河北省南部電網(wǎng)輸電線路舞動分析及風(fēng)險評估

高 志，何瑞東，賈伯巖

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

架空輸電線路舞動是危害輸電線路安全穩(wěn)定運行的一種嚴(yán)重災(zāi)害，往往造成線路閃絡(luò)跳閘、金具及絕緣子損壞、導(dǎo)線斷股斷線、桿塔螺栓松動脫落、塔材損傷、基礎(chǔ)受損等故障，嚴(yán)重時可能造成倒塔事故。河北省南部保定、石家莊、邢臺、滄州、衡水和邯鄲6個地區(qū)并非傳統(tǒng)意義上的易舞區(qū)，據(jù)調(diào)查，2000年邯鄲地區(qū)曾發(fā)生范圍較廣的輸電線路覆冰舞動，造成220 kV夏武線跳閘。但是，近年來河北省南部地區(qū)低溫、雨雪等惡劣天氣頻發(fā)，使輸電線路覆冰舞動成為嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運行的因素之一。

1 輸電線路舞動情況

2010年初，河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)發(fā)生歷史罕見的大范圍輸電線路舞動，舞動發(fā)生地域廣、持續(xù)時間長、破壞強，主要集中在滄州、邯鄲地區(qū)，涉及多條高壓、超高壓輸電線路。

1.1 滄州地區(qū)

2010年1月19日晚至20日，河北省滄州地區(qū)為雨夾雪天氣，降水量為3.2 mm，平均溫度為0.2 ℃，相對濕度85.3%,風(fēng)向為東北風(fēng)，風(fēng)力7～8級，平均風(fēng)速3.7 m/s，最大瞬時風(fēng)速9.2 m/s。惡劣天氣導(dǎo)致東驊Ⅰ、Ⅱ線，黃濱Ⅰ、Ⅱ線等500 kV線路及多條220 kV線路發(fā)生舞動，經(jīng)現(xiàn)場觀測，舞動線路區(qū)段與風(fēng)向夾角均大于45°。東驊Ⅰ、Ⅱ線及黃濱Ⅰ線故障停運，故障線路均為同塔雙回架設(shè)，導(dǎo)線垂直排列。500 kV滄驊Ⅰ、Ⅱ線黃驊站出口附近區(qū)段出現(xiàn)小幅舞動，但未造成線路故障跳閘。滄州黃驊地區(qū)8條220 kV線路和10條110 kV線路，共約144檔導(dǎo)線發(fā)生舞動，持續(xù)時間近10 h，造成線路桿塔螺栓松動脫落、防振錘跑位、導(dǎo)線損傷等缺陷。

1.2 邯鄲地區(qū)

2010年2月28日，受冷空氣和暖濕氣流共同影響，河北省南部和山東中北部地區(qū)出現(xiàn)雨夾雪或小到中雪天氣，降水量2.6 mm，平均溫度0.5 ℃，平均濕度86.8%，風(fēng)向為北風(fēng)，風(fēng)力7～8級，平均風(fēng)速5.5 m/s，最大瞬時風(fēng)速8.8 m/s。惡劣天氣造成華北山東聯(lián)網(wǎng)辛聊Ⅰ、Ⅱ線和黃濱Ⅰ、Ⅱ線發(fā)生舞動跳閘29次，導(dǎo)致山東電網(wǎng)與華北主網(wǎng)解列。500 kV辛聊Ⅰ、Ⅱ線導(dǎo)線劇烈舞動，造成多起跳閘，多處桿塔和導(dǎo)線受損。舞動線路均為同塔雙回線路，導(dǎo)線采用四分裂垂直排列形式。發(fā)生舞動線路均處于平原開闊地帶、東西走向，與舞動時的風(fēng)向基本垂直。

2 輸電線路舞動影響因素分析

輸電線路舞動是由于導(dǎo)線、地線發(fā)生偏心覆冰后，在風(fēng)的激勵作用下產(chǎn)生的一種低頻率(約0.1～3 Hz)、大振幅(可達10 m以上)自激振動現(xiàn)象。舞動的形成主要取決于覆冰、風(fēng)激勵和線路結(jié)構(gòu)參數(shù)三方面因素。

a. 覆冰。線路不均勻覆冰是舞動的必要條件之一。覆冰多發(fā)生在風(fēng)作用下的雨淞、霧淞、霜淞及濕雪堆積于導(dǎo)線的氣象條件下，其中雨淞是導(dǎo)線覆冰舞動最具威脅性的天氣。通常先雨后雪，氣溫驟降(由零上降至零下)，并伴隨大風(fēng)，導(dǎo)線極易產(chǎn)生偏心覆冰，改變了導(dǎo)線空氣動力特性，從而誘發(fā)舞動。

b. 風(fēng)激勵。舞動離不開風(fēng)的激勵，其形成與風(fēng)速、風(fēng)向以及流態(tài)等因素直接相關(guān)。冬季及初春季節(jié)，冷暖氣流的交匯引起的風(fēng)力較強，處于地勢平坦開闊、水面及風(fēng)口等地區(qū)的輸電線路，在導(dǎo)線不均勻覆冰的情況下，風(fēng)速適當(dāng)(4～25 m/s)、且風(fēng)向與線路走向的夾角較大(通常大于45°)時，易產(chǎn)生舞動。由于我國冬季的主導(dǎo)風(fēng)向以北風(fēng)或偏北風(fēng)為主，本次發(fā)生舞動線路大多為東西走向。

c. 線路結(jié)構(gòu)參數(shù)。線路結(jié)構(gòu)參數(shù)對舞動的形成也有重要的影響，相關(guān)參數(shù)主要包括導(dǎo)線的類型(分裂導(dǎo)線或單導(dǎo)線)、張力、弧垂、檔距、塔線連接方式以及導(dǎo)線的特性參數(shù)等。 從國內(nèi)外的統(tǒng)計資料來看，在相同的環(huán)境、氣象條件下，分裂導(dǎo)線要比單導(dǎo)線容易產(chǎn)生舞動，大截面的導(dǎo)線要比常規(guī)截面的導(dǎo)線易產(chǎn)生舞動。

3 河北省南部地區(qū)氣象、地理特征

3.1 氣象

通過對1980年至2009年近30年間河北省南部地區(qū)94個氣象觀測站的雨凇、霧凇、溫度、濕度、降水、風(fēng)(10 m高度)資料的全面分析，可以獲得較為準(zhǔn)確的河北南部雨(霧)凇、風(fēng)向等典型分布及變化趨勢。

3.1.1 霧凇分布

霧凇是低溫時空氣中水汽直接凝華，或過冷霧滴直接凍結(jié)在物體上的乳白色冰晶沉積物[1]。河北南網(wǎng)霧凇集中出現(xiàn)在12月至翌年2月，主要分布于太行山東麓平原，中心位于邯鄲東部、邢臺中部、石家莊、保定東部一線，西部山區(qū)最少。霧凇發(fā)生時靜風(fēng)頻率最高，平均風(fēng)速較小，僅為1.3 m/s。平均溫度為-3.3 ℃，平均相對濕度為84.6%，易形成粒狀霧凇導(dǎo)致線路覆冰，但由于霧凇發(fā)生時，風(fēng)速較小，產(chǎn)生舞動風(fēng)險相對較小。

3.1.2 雨凇分布

雨凇是過冷卻的液態(tài)降水(凍雨)碰到地面物體后直接凍結(jié)而成的毛玻璃狀或透明的堅硬冰層，外表光滑或略有隆突。河北南網(wǎng)雨凇集中出現(xiàn)在12月至翌年2月，其分布趨勢為平原多于山區(qū)，邢臺、邯鄲為雨凇日數(shù)最多的區(qū)域，滄州、衡水次之，保定、石家莊最少。雨凇發(fā)生時，氣溫在-4～0 ℃，相對濕度在90%～100%的概率最大，且雨凇發(fā)生時風(fēng)速較大，平均風(fēng)速達到6 m/s，在風(fēng)的作用下極易引起導(dǎo)線的不均勻覆冰。

統(tǒng)計表明，發(fā)生雨凇天氣過程中，北、東北方向的風(fēng)出現(xiàn)概率最大，分別占總數(shù)的19.6%和12.9%，與西北-東南走徑的輸電線路夾角幾乎垂直，風(fēng)激勵的作用較強，舞動發(fā)生的風(fēng)險級別很高。由于雨凇易引起導(dǎo)線的不均勻覆冰，同時雨凇發(fā)生時風(fēng)的激勵作用較強，因此，雨凇引起輸電線路覆冰舞動的風(fēng)險相對較高，對處于雨凇易發(fā)區(qū)線路應(yīng)重點加強防舞措施。

3.1.3 線路舞動多發(fā)季節(jié)的風(fēng)向

風(fēng)的激勵作用是引起線路覆冰舞動的重要因素，特別是風(fēng)向與線路走徑的夾角，是分析線路舞動風(fēng)險的重要依據(jù)[2]。為此，對河北南網(wǎng)12月至翌年2月易發(fā)生舞動各區(qū)域雨霧凇發(fā)生時的風(fēng)向進行分析，其中邯鄲、邢臺東部地區(qū)風(fēng)向多為南風(fēng)，衡水、滄州地區(qū)風(fēng)向多為南風(fēng)、西南風(fēng)，保定東南部、石家莊東部南風(fēng)、偏南風(fēng)居多，其他區(qū)域風(fēng)向比較復(fù)雜。

3.2 地形

河北南網(wǎng)覆蓋石家莊、邢臺、邯鄲、保定、滄州和衡水6個地區(qū)。河北省南部地區(qū)地勢西北高、東南低，由西北向東南傾斜。西部地區(qū)位于太行山山脈，屬于山地地貌類型，海拔多在2 000 m以下；東部平原區(qū)是華北大平原的一部分，平均海拔不足50 m。滄州地區(qū)瀕臨渤海，沿海地區(qū)多濕地；河道和湖泊主要分布在保定和衡水地區(qū)，較大的有白洋淀、衡水湖等。

河北南網(wǎng)易發(fā)生舞動的輸電線路主要位于華北平原中南部，該地區(qū)東部瀕臨渤海，冬春交替之際，內(nèi)陸冷氣團與海洋濕潤氣團在該區(qū)域交匯，由于密度原因，容易形成海洋濕潤氣團在上，內(nèi)陸冷氣團在下的逆溫現(xiàn)象，易發(fā)生霧凇、雨凇或凍雨。滄州發(fā)生舞動的黃驊市東部及南部、黃驊港、南大港、鹽山、孟村等地區(qū)地勢平坦開闊；邯鄲發(fā)生舞動的肥鄉(xiāng)、館陶地區(qū)處于開闊的平原地帶，均是易發(fā)生凍雨的地區(qū)，且由于地勢開闊，易形成穩(wěn)定的風(fēng)激勵。

4 舞動風(fēng)險分極及區(qū)域劃分

舞動故障分析和相關(guān)研究表明，導(dǎo)線不均勻覆冰和風(fēng)向風(fēng)速構(gòu)成的冰，以及風(fēng)條件是影響舞動形成的一個關(guān)鍵因素[3]。因此，河北南網(wǎng)舞動風(fēng)險劃分主要建立在舞動多發(fā)氣象過程——凍雨(雨霧凇)發(fā)生頻次區(qū)域劃分基礎(chǔ)上，主要考慮雨凇分布特征、線路舞動頻次、霧凇分布特征、風(fēng)速風(fēng)向、導(dǎo)線積冰概率、運行經(jīng)驗、地形地貌和地質(zhì)特征，各因素的影響程度由前至后依次遞減。經(jīng)綜合評估按舞動風(fēng)險從低到高劃分為零級舞動區(qū)、一級舞動區(qū)、二級舞動區(qū)和三級舞動區(qū)4個等級，劃分標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域如下。

4.1 零級舞動區(qū)

按照舞動頻次法，近10年未發(fā)生過舞動的線路區(qū)域；按照凍雨氣象頻次，近30年間雨凇天數(shù)小于10天的區(qū)域；處于山區(qū)、丘陵地形，或地形地貌較為復(fù)雜，不易形成穩(wěn)定風(fēng)向風(fēng)速，或遠離河流、湖泊等水域的區(qū)域。該級區(qū)域包括保定東北部，石家莊西北部，邢臺西北部，邯鄲西部，衡水東南、中部等地區(qū)。

4.2 一級舞動區(qū)

按照舞動頻次法，近10年以來發(fā)生過1～2次舞動的線路所在區(qū)域；按照凍雨氣象頻次，近30年間雨凇日數(shù)大于10天、小于20天的區(qū)域；鄰近發(fā)生過舞動線路地區(qū)，且地形、氣象條件與鄰近地區(qū)基本相似的區(qū)域，及靠近河流、湖泊等水域地區(qū)。該級區(qū)域包括保定西南部，石家莊東南部藁城、寧晉，邢臺東部平鄉(xiāng)、隆堯，邯鄲東部，衡水西南、東北等地區(qū)。

4.3 二級舞動區(qū)

按照舞動頻次法，近10年以來發(fā)生過3～4次舞動的線路所在區(qū)域；按照凍雨氣象頻次，近30年間雨凇日數(shù)大于20天的區(qū)域；鄰近發(fā)生過舞動線路地區(qū)，且地形、氣象條件與鄰近地區(qū)基本相似的區(qū)域，靠近河流、湖泊等水域地區(qū)。該級區(qū)域包括滄州東部黃驊、海興，邢臺東北部巨鹿、南宮，邯鄲東部魏縣、廣平、肥鄉(xiāng)等地區(qū)。

4.4 三級舞動區(qū)

按照頻次法近10年以來發(fā)生過5次及以上線路舞動的區(qū)域。由于河北南網(wǎng)尚未有5次及以上線路舞動的線路區(qū)域，因此沒有劃分三級舞動區(qū)域。

5 防舞動建議

一級舞動區(qū)內(nèi)線路防舞動改造時，一般只加裝防舞動裝置。二級舞動區(qū)內(nèi)線路防舞動改造時，應(yīng)對舞動區(qū)段加裝防舞裝置，必要時可采用組合防舞措施。對耐張塔、緊鄰耐張塔的直線塔和重要交叉跨越段鐵塔的橫擔(dān)和主材連接部位進行防松改造。三級舞動區(qū)內(nèi)線路防舞動改造時，應(yīng)采用綜合改造措施。如：線路跨越主干鐵路、高速公路等重要跨越物時，宜對跨越方式進行改造，采用耐-直-直-耐的跨越方式，臨近被跨越物桿塔采用直線塔；500 kV線路重要交叉跨越段耐張塔可改造為鋼管塔；可適當(dāng)加大瓷或玻璃懸垂絕緣子串的聯(lián)間距；對線路耐張塔、緊鄰耐張塔的直線塔和重要交叉跨越段鐵塔進行全塔防松改造；加強對舞動區(qū)線路運行情況的監(jiān)測，分區(qū)域、有選擇地安裝舞動在線監(jiān)測裝置。

參考文獻：

[1] 劉熙明，許愛華．降雪與凍雨天氣研究回顧[J]．氣象與減災(zāi)研究，2008，31(4)：59-63．

[2] 丁錫廣，陶文秋.減輕送電線路線路舞動災(zāi)害的措施[J]．高電壓技術(shù)，2004，30(2)：54-55．

[3] 郭鹿龍，李圍興，尤傳永．輸電線路舞動[M]．北京：中國電力出版社．2003．