yīng)的防舞動裝置。

4.1 防振錘

防振錘是防止微風(fēng)振動及其擴(kuò)大的常用裝置。實(shí)質(zhì)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(gòu)成，鋼絞線中部裝1個線夾，用來把防振錘固定在導(dǎo)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(dǎo)線相近，當(dāng)導(dǎo)線振動時2個重錘有較大的甩動，有效吸收導(dǎo)線的振動能量，減小線夾及導(dǎo)線的疲勞損傷。防振錘的重量應(yīng)和導(dǎo)線的型號相適應(yīng)，通常導(dǎo)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(jī)械強(qiáng)度的間隔棒，將各導(dǎo)線機(jī)械地連接起來，使各導(dǎo)線的運(yùn)動相互制約，達(dá)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(dǎo)線或多根子導(dǎo)線，因此，相間間隔棒承受導(dǎo)線舞動、冰雪跳躍或短路所引起的沖擊力及兩端連接導(dǎo)線的懸垂度之差、風(fēng)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(dǎo)線，造成導(dǎo)線疲勞損傷或直接斷股、斷線。相間間隔棒在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的同時，其線夾要采取防止導(dǎo)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(shè)過程中應(yīng)綜合考慮氣象、地形、導(dǎo)線形式及型號等實(shí)際情況，合理選擇防舞動裝置［7］。

5 結(jié)束語

近年來，由于導(dǎo)線舞動引起的架空輸電線路故障頻發(fā)，應(yīng)加大力度研究導(dǎo)線舞動。本文對導(dǎo)線舞動原理及其影響導(dǎo)線舞動的因素進(jìn)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(shí)際架空輸電線路防舞動要求，應(yīng)采取理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法，研究出成熟、實(shí)用的防舞動技術(shù)，為保證架空輸電線路及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

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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(xué)士，助理工程師，從事輸變電工程建設(shè)技術(shù)管理工作。

2015－10－10）