湖南省輸電線路覆冰舞動預(yù)測技術(shù)研究

劉毓，陸佳政，張紅先，楊莉，李波

(國網(wǎng)湖南省電力公司防災(zāi)減災(zāi)中心，湖南 長沙410129)

輸電線路覆冰舞動是覆冰導(dǎo)線在風(fēng)激勵下的一種低頻、大振幅的振動現(xiàn)象〔1－2〕。舞動會增加導(dǎo)線的疲勞程度，引起導(dǎo)線斷股甚至斷線，縮短使用壽命;同時會產(chǎn)生很大的動力荷載，導(dǎo)致絕緣子串?dāng)[動、橫擔(dān)變形、桿塔倒塌等，嚴(yán)重危害到輸電線路的安全運行〔3－8〕。輸電線路覆冰舞動在湖南省十分嚴(yán)重。例如，2008年1月13日，長沙地區(qū)220 kV艾天Ⅰ，Ⅱ線、艾學(xué)Ⅰ，Ⅱ線、岳昆Ⅰ，Ⅱ線、500 kV 湘云Ⅰ，Ⅱ線出現(xiàn)導(dǎo)線舞動現(xiàn)象，其中舞動導(dǎo)致的相間短路造成了岳昆Ⅱ線A，C 兩相跳閘。此外，艾天Ⅰ，Ⅱ線、艾學(xué)Ⅰ，Ⅱ線的舞動一直持續(xù)近10d;2009年12月27日，受西北強(qiáng)冷空氣南下的影響，長沙、湘潭地區(qū)出現(xiàn)大面積雨雪降溫大風(fēng)天氣，在惡劣天氣影響下220 kV 星紅Ⅱ線、云紅Ⅰ，Ⅱ線、艾向線、沙黎Ⅱ線、星芙Ⅰ線、民泉Ⅱ線、鶴響Ⅰ線共8 條線路因覆冰導(dǎo)致線路舞動而跳閘;2010年1月5日，受惡劣氣象影響，湖南省內(nèi)又有多條線路發(fā)生舞動，電壓等級包括500 kV，220 kV 及110 kV，其中舞動引起220 kV 鶴九Ⅰ，Ⅱ線、艾楠Ⅰ線、110 kV 撈桂建芙Ⅰ，Ⅱ線、撈霞橋桂線發(fā)生線路跳閘故障。文中從湖南省地形、氣候等特點分析舞動多發(fā)的原因與機(jī)理，探尋防止導(dǎo)線舞動的措施，提出適用于湖南電網(wǎng)導(dǎo)線覆冰舞動的預(yù)測技術(shù)，以提高電網(wǎng)抵御冰災(zāi)的能力。

1 形成因素與發(fā)生機(jī)理

1.1 形成因素

湖南省位于長江以南，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，而東西南三面環(huán)山，向北敞開的地貌特性有利于冷空氣的長驅(qū)直入。冬季冷空氣一般從北部的洞庭湖侵入，在南下時易受到東西走向的南嶺山脈的阻擋，與高空暖濕氣流交匯對峙形成著名的“南嶺準(zhǔn)靜止鋒”(如圖1 所示)，并在湖南上空形成逆溫層，帶來凍雨天氣。溫度在－5～0 ℃之間的凍雨降落在導(dǎo)線上，極易附著在導(dǎo)線表面，形成堅實的雨凇覆冰。

圖1 南嶺準(zhǔn)靜止鋒

在重力和風(fēng)的影響下，覆在導(dǎo)線表面的雨凇層易形成不規(guī)則形狀:新月形、扇形、D 形等〔3，9〕。這些不規(guī)則形狀的覆冰具有很好的空氣動力性能，當(dāng)風(fēng)速與導(dǎo)線的夾角大于45 ℃時，容易產(chǎn)生較大升力從而引起導(dǎo)線舞動。

1)氣象條件:跳閘發(fā)生時為雨雪大風(fēng)天氣，溫度較低，風(fēng)速在4～15 m/s，屬于導(dǎo)線易于激發(fā)舞動的特征天氣。

2)地形條件:發(fā)生跳閘的線路故障段均位于城市邊緣相對比較開闊的地區(qū)，周圍沒有高層建筑物和高山等遮蔽物的阻擋，容易形成比較穩(wěn)定的風(fēng)激勵條件。

3)檔距和分裂數(shù):在相同的環(huán)境、氣象條件下，檔距越大，導(dǎo)線更易于激發(fā)舞動;而分裂導(dǎo)線要比單導(dǎo)線更容易發(fā)生舞動，在同等氣象、地形地貌等條件下，分裂數(shù)越多，舞動更容易。

4)塔線類型:同塔雙回線路與單回線路相比，相間和相對地間的電氣距離相對可能會小一些，舞動發(fā)生時，更易于造成相間放電和跳閘故障。

5)線路走向:在湖南地區(qū)的特殊地形條件下，冷空氣一般由北南下，風(fēng)向為偏北風(fēng)，因此，湖南省東—西向線路更容易發(fā)生舞動。

1.2 發(fā)生機(jī)理

由于覆冰使導(dǎo)線橫截面變成了非對稱面，當(dāng)水平風(fēng)吹向?qū)Ь€的時候，會產(chǎn)生升力、阻力和扭矩〔10－12〕，使導(dǎo)線產(chǎn)生3 個方向的運動，如圖2 所示。圖中，F(xiàn)L，F(xiàn)D和FM分別為升力、阻力和扭矩;α 為攻角。當(dāng)水平風(fēng)吹向規(guī)則覆冰導(dǎo)線時，單位長度導(dǎo)線受力情況如式(1)所示。

圖2 覆冰導(dǎo)線空氣動力載荷

式中 FL為上升力;CL為升力系數(shù);FD為阻力;CD為阻力系數(shù);FM為扭矩;CM為扭矩系數(shù);ρ 為空氣密度，kg/m3;d 為導(dǎo)線直徑，m。CL，CD，CM與攻角α 有關(guān)。覆冰導(dǎo)線在風(fēng)速影響下，攻角α與空氣動力載荷不斷變化，當(dāng)變化至滿足舞動條件的某個值時，就會發(fā)生舞動。

2 防舞措施

2.1 避舞措施

在導(dǎo)線布線過程中，應(yīng)盡量避開易發(fā)生舞動的地形地貌，選擇合適的走向以避免舞動的發(fā)生。例如，湖南省2008—2010年導(dǎo)線發(fā)生舞動的12 條線路中11 條都是東西走向。因為該省冬季冷空氣通常自北向南而下，東西走向的導(dǎo)線與北風(fēng)接近90°夾角，很容易引起舞動。因而線路應(yīng)盡量采取南北走向，避免與冬季主導(dǎo)風(fēng)向垂直或夾角過大。

2.2 抗舞措施

所謂抗舞措施，是指在舞動條件不發(fā)生改變的前提下，通過提高線路自身的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度的方法來避免發(fā)生舞動時造成線路損壞〔2〕，影響正常供電。例如，選擇恰當(dāng)?shù)木€間距離、選擇防滾動線夾、松螺帽等抗舞金具等。

2.3 抑舞措施

所謂抑舞措施，是指以破壞舞動形成條件為目的，在導(dǎo)線上安裝防舞裝置〔2，5，13－15〕來抑制舞動的措施。防舞裝置多種多樣，在實際運行匯總，應(yīng)根據(jù)線路實際情況選擇合適的裝置，方能起到理想的防舞效果。表1 所示為目前常用的防舞裝置舉例。

表1 各類防舞裝置及特點

以上幾種防舞措施中，避舞措施和抗舞措施最先使用，只有當(dāng)二者無法達(dá)到防舞的效果的時候才采用抑舞措施。防舞措施種類繁多，選擇合適的防舞措施對提高電網(wǎng)防舞效果，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

3 覆冰舞動預(yù)測技術(shù)

通過對歷史舞動數(shù)據(jù)的收集、總結(jié)，分析湖南電網(wǎng)輸電線路舞動分布的時空特點，并結(jié)合舞動發(fā)生的原因和機(jī)理，提出舞動發(fā)生的三大要素:導(dǎo)線覆冰、風(fēng)激勵以及線路結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于此，通過分析氣象條件因素與舞動形式及強(qiáng)度的關(guān)系，從氣象條件和電網(wǎng)情況兩方面入手研究舞動的預(yù)測技術(shù)，提出了電網(wǎng)覆冰的中短期舞動預(yù)測方法。

3.1 基于“六因子”的線路舞動短期預(yù)測

電網(wǎng)覆冰短期預(yù)測主要通過分析天氣圖，在對短期天氣形勢進(jìn)行把握的基礎(chǔ)上，并參考數(shù)值預(yù)報，結(jié)合經(jīng)驗分析，得出電網(wǎng)覆冰的短期預(yù)報，形成電網(wǎng)覆冰的短期預(yù)報方法。

在分析天氣圖時，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)短期覆冰天氣形勢如阻塞高壓頻臨崩潰邊緣，強(qiáng)冷空氣南下等情況的條件下，結(jié)合經(jīng)驗分析，提出基于氣溫條件、降水條件、逆溫層條件、風(fēng)速條件、地形條件、電網(wǎng)條件的“六因素”的線路舞動短期預(yù)測指標(biāo)。

當(dāng)6 個條件都成立時，則可預(yù)報未來24 h 電網(wǎng)覆蓋區(qū)域極可能發(fā)生舞動。其中，前3 個條件主要用于判斷線路是否有覆冰，第4 個條件主要用于判斷風(fēng)激勵的因素，第5 個條件主要用于判斷地形條件是否為開闊地帶，第6 個條件主要用于判斷電網(wǎng)的桿塔、線路等結(jié)構(gòu)是否符合舞動發(fā)生的條件。短期預(yù)報流程圖如圖3 所示。

圖3 輸電線路舞動短期預(yù)報分析流程圖

3.2 基于天氣形勢分析的線路舞動中期預(yù)測

輸電線路舞動中期預(yù)報主要基于天氣形勢分析，依據(jù)地面、500 hpa，700 hpa、850 hpa 等各個層次的實時天氣圖，對天氣系統(tǒng)移動方向、移動速度、系統(tǒng)強(qiáng)度進(jìn)行判斷，對未來(7—10 d)的天氣形勢進(jìn)行預(yù)測，通過預(yù)報冷空氣的活動過程，進(jìn)行輸電線路舞動的中期預(yù)報。

通過對歷史線路舞動時的氣象成因條件進(jìn)行分析，歸納總結(jié)了歷史上發(fā)生線路舞動的各種天氣形勢的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)幾乎全部舞動現(xiàn)象的發(fā)生均與強(qiáng)冷空氣爆發(fā)或大面積寒潮有關(guān)。寒潮來襲，易在冷暖空氣交界處產(chǎn)生雨雪天氣，且通常伴有大風(fēng)，使線路滿足起舞所需覆冰和風(fēng)力條件。因此，預(yù)測寒潮的來臨是舞動中期預(yù)測的基礎(chǔ)。

電網(wǎng)覆冰舞動的中期預(yù)報，為采取線路除冰等措施防治舞動爭取了時間，在舞動發(fā)生前，可提前布置好各類除冰技術(shù)措施和防舞裝備以破壞舞動形成條件，從而避免出現(xiàn)大范圍的線路舞動，大幅減少電網(wǎng)因這種災(zāi)害性天氣所造成的損失。中期預(yù)報流程圖如圖4 所示。

圖4 輸電線路舞動中期形勢預(yù)報分析流程圖

4 結(jié)論

1)湖南省受氣候與微地形的影響冬季電網(wǎng)覆冰舞動極為嚴(yán)重，舞動主要的影響因素為氣象條件、地形條件、檔距和分裂數(shù)、塔線類型、線路走向。

2)防舞措施種類繁多，正確選擇合適的防舞措施對提高輸電線路安全穩(wěn)定性意義重大。

3)基于氣溫、降水、逆溫層、風(fēng)速、地形、電網(wǎng)情況的“六因素”的線路舞動短期預(yù)測能對湖南省3 d 內(nèi)覆冰舞動情況進(jìn)行有效預(yù)測。

4)基于天氣形勢分析的線路舞動中期預(yù)測能夠?qū)鲜? d 內(nèi)的天氣形勢進(jìn)行有效預(yù)測，從而為覆冰舞動情況進(jìn)行有效的預(yù)防，大大減小電網(wǎng)因舞動造成的損失。

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