輸電線路導線覆冰舞動機理的討論與研究

彭永洪 馬強 田興瑞

摘 要：通過物體的流體將引起顫動、卡門渦和馳振三種振動。其中卡門渦、馳振是輸電導線中兩種常見的振動。其特性是由空氣中對流的速度和導線的結構決定。馳振在輸電導線中特稱舞動。

關鍵詞：輸電線路導線；舞動

當流體流過物體的表面時會產生激勵。則會導致物體振動。流體的速度、性質、流動方向、物體截面積形狀等因素將影響激勵的大小、性質。通過物體的流體將引起顫動、卡門渦和馳振三種振動。其中卡門渦、馳振是輸電導線中兩種常見的振動。其特性是由空氣中對流的速度和導線的結構決定。馳振在輸電導線中特稱舞動。

1 舞動概念和形態

導線在風和覆冰的條件下、形成非圓截面的覆冰，進而形成大幅度和低頻率的振蕩，叫自激振動。通常在0.1～3HZ以內，振幅相當于對應導線直徑的5～250倍左右。輸電導線的覆冰橫截面常為翼狀形，在風和冰的激勵作用下，會產生低階大振幅的共振，若發生在架空高壓輸電線路上，則大跨越檔距導線舞動的幅度有可能會達到數十米，正是因為覆冰導線振動起來像龍舞，所以稱之為舞動。覆冰導線的舞動是一種頻率低、振動幅度大，舞動形態不規則，一般表現為三種：（1）橫向振動。（2）繞兩端輸電桿塔的固定點自由擺動，這個主要發生在大跨越檔間的導線。（3）導線繞著覆冰輸電線路的軸線的自我扭轉振動。

2 覆冰導線舞動形成因素

覆冰輸電導線舞動是流體耦合振動中較復雜的一種，影響導線舞動的因素很多，但常見的有以下三種：導線覆冰、風的激勵和線路自身因素。

1）導線覆冰。輸電導線的舞動常發生在2～50mm覆冰厚度的導線上，導線覆冰形成有三個必備條件：a.空氣濕度在85%以上；b.溫度在-5～0℃之間；c.風速大于1m/s。2）風的激勵。穩定的風激勵也是形成舞動的必要因素，在冬季，冷暖氣流的交匯，較強的風力，是導線舞動更易形成。江河、湖泊和平地等類似開闊地放和山谷、風口地區是比較容易發生舞動的地帶，這是由于以往在風洞實驗研究中發現垂直線路的風分量越大，對覆冰導線的激勵效果越好，導線升力也越大，更易使系統失穩，而產生舞動。3）線路結構與參數。除了以上兩個外界因素，輸電線路本身的結構也容易導致導線舞動的發生，包括：導線的類型、橫截面積和檔距。a.分裂導線一般比單導線更容易發生舞動。b.截面大的導線更容易舞動。c.線路檔距越長其扭轉剛度越大，在風激勵下的扭轉角要小，也易形成翼型覆冰，同樣升力也大和扭矩也越大，就增大了覆冰導線發生舞動的可能。

3 覆冰導線舞動的機理

3.1 橫向馳振機理

在冰和風激勵下，圓截面的物體會激發頻率為ωs的渦致振動，而非圓截面的結構物則會產生兩種不同類型的振動：1）振動頻率等于結構固有頻率的馳振（流體流速較低時）；2）頻率偏離結構固有頻率的失速顫振（流體流速較高時）。

1）橫向馳振穩定性。截面、參數一般都來源于結構物的風振，和真實覆冰導線的截面有差距。并且覆冰導線的風動參數還沒有準確性，在上世紀八十年代末的湖北中山口大跨越導線舞動，有專家結合課題研究的需要，進行了部分橢圓覆冰斷面和扇形的風動模擬試驗，并得出了一部分風動參數。這個試驗對有關研究工作有很重要的作用。另外，也有國外專家做了相關導線覆冰斷面的試驗，但由于覆冰的隨機、復雜情況，這些參數對舞動的研究需要有很大差距。2）橫向馳振響應。從馳振過程的反饋機制可以看出，馳振是一個能量的積聚過程。在馳振過程，由于風激勵對導線產生能量，并且這個能量是不斷變化的，并輸入系統。在舞動的過程中能量不斷增加，達到積累。這些除了一部分用于能量隨時間的耗散，剩余的能量都將增大振動的幅度。3）激發模式-鄧哈托舞動。該機理認為：覆冰的非圓截面被風吹向時，會有阻力和升力的合作作用于輸電線路覆冰導線。當升力變化率負值小于阻力時，輸電線路覆冰導線截面才是穩定的。

3.2 扭轉馳振機理

扭振是這種類型的舞動一個關鍵因素，只要可以改變系統的扭振特性，即ωθ≠ωy，或者是扭振自激能夠被抑制。這種舞動便可抑制，這就是尼戈爾模式。

3.3 慣性耦合激發機理

除了橫向激發模式和扭轉激發模式外，還存在第三種由于偏心慣性影響的慣性激發模式。由于在風激勵下，慣性使攻角發生變化，木板向上運動，由相關的模型可知攻角θ會使升力F發生變化，由于升力與是同一個方向，將會增大對振動系統的干擾，并加劇橫向振動，在這個過程中，不斷積累能量，導致系統失穩而形成舞動。由于導線舞動情況的復雜，且由于環境中各個因素的不確定性，如風速、雨量、溫度和不同的覆冰形狀和厚度，使得舞動模式存在不確定性，同一地區不同時段或不同線路也可能出現不同模式的舞動。在上述的三種激發模式中，其中鄧哈托模式和尼格爾模式的起舞條件不同，哪種模式的自激條件先達到，哪種舞動就先出現，上面的三種舞動激勵是迄今為止最主要的研究成果。

4 小結

本章對物體振動的不同類型進行了說明，并闡述了導線舞動的基本概念，同時也對導線舞動形成的因素也做了重點分析。首先對物體振動的不同類型進行了說明，振動分為卡門渦、顫動和馳振三種，并對這三種振動的原理進行了分類說明；其次在由馳振的一種特殊形式引出了舞動的基本概念，也說明了導線舞動的三種形態及其主要的表現形式。再對舞動形成的主要因素做了詳細的分類說明，主要由于輸電線路由于雨雪天氣的覆冰、風激勵和輸電線路自身的線路結構因素。最后對導線舞動的機理進行了重點分析。

參考文獻：

[1] 甘鳳林，李光輝.高壓輸電線路施工[M].北京.中國電力出版社.2008第一版.

[2] 孟遂民，孔偉.架空輸電線路設計[D].北京.中國電力出版社.2007年第一版.

作者簡介：彭永洪（1987-），研究方向：變電一次檢修技術；馬強（1981-），研究方向：變電二次檢修技術；田興瑞（1987-），研究方向：電氣試驗。