超特高壓輸電線路覆冰舞動機理及其防治技術

嚴翔

摘要：我國超特高壓輸電線路建設方興未艾，在新的電網建設形勢下輸電線架設環境將更為復雜，線路走廊將不可避免地遇到易舞的氣象環境，如何有效防治超特高壓輸電線路在覆冰環境下的舞動是亟待解決的問題。因此，在進一步完善舞動機理、提高舞動判據準確性的基礎上，深入研究超特高壓輸電線路經濟可靠的舞動防治技術具有強烈的緊迫性和十分重要的理論、應用意義。

關鍵詞：高壓輸電線;路覆冰舞動機理;防治技術

輸電導線舞動現象，多發生于開闊地帶。對于輸電線路而言，大截面、多分裂導線較于大截面、單分裂導線更易舞動。舞動發生時，全檔架空線路會發生大幅度波浪式振動。長時間大幅度的舞動容易引起金具損壞、相間閃絡，導致倒塌或者線路跳閘等重大事故，從而造成重大經濟損失。

1 舞動機理介紹

影響舞動的主要因素包括覆冰、風和線路結構。 輸電導線舞動的數學模型，通常可分為如下3 種。（1）單自由模型。這是一種與Den Hartog垂直舞動機理相對應的模型，通常只考慮輸電導線的豎向振動。（2）二自由模型（包括兩種），一是考慮輸電線路的豎向振動和水平擺動二者相互耦合的情況，二是基于 O.Nigol扭轉舞動機理，考慮豎向振動和軸向扭轉相互耦合。（3）三自由度模型。這種模型通常需考慮垂向振動、水平擺動和軸向扭轉三者相互耦合的情況。

2 覆冰舞動的防治措施

2.1 輸電線路規劃設計

2.1.1 規避舞動區域

由于每年冬春季節，南下的冷空氣與北上的暖濕氣流在東部、華北和華中地區交匯，所以形成了一條南起湖南，北至吉林的“舞動帶”。由于微地形的差異，不同區域發生舞動強度存在差異，根據舞動發生頻率法和舞動系數法對湖北、安徽、河南和遼寧的部分地區繪制了舞動地圖。舞動地圖的繪制精度是以地級市為單位，可以作為線路規劃設計和運行提供參考。在輸電線路路徑選擇時，還需要結合地形、地貌和氣象條件，避開凍雨雪頻繁的地區、易形成持續穩定氣流的地區。

2.1.2 改變線路設計

舞動發生過程中會對金具、絕緣子、線夾等設備產生破壞，提高輸電線路的電氣和機械設計強度，將會減少舞動造成的電氣和物理故障。對影響舞動幅值的線路結構和參數，選擇舞動幅值較小的結構和參數。如在設計時采用導線水平排列、雙回塔改變各相排列等方式保證線間最小安全距離，可以減小危害;將分裂導線用單根導線替代;分裂導線取消間隔棒，采用垂直或水平排列。由于不可能完全繞開舞動發生區域，且設計標準的提高會降低輸電線路建造的經濟性，輸電線路規劃設計的方法只能減少輸電線路舞動的概率，并不能從根本上避免舞動的發生。

2.2 導線舞動抑制

2.2.1 改變空氣動力特性

改變導線的外形，可以改變導線受到的空氣驅動力，從而不利于舞動的發生。主要地改變空氣動力特征的方法有： 1）氣流干擾線。在導線上安裝一段螺旋形的 干擾線，產生連續改變氣流的截面，破壞垂直振動或扭轉振動的發生條件。2）防舞動片。防舞動片是一塊長高比為1.5的鋁（鐵）片，其在收到風作用后會帶動導線扭轉，使防舞動片附件的導線覆冰較圓。在導線上安裝多個防舞動片，使一檔導線的覆冰形狀和升力有很大差 別，相互干擾抑制舞動。3） 氣動阻尼器。氣動阻尼器是固定在導線下，由凹形板組合成的增加受風面積的裝置。阻尼器中的凹槽使其在風的作用下具有較大的阻力，使升力曲線具有正斜率，從而抑制舞動。

2.2.2 改變線路結構特性

改變線路的結構特性可以改變導線自身的振動頻率，使不同自由度上的振動難以耦合，從而減少或防止舞動的發生。根據垂直激發和扭轉激發理論，舞動的起因是由垂直或扭轉振動引起，舞動抑制的方法也是從這兩個方面進行設計。1） 改變扭轉振動頻率。失諧擺是一個具有一定質量和臂長的重錘，當其安裝在導線下方時，將會增加導線覆冰后的轉動慣量，改變導線扭轉振動的固有頻率，并與導線垂直振動頻率分離，從而阻止扭轉振動激發舞動。 與失諧擺防舞原理類似的還有雙擺防舞器。偏心重錘是重心可以變化的重物。在安裝了偏心重錘的導線向上運動時，偏心重錘會產生一個向下的慣性力，這將抵消部分導線上的升力，偏心重錘隨導線的扭轉還會產生抑制扭轉的扭矩，抑制導線的扭轉，從而減小舞動的幅值。2） 改變垂直振動頻率。重錘是在導線上懸掛的具有一定重量的物體，針對的是舞動中的垂向振動。重錘自身具有較大重量，可以抵消風激勵產生的升力，并改變導線的垂直 振動固有頻率;將重錘裝在波腹或接近波腹處，可以使舞動的半波數增加，從而 減小舞動的垂直振幅。

3.3 線路除冰

線路除冰并非專門針對舞動進行研究，但在除冰后能夠有效降低覆冰舞動的可能性，本節對線路除冰技術進行簡單介紹。短路電流融冰和直流電流融冰法可以應對覆冰厚度較大的情況，都需要將線路停運，且需修改保護定值，對系統穩定性影響較大，短路電流融冰過程中需要大量的無功率，對 500kV及以上線路不適合，直流電流融冰能夠應對所有等級線路，但其控制較為復雜;潮流融冰法可以無需斷開線路，但其無法應對覆冰較厚的情況和避雷線覆冰;高頻電壓除冰過程中會產生高頻電磁波，對通信產生影響，會產生諧波，影響電網穩定性;激光除冰受制于激光功率，在復雜地形下設備也難以到達。機械除冰方法目前只有滑輪鏟刮法在實際中得到應用，但只能針對低電壓等級停運的輸電線路。

結束語：

覆冰舞動會對輸電線路的安全穩定運行造成嚴重影響。舞動監測技術、除冰技術和安全穩定防御技術可以為舞動的防治提供補充，需要對每種技術及相互協調配合方法進行研究。

參考文獻

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