輸電線路導線覆冰舞動機理討論與研究

李小平 任永良

摘 要：本文首先通過對物體振動的不同類型進行說明，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分類說明；其次在由馳振的一種特殊形式引出舞動的基本概念，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。

關鍵詞：振動；舞動；機理

1 物體振動概述

激勵是由于有流體流過物體的表面時產生。這樣的激勵起物體的振動。流體決定激勵的大小、性質，包括流體的流速、性質、流體的流動方向和物體的截面狀態。 流體流過物體時引起的振動有三種主要類型，包括顫動、卡門渦和馳振。

1）卡門渦：由流體在物體表面后方形成的漩渦。它會因為交替脫落會在物體表面產生一個激勵力，而且這個力是交替變換的，物體將被引起振動，這就是 通常意義說的卡門渦振動，在輸電線路的研究中的微風振動就是卡門渦振動的范圍。

2）失速顫振：失速顫振是一種自激振動。機翼的表面被高速氣流流過，這時候機翼表面將會產生扭振，翼面上的橫向振動互相耦合產生振動。由于在失速顫振中，空氣動力可以達到結構振動的恢復力的大小，所以振動頻率不是物體的自然頻率，因此這種不同于舞動的頻率漂移現象是失速顫振的特點。

3）馳振（舞動）：當較高速度的流體流過非圓截面的物體表面時產生一種自激振動，這是振動稱為馳振。但這種振動中流體的速度要遠低于失速顫振流體的流速。

2 舞動概念和形態

導線的舞動是導線在覆冰和風的條件下、形成非圓截面的覆冰導線在其激勵下形成的大幅度、低頻振蕩，稱為自激振動。自激振動的頻率通常在0.1～3HZ以內，然而振幅大致是相當于對應的導線直徑5～250倍左右。

輸電線路的覆冰橫截面通常呈翼狀形，在冰和風激勵下，輸電導線會因為力的作用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。

覆冰導線的舞動實質上是一種低頻率、大幅度振動，它舞動起來形態不規則，根據實驗觀察發現，一般有三種形態：

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。

3 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。

3.1 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：1）空氣濕度在85%以上；2）溫度在-5～0℃之間；3）風速大于1m/s。

當導線的剛度大時，由于冰風的環境，會在導線的表面形成一層覆冰。這些覆冰在導線上的形狀不均勻。一般會形成扇形、D形和新月形等不規則覆冰形狀。這些覆冰導線的橫截面的不規則形狀對舞動過程有很大的影響，因為它們具有較強的空氣動力性能，因此當有風時，導線舞動很容易發生。

3.2 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。

3.3 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。1）分裂導線一般比單導線更容易發生舞動。分裂導線由于導線間存在間隔棒，其扭轉剛度比單導線覆冰時扭轉剛度大的多，當有風時，分裂導線的風激勵產生的升力、扭轉轉矩也要大很多，導致更易發生舞動，在實際的超高壓線路中，分裂線路產生的舞動事故高達23%。2）截面大的導線更容易舞動。因為導線的橫截面積越大，導線的相對扭轉剛度就越大，扭轉角就越小，覆冰更容易形成翼型，有風的激勵時，產生更大的升力和扭矩。同時隨著我國電力的發展，多分裂和大截面的導線被越來越廣泛的應用在輸電線路中，舞動的可能性也越來越大。3）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。

4 覆冰導線舞動的機理

4.1 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）；這是由于空氣動力增大，幾乎可以達到結構的質量慣性力、彈性恢復力的大小。由于輸電線路由于本身結構是柔性，同時自然風速度不夠高，所以在通常情況下有產生渦致振動的可能，或在覆冰后產生馳振的可能。

根據輸電導線的振動的兩種模式：橫向振動與扭轉振動，再結合這兩種模式可能出現的耦合，可分三種情況：1）橫向馳振穩定性；2）橫向馳振響應；3）激發模式-鄧哈托舞動。

4.2 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，可知攻角會使升力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。

作者簡介

李小平（1981-），國網四川省電力公司西充縣供電分公司，研究方向：電力系統。

任永良（1986-），國網四川省電力公司西充縣供電分公司，研究方向：電力系統。