沿海地區(qū)輸電線路舞動(dòng)原因分析及對(duì)策

李國(guó)鵬，李治國(guó)，何瑞東，賈伯巖

(1.滄州供電公司，河北 滄州 061001；2.河北省電力研究院，石家莊 050021)

1 輸電線路舞動(dòng)情況

2010年1月19日夜晚至1月20日白天，受冷空氣影響，滄州沿海地區(qū)出現(xiàn)低溫凍雨天氣，并伴有7～8級(jí)東北風(fēng)，導(dǎo)致黃驊市東部與南部、黃驊港、南大港、鹽山、孟村等地區(qū)多條輸電線路出現(xiàn)較大幅度的覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象。此次舞動(dòng)涉及驊南線等8條220 kV線路和南周線等10條110 kV線路，共約144檔導(dǎo)線，持續(xù)時(shí)間近10 h。

根據(jù)氣象部門數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)最高氣溫1 ℃，最低氣溫-6 ℃，相對(duì)濕度大于80%，降水量1.5 mm，東北風(fēng)7～8級(jí)，瞬間最大風(fēng)速15.7 m/s。此次線路舞動(dòng)具有以下特點(diǎn)：與風(fēng)向垂直的線路導(dǎo)線成旋轉(zhuǎn)舞動(dòng)，類似跳繩旋轉(zhuǎn)，且舞動(dòng)幅度較大；與風(fēng)向夾角較小的線路，導(dǎo)線成上下波浪式舞動(dòng)，并伴有輕微左右擺動(dòng)，但舞動(dòng)幅度較小。1月20日14時(shí)，風(fēng)力開始減弱，降雨停止，線路舞動(dòng)現(xiàn)象逐漸消失。

2 線路舞動(dòng)造成的危害

2.1 主網(wǎng)損傷

此次舞動(dòng)雖然未引起線路跳閘，但長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械振動(dòng)造成線路桿塔螺栓松動(dòng)、掉落，防振錘跑位、損壞，導(dǎo)線損傷等多處缺陷，嚴(yán)重影響了線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。舞動(dòng)導(dǎo)線的線路缺陷及損傷情況見表1。

表1 舞動(dòng)導(dǎo)致的線路缺陷及損傷情況

線路名稱線路缺陷及損傷內(nèi)容220 kV于韓II線中相導(dǎo)線懸垂線夾U型螺栓傾斜3個(gè),少螺母7個(gè)220 kV韓臨I線、II線31～39號(hào)桿塔導(dǎo)線防振錘共有11處損壞220 kV驊南線44號(hào)桿塔第4節(jié)抱鐵少1個(gè)螺栓45號(hào)桿塔面向大號(hào)側(cè),右側(cè)南面第4節(jié)抱鐵少1個(gè)螺栓,爬梯松動(dòng)47號(hào)桿塔聯(lián)板3個(gè)螺栓松動(dòng),少1個(gè)連接螺栓48號(hào)桿塔第2節(jié)抱鐵少1個(gè)螺栓110 kV南周線3～4號(hào)桿塔弧垂中央下線有松股,約20 cm110 kV臨韓線15號(hào)桿塔面向大號(hào)側(cè),右側(cè)地線防振錘向內(nèi)跑位0.5 m,左線大號(hào)側(cè)導(dǎo)線防振錘跑位3 m,鋁包帶滑出19號(hào)桿塔中相導(dǎo)線,線夾出口處導(dǎo)線磨平,重錘少2個(gè)開口銷20號(hào)桿塔面向大號(hào)側(cè),中相導(dǎo)線防振錘跑位1 m,鋁包帶滑出110 kV韓邢臨II線53號(hào)桿塔中相導(dǎo)線橫擔(dān)缺少4個(gè)螺栓60～70號(hào)桿塔螺栓松動(dòng)63～64號(hào)桿塔各少1根塔材64號(hào)桿塔中串、下串鋁包帶松動(dòng)110 kV邊集牟線23號(hào)桿塔中相導(dǎo)線絕緣子均壓環(huán)脫落38號(hào)桿塔中相引流線小號(hào)側(cè)打接板處引流線松股40號(hào)桿塔中相導(dǎo)線絕緣子均壓環(huán)脫落43號(hào)桿塔面向大號(hào)側(cè)左線絕緣子均壓環(huán)脫落

2.2 配網(wǎng)損傷

20日上午，巡視人員發(fā)現(xiàn)部分配網(wǎng)線路覆冰達(dá)到2 mm，線徑為L(zhǎng)GJ-70以上的線路發(fā)生舞動(dòng)最大振幅超過2 m，造成了部分線路導(dǎo)線發(fā)生相間放電，瓷瓶?jī)A斜、斷裂，橫擔(dān)脫落，金具脫落，導(dǎo)線斷股，31條線路出現(xiàn)速斷跳閘、接地現(xiàn)象。

3 原因分析

覆冰導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)是由于導(dǎo)線裹覆不均勻的堅(jiān)冰，覆冰形狀迎風(fēng)側(cè)厚、背風(fēng)側(cè)薄，形似機(jī)翼，受風(fēng)易于浮動(dòng)，破壞了導(dǎo)線的穩(wěn)定性，誘發(fā)導(dǎo)線產(chǎn)生一種低頻率(0.1～3 Hz)、大振幅(3 m以上)的自激振動(dòng)[1]。線路舞動(dòng)時(shí)，架空線在檔距兩固定點(diǎn)間作定向波浪式運(yùn)動(dòng)，且兼有擺動(dòng)，擺動(dòng)軌跡的投影呈橢圓狀。線路舞動(dòng)的形成主要取決于導(dǎo)線不均勻覆冰情況、風(fēng)激勵(lì)和線路結(jié)構(gòu)參數(shù)3個(gè)因素。

3.1 不均勻覆冰

滄州地區(qū)東部瀕臨渤海，冬春交替之際，內(nèi)陸冷氣團(tuán)與海洋濕潤(rùn)氣團(tuán)在滄州沿海區(qū)域交匯。由于密度原因，容易形成海洋濕潤(rùn)氣團(tuán)在上，內(nèi)陸冷氣團(tuán)在下的逆溫現(xiàn)象，即從地面向上，溫度先是在0 ℃以下，往上由于濕潤(rùn)氣團(tuán)影響溫度升至0 ℃以上，穿過濕潤(rùn)氣團(tuán)往上，溫度又降至0 ℃以下。在凝結(jié)高度上，空氣中的水汽形成冰晶、雪花；當(dāng)冰晶、雪花穿越濕潤(rùn)氣團(tuán)時(shí)，全部或者部分融化；水滴降至內(nèi)陸冷氣團(tuán)時(shí)，較大的水滴遇到塵埃形成冰粒落至地面；較小的水滴不易遇到塵埃，由于表面張力作用，難以改變結(jié)構(gòu)，即形成凍雨降至地面[2]。

由于形成凍雨的水滴結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)定，在風(fēng)的作用下與較冷的物體(導(dǎo)線、角鋼)發(fā)生碰撞，表面張力被破壞，加之導(dǎo)線、角鋼及凍雨水滴本身均在0 ℃以下，凍雨水滴即在導(dǎo)線、角鋼上形成覆冰。在凍雨的作用下，滄州黃驊及臨港區(qū)域輸電線路、配網(wǎng)線路均出現(xiàn)不同程度的導(dǎo)線覆冰，最大厚度3 mm，平均覆冰厚達(dá)2.5 mm。同時(shí)受20日該地區(qū)7～8級(jí)東北風(fēng)的影響，此次導(dǎo)線覆冰形狀不一，有新月形、扇形、D形等不規(guī)則形狀，成為線路舞動(dòng)的重要誘因。2010年1月19日晚至20日滄州沿海區(qū)域即發(fā)生凍雨天氣過程，造成輸電線路導(dǎo)線的不均勻覆冰，是引起線路大面積舞動(dòng)的主要原因。

3.2 風(fēng)激勵(lì)

形成舞動(dòng)除導(dǎo)線覆冰因素外，風(fēng)速風(fēng)向亦為必要條件。舞動(dòng)須有穩(wěn)定的層流風(fēng)激勵(lì)，風(fēng)速范圍一般為4～20 m/s，且當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向與導(dǎo)線走向夾角大于45°時(shí)導(dǎo)線易產(chǎn)生舞動(dòng)，當(dāng)夾角越接近90°，舞動(dòng)的可能性更大。反之，當(dāng)夾角為0°即風(fēng)向平行于導(dǎo)線軸線時(shí)，則引起舞動(dòng)的可能性最小。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，舞動(dòng)時(shí)多伴有7～10 m/s的橫向風(fēng)，且風(fēng)向與導(dǎo)線夾角為60°～80°，風(fēng)速的大小將會(huì)影響覆冰的形狀，進(jìn)而影響空氣動(dòng)力特性。因此，在四周無(wú)屏障的開闊地帶或山谷風(fēng)口，能使均勻的風(fēng)持續(xù)吹向?qū)Ь€，這些地段易發(fā)生舞動(dòng)。

滄州發(fā)生舞動(dòng)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(shì)平坦開闊。舞動(dòng)發(fā)生時(shí)伴有7～8級(jí)的東北風(fēng)，風(fēng)速風(fēng)向均較為穩(wěn)定。發(fā)生舞動(dòng)的導(dǎo)線區(qū)段線路走徑基本為西北-東南方向，與主風(fēng)向夾角接近90°，而相鄰線路由于走徑與風(fēng)向夾角較小，沒有發(fā)生舞動(dòng)。

3.3 線路結(jié)構(gòu)參數(shù)

線路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)舞動(dòng)的影響主要與導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)剛度有關(guān)。導(dǎo)線覆冰一般總是偏心而朝向迎風(fēng)面的，這個(gè)偏心質(zhì)量將會(huì)引起單導(dǎo)線繞自身軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，從而改變導(dǎo)線的迎風(fēng)面。這樣不斷覆冰、扭轉(zhuǎn)的結(jié)果，使得覆冰導(dǎo)線的截面形狀趨于圓形，以致削弱了作用在導(dǎo)線上的空氣動(dòng)力載荷，對(duì)舞動(dòng)有一定的抑制作用[4]。而分裂導(dǎo)線及大截面導(dǎo)線由于自身扭轉(zhuǎn)剛度大，在同樣的地理與氣象條件下，更容易形成不均勻覆冰，更易發(fā)生舞動(dòng)。在此次滄州地區(qū)發(fā)生舞動(dòng)的220 kV線路均為雙分裂LGJ-240-/30型大截面導(dǎo)線，110 kV線路也基本上為L(zhǎng)GJ-240-/30型大截面導(dǎo)線。

4 處理措施與防舞動(dòng)對(duì)策

由于未來(lái)低溫凍雨等惡劣天氣很可能再次發(fā)生，滄州地區(qū)發(fā)生導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，因此必須對(duì)輸電線路舞動(dòng)造成的問題加以解決，并采取有效的防舞動(dòng)對(duì)策。

a. 輸電線路舞動(dòng)造成的螺栓松扣、導(dǎo)線損傷及導(dǎo)線金具磨損等缺陷，根據(jù)其危害程度的大小，合理安排消缺，并安排線路巡視人員對(duì)易發(fā)生舞動(dòng)的線路進(jìn)行特巡及登桿檢查。

b. 針對(duì)凍雨、大風(fēng)等誘發(fā)輸電線路覆冰舞動(dòng)的氣象因素，加強(qiáng)對(duì)有關(guān)氣象參數(shù)的跟蹤監(jiān)測(cè)，在滄州沿海地區(qū)建立微氣象在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在發(fā)生過舞動(dòng)的線路桿塔上試點(diǎn)安裝微氣象、覆冰舞動(dòng)等在線監(jiān)測(cè)裝置，及時(shí)掌握凍雨形成時(shí)的氣象變化詳細(xì)數(shù)據(jù)，以及覆冰形成的特征情況。并依據(jù)氣象地理信息、舞動(dòng)情況，繪制滄州沿海地區(qū)舞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖。

c. 對(duì)此次舞動(dòng)顯著的線路進(jìn)行改造，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理加裝可以防止相間閃絡(luò)的相間間隔棒及雙擺防舞器等防舞裝置，改變舞動(dòng)系統(tǒng)的固有扭轉(zhuǎn)振動(dòng)或橫向振動(dòng)頻率、質(zhì)量分布和元件連接方式。線路導(dǎo)線垂直排列的，采用加裝相間間隔棒的方案；水平及三角排列的，采用加裝普通雙擺防舞器方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)2010年1月19日夜晚至20日白天發(fā)在滄州沿海地區(qū)的110 kV和220 kV線路覆冰舞動(dòng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知，凍雨和穩(wěn)定的東北方向季風(fēng)是造成線路舞動(dòng)的主要誘因，線路的走徑和所處地形對(duì)舞動(dòng)有很大影響。為提高該區(qū)域輸電線路的防舞能力，應(yīng)對(duì)發(fā)生舞動(dòng)線路采取加裝相間間隔棒、雙擺防舞器等防舞動(dòng)措施，同時(shí)，應(yīng)建立局部地區(qū)微氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)該地區(qū)舞動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)一步加強(qiáng)防舞動(dòng)工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王少華，蔣興良，孫才新．輸電線路線路舞動(dòng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J]．高電壓技術(shù)，2005，31(10)：11-14．

[2] 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)：59-64．

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