架空輸電線路防舞設計關鍵問題探討

竇婷婷，李子揚，陳仁剛，馬 芳

（1.山東職業學院，山東 濟南 250100；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100；3.國網山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

隨著近年來超高壓、特高壓線路的增多，舞動現象時有發生，輸電線路導、地線覆冰后如發生舞動、脫冰跳躍現場，造成電線斷線、相間閃絡、繼電保護動作，嚴重時甚至造成線路跳閘斷電、桿塔傾覆，給電力系統的安全、穩定運行帶來極大危害，給居民用電、企業安全生產帶來不利影響。所以，如何在設計階段，采用避舞、防舞或抗舞的措施，對后續的舞動災害防治起到事半功倍的效果，是電網建設必須重點考慮的問題。分析防舞設計的關鍵問題，并給出了差異化防舞設計措施，為今后其他輸電線路防舞設計提供參考。

1 防舞設計依據

目前的防舞設計依據主要包括Q/GDW 1829—2012《架空輸電線路防舞設計規范》［1］、國家電網十八項反措以及各個省區域的電網舞動分布圖等。

架空輸電線路的防舞設計流程，一是根據最新版的舞動分布圖，結合已建線路的運行經驗，確定線路途經區域的舞動級別；二是根據舞動的級別和防舞設計規范，在路徑選擇避讓、提高導線、金具、桿塔及基礎強度、加裝防舞措施等方面，給出具體的防舞設計措施。

雖然設計規范給出了防舞設計的基本原則，但涉及具體細節，須結合工程實際、地域地形和氣象特點，采取相應的防舞設計措施［1-4］。

2 舞動分布圖及舞動設防等級

一般根據綜合氣象數據和地形起伏度數據的氣象地理法進行舞動級別區域劃分：根據10 年內的覆冰舞動總次數，得出基于氣象數據的舞動分布圖；結合地形起伏度數據，得出不同發生舞動概率的舞動分布圖；結合已建線路的歷史舞動數據對舞動分布圖進行修正，得出區域的舞動分布圖。

原則上，舞動分布圖需要定期動態更新，以指導防舞設計。目前，山東電網的舞動分布圖發布至2016 年版，即將更新至2020 年版。

舞動區等級由強到弱可分為3 級、2 級、1 級和0級舞動區共4 個等級。防舞設計一般根據舞動分布圖的舞動區等級、線路走向、所經地形、導線結構和參數等多方面綜合考慮，確定舞動設防等級［1］。

3 舞動的影響因素

造成電力線路舞動的原因很多，一般歸納為氣象條件、地理位置、線路特點等方面。其中，氣象條件主要是指導線的覆冰多少、風速大小與風向等；地理位置主要指電力線路所經區域的地形與地勢；線路特點主要是指路徑、導線和地線型號、桿塔塔頭布置、金具選型等［4］。

3.1 覆冰和風速

覆冰大小是引起線路舞動的關鍵性原因，風激勵是引起導線舞動的最主要原因。

覆冰舞動氣象條件需要輕微覆冰和較大風速同時存在，覆冰厚度通常為0～10 mm，舞動風速通常為5～10 m／s，風速在15 m／s 以上時通常不會發生舞動。

3.2 地形與地勢

經驗表明，舞動一般多發生在平原開闊地帶。地形平坦開闊，周圍屏蔽物較少，風速較大且比較穩定，風向也比較固定，這種情況下更有利于線路舞動的發生。

3.3 線路走向

根據蘇聯研究成果，線路舞動時，大多發生在線路走向和風向的夾角大于45°。經統計，有舞動記錄的輸電線路中，線路走向與風向的夾角大于45°的占90%以上。根據運行單位記錄和反饋，曾有位于舞動嚴重區域的輸電線路，在與風向夾角較大 （接近垂直）的區段內大部分均發生舞動現象，但相鄰較近且與風向夾角較小（小于45°）的區段內卻沒有發生舞動，此條線路所經的地形、氣象條件、導線型號等設計參數均相同，因此輸電線路的路徑方案對導線是否發生舞動起著關鍵作用。

3.4 微地形微氣象區識別

線路舞動常發生在導線覆冰時，覆冰和積雪會引起輸電線路的斷線、倒塔、閃絡等電力事故，而大風易引起線路跳閘、斷線、倒塔、導線舞動等電力事故，微地形微氣象常是引起輸電線路覆冰加重、區域風速加強的主要原因。

微地形是小尺度地域分異的基本因素。微氣候主要指地面氣層的溫度、濕度和風速等的綜合狀況，微地形主要指地形、地貌、植被分布、地質情況、線路環境。微地形與微氣候息息相關，微氣候的不同特點，是由于熱源和濕源的湍流變換因地形的差異而造成的不同結果。根據地面不同的起伏趨勢和形態的差異，微地形也分為多種。

對輸電線路影響較大的氣象因子是覆冰、大風及雷電。因此，在輸電線路所經過地區中，易發生導線覆冰、大風、雷擊的部分地段，其氣象特征值超過該地區其他線路段的氣象條件設計值，可能危及線路安全運行，這部分地段即為線路設計中的微地形、微氣象點。在實際輸電線路路徑中微地形可能很復雜，既可能是單一型，也可能是復合型；有些容易辨認，有些需要結合周圍地形及地理環境情況仔細觀察才能辨認出來。常見微地形如表1 所示。

4 防舞裝置的主要種類及主要防舞措施

4.1 防舞裝置選擇原則

隨著運行監測手段的不斷發展，對輸電線路故障的記錄和分析也有了改進提升，對不同原因引起的輸電線路故障更容易區分。其中由舞動導致線路故障的記錄越來越詳細，包括舞動發生的區域、線路電壓等級、路徑走向、地形條件等，根據分析記錄得到的結果研制出具有不同特性、適用不同線路的多種防舞裝置。

現行防舞措施主要包括三類： 根據氣象及地形條件，避開易于形成線路舞動的覆冰區域；從桿塔塔頭布置、金具選型、導地線選擇等方面考慮，加強線路抵抗舞動的能力；通過加裝附件，改變原有線路的設計條件，根據線路所經區域和自身特點，差異化加裝各種防舞裝置，從而抑制舞動的發生。防舞裝置主要包括相間間隔棒、線夾回轉式間隔棒、雙擺防舞器、動力減振器、失諧擺、偏心重錘等，對線路舞動有抑制作用［4-7］，如表2 所示。

表1 常見微地形分類

表2 防舞裝置及其主要特性

4.2 山東電網220 kV 和500 kV 線路主要防舞措施

根據舞動等級的劃分和相關要求，在0 級舞動區無須采取防舞措施，因此對目前山東電網220 kV和500 kV 線路在1 級、2 級和3 級舞動區主要采用的防舞措施如表3 所示。

表3 山東電網220 kV 和500 kV 線路主要防舞措施

5 安裝防舞裝置導致弧垂變化

目前輸電線路常用的防舞裝置有： 線夾回轉式間隔棒、相間間隔棒、雙擺防舞器、失諧擺、偏心重錘及動力減振器等。

其中山東電網常用的為線夾回轉式間隔棒、相間間隔棒和雙擺防舞器等。線夾回轉式間隔棒只有迎風側線夾可以回旋，難以消除全部分裂導線不均勻覆冰產生的扭轉，其防舞效果有限，適用于舞動不嚴重的1 級舞動區，其價格約為普通阻尼間隔棒的1.5 倍。相間間隔棒和雙擺防舞器在國內舞動區得到廣泛應用，防舞效果明顯。

5.1 各種防舞裝置的安裝要求

Q/GDW 1829—2012《架空輸電線路防舞設計規范》是目前針對線路防舞設計、改造所參考的通用現行標準。該規范明確規定了不同電壓等級的線路可采用的防舞裝置類型及相應安裝要求。其中，“雙擺防舞器+線夾回轉式間隔棒”防舞組合方式是目前應用較多的防舞方案，規范中明確規定該組合方式下雙擺防舞器的安裝總質量應控制在檔內導線總質量的7%左右，而且采取宏觀集中、微觀分散的方式。

5.2 防舞裝置的安裝導致導線弧垂的變化情況

現以常用的JL／G1A-630／45 鋼芯鋁絞線為例，分析輸電線路加裝（或預留）防舞裝置后引起導線弧垂變化的影響。

加裝防舞裝置，增加的重量約為整檔內導線重量的6.5%，即為

式中：g 為重力加速度，取9.807 m／s2；m 為導線單位重量，kg／m；M 為考慮防舞裝置重量后導線單位荷載，N。

根據應力狀態方程［4］和導線特性（單重按考慮防舞裝置增加后）計算，在常規10 mm 輕冰區，代表檔距559 m 以下時，導線應力的控制條件為年平均氣溫工況。氣溫為15 ℃，平均氣溫應力百分數為25%，即導線自身的平均溫工況的垂直比載乘以1.065。可求得在增加防舞裝置后，滿足導線安全系數和平均氣溫應力百分數為25%時，反推出僅有導線自重比載時的相應年平均應力百分數約為23.6%。

加裝防舞裝置后對導線弧垂的影響如表4 所示，其中測量氣溫為40 ℃，代表檔距為500 m。

由表4 可知，隨著輸電線路檔距的增大，加裝防舞裝置后導線的弧垂也相應增大，檔距在300～700 m時，加裝防舞裝置后導線弧垂增大數值不大于2.2 m。除考慮防舞裝置自身重量引起的導線弧垂增加外，還須考慮防舞裝置的高度，如雙擺防舞器的擺錘長度。

表4 導線弧垂 m

因此，輸電線路考慮增加防舞裝置時，尤其是對已建線路，必須校驗安裝防舞裝置之后導線的對地或其他交叉跨越物的跨越距離。加裝防舞裝置后在不同檔距下的對地裕度建議如表5 所示。

表5 加裝防舞裝置后對地裕度建議值 m

6 差異化防舞設計

隨著電網建設的飛速發展與極端氣象條件的頻繁出現，架空輸電線路的舞動問題已嚴重威脅電網的安全運行。因此在線路設計階段就須進行防舞設計，根據不同情況采取差異化的防舞設計方案。根據易舞動區的特征，在進行線路設計時，須進行必要的沿線舞動情況及氣象、地形條件的調查，特別注意對冬春季節氣象條件的調查。對冬季不可能覆冰的地區則無須考慮線路防舞設計。

6.1 “三跨”段的防舞設計

整個輸電線路工程除按相關規范和原則采取常規防舞措施外，“三跨”段的防舞設計為：

1）“三跨” 線路跨越點宜避開2 級及3 級舞動區，無法避開時，較一般線路段適當提高防舞設防水平。

2）跨越物兩側的桿塔采用直線塔。

3）輸電線路的雙擺防舞器、相間間隔棒、偏心重錘等防舞裝置的安裝位置應避開高速公路、高速鐵路及重要輸電通道等被跨越物。

4）當雙擺防舞器須安裝于高速公路等寬度較大的跨越物上方時，建議減少該處雙擺防舞器的安裝。

6.2 微地形微氣象區段的防舞設計

針對舞動發生的影響因素，在容易發生舞動的微地形微氣象地帶，建議局部采取如下防舞措施：

1）在0 級或較低等級的舞動區，根據導線排列方式、分裂根數等因素，考慮加裝線夾回轉式間隔棒、相間間隔棒、雙擺防舞器等防舞裝置，并在桿塔和基礎方面考慮防舞要求；

2）優化線路路徑，避免線路方向與冬春季主導風向垂直，盡量減小其夾角，必要時可局部增加轉角塔，避讓微地形微氣象區域；

3）適當提高1 級防舞設防等級。

7 結語

探討了防舞設計的關鍵問題，包括確定防舞設計依據、確定舞動設防分級、微地形微氣象的識別、加裝防舞裝置后對弧垂的影響、差異化的防舞設計等，同時介紹了山東電網輸電線路的防舞設計經驗，可為其他輸電線路防舞設計提供依據。