輸電線路導線舞動的防治及研究

張 謙

（國核電力規(guī)劃設計研究院，北京 100032）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，電力已成為社會各行各業(yè)發(fā)展的原動力。我國要建設成堅強智能電網，這就使得架空輸電線路的安全運行越來越重要。在風的作用下，架空輸電線路存在著高頻振動 （即微風振動）、次檔距振動及低頻振動（即導線舞動）3種振動方式。

架空輸電導線舞動是指風對非圓截面導線所產生的一種低頻(約為0.1～3 Hz)、大振幅的導線自激振動,其最大振幅可達導線直徑的5～300倍。舞動多發(fā)生在寒冬偏心覆冰的輸電導線上,所造成的事故包括相間短路和接地短路，造成的損失包括導線電弧燒傷、金具損壞、導線斷股、斷線、倒塔等。舞動對輸電線路的安全運行危害很大，會造成重大的經濟損失和社會影響。

1 輸電導線舞動情況分析

1.1 導線舞動情況調查

從我國輸電線路舞動的統(tǒng)計資料看，舞動分布呈現(xiàn)明顯的區(qū)域性，即形成一條南起湖南，北至吉林的一條漫長的“舞動帶”。這是由于每年的冬季及初春季節(jié)，我國西北方南下的干冷氣流和東南方北上的暖濕氣流在我國東北部、中部（偏沿海地區(qū)）相匯，這些地區(qū)極易形成凍雨或雨凇地帶，導線易覆冰。這條帶狀區(qū)域內的輸電線路，在冬季特殊的氣象因素滿足了起舞的一定條件后容易誘發(fā)舞動。

我國發(fā)現(xiàn)首例導線舞動現(xiàn)象是在1957年，其后多次發(fā)生導線舞動現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)有資料，自1957年至2005年初，我國共發(fā)生了48次導線舞動，涉及線路168條，損傷導線70根，引起線路跳閘124次以上。其中遼寧省、湖北省、河南省是我國的強舞地區(qū)（平均每5年發(fā)生1次及以上的舞動）。

以河南省為例：1998年12月1日河南省電網發(fā)生大范圍線路舞動,有22條次220kV線路跳閘,對電網的安全運行造成極大的危害,導致電網局部解列,京廣電鐵短時停電。110 kV窩密線出現(xiàn)倒塔現(xiàn)象。舞動涉及的范圍有豫北、豫東、豫中、豫南14個供電區(qū)。

2000年1月11日平頂山地區(qū)再次發(fā)生5條220 kV線路及3條110 kV線路導線舞動,1條線路跳閘。

2003年2月9日,隨著一場大風雪及雨雪,河南省電網18條220 kV線路跳閘39條次;14條110 kV線路跳閘19條次。局部電網解列,嚴重威脅河南電網的安全穩(wěn)定運行,威脅到電氣化鐵路,重點企業(yè)的正常供電和工農業(yè)生產。

除我國外,加拿大、美國、日本、前蘇聯(lián)等國都先后發(fā)生了大量的舞動事故,尤其是在美國、加拿大的開闊平原上,許多輸電線路跨越平原開闊地帶,加上寒冷、覆冰與持續(xù)季風作用,舞動發(fā)生較多。

1.2 導線舞動的機理及特點

當流體從結構物外面流過時，會作用于結構物一個激勵。激勵的大小和性質與結構物的斷面形狀、流體的性質、流體方向與流速等因素有關。這個激勵將激發(fā)結構物產生不同性質的振動。同時，結構物的振動又反過來影響流體的運動及其激勵力，從而形成流體與結構物之間的耦合振動。這種復雜的流固耦合振動，是輸電導線各種振動的共同理論基礎。

通常遇到的由外流（流體從結構物的外表面流過）誘發(fā)的結構振動包括卡門渦振動、弛振和顫振3類，它們有著不同的形成條件與振動形態(tài)。由于空氣相對流速的范圍有限，在輸電導線中，主要存在卡門渦振動與馳振這兩種振動。前者發(fā)生于低風速、無冰雪的（導線為圓形截面的情況）條件下，稱為微風振動，后者發(fā)生于較高風速、覆冰雪（導線為非圓形截面）的條件下，稱為馳振，俗稱為舞動。馳振是非圓截面構件在風激勵下產生的一種自激振動，而導線舞動則是對輸電導線的特指，是馳振的一個特例。

舞動是覆冰導線在相對穩(wěn)定的風的激勵下產生的流體（風）與固體（導線系統(tǒng)）的耦合振動，是非線性的自激振動。其特點為：（1）依靠導線、風相互耦合而維持的穩(wěn)態(tài)周期運動。風的激勵做為能量的外界補充，在一段時間內，風速、風向等是基本穩(wěn)定的，因此能量是相對恒定的，導線系統(tǒng)以自己的運動狀態(tài)做為調節(jié)器，以控制能量的輸入，該自振系統(tǒng)(如圖1)所示。當輸入的能量與耗散的能量達到平衡時，系統(tǒng)維持等幅振動。（2）舞動的頻率和振幅均由系統(tǒng)的物理參數(shù)確定，與初始條件無關。即舞動頻率和振幅取決于導線系統(tǒng)的固有參數(shù)及覆冰情況。（3）由于舞動是非線性自激振動，其穩(wěn)定性取決于能量的輸入與耗散的相互關系。在起始階段，輸入的能量大于耗散的能量，系統(tǒng)失穩(wěn)并產生振動，多余的能量將會使系統(tǒng)的振幅不斷增大，但由于系統(tǒng)的非線性，振幅并不會無限增大，最終會趨于一個極限值（如圖2）所示，而舞動時導線張力的變化與舞動振幅直接相關，振幅趨于穩(wěn)定，導線張力的變化也會趨于與之相對應的極限值。

圖1 舞動系統(tǒng)框圖

圖2 舞動時能量——振幅關系

1.3 導線舞動的激發(fā)模式

目前相對成熟的有3種模式：（1）橫向（垂直方向）激發(fā)模式。這種理論認為導線元的升力對于攻角具有較大的負斜率，此時其所受的升力與振動方向相同，導線元在運動中吸收能量變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下，任何微小的風擾動都有可能引起大振幅的振動。（2）扭轉激發(fā)模式。這種理論認為，當空氣動力中的扭轉阻尼為負并且大于導線的固有扭轉阻尼時，若此時的扭轉頻率接近于垂直方向的諧振舞動頻率，則此扭轉不穩(wěn)定，可能誘發(fā)垂直方向的舞動。（3）偏心慣性耦合激發(fā)模式。在雨量與風速都很大時，導線覆冰常覆在背風面，即偏心質量位于背風面，即使此時橫向振動和扭轉振動可能分別都是穩(wěn)定的，但由于偏心慣性作用會引起攻角變化，從而使相應的升力對橫向振動形成正反饋，加劇橫向振動，并逐漸積聚能量，最后形成大幅度的舞動。

我國學者蔡廷湘提出一種“低阻尼系統(tǒng)共振的激發(fā)機理”。這種機理認為，架空輸電線路導線有兩種固有振動頻率（機械固有頻率Wj和電氣固有振動頻率2 W）導線在運行中，受到風力、重力及電動力作用，會產生一定的振幅振動；空氣作為導線的振動媒質，在導線的振動過程中，會阻礙導線的振動，在特殊的天氣里，空氣的動力粘性系降低，使空氣的阻力小于導線的振動力，而使導線的振動加劇。當導線的振動頻率與輸電線路的機械固有振動頻率Wj或輸電線路的電氣固有振動頻率2 W相接近時，則會被激發(fā)成強烈的共振——線路舞動。

2 導線舞動的形成

舞動的形成取決于3方面因素:覆冰、風激勵和導線的結構參數(shù)。

2.1 覆冰

線路覆冰是舞動的必要條件之一。覆冰多發(fā)生在風作用下的雨淞、霜淞及濕雪堆積于導線的氣候條件下。導線覆冰與降水形式及降水量有直接關系,而又與溫度的變化密切相關,常發(fā)生在先雨后雪,氣溫驟降(由零上降至零下)情況下,且導線覆冰不均勻,形成所謂的新月形、扇形、D形等不規(guī)則形狀,冰厚從幾mm到幾十mm(最厚可達50 mm)。此時，導線便有了比較好的空氣動力性能，在風的激勵下誘發(fā)舞動。

2.2 風的激勵

要形成舞動，除覆冰因素外，舞動還必須有穩(wěn)定的層流風激勵。冬季及初春季節(jié)里,冷暖氣流的交匯易引起較強的風力。在廣大的雨淞區(qū)內,有平穩(wěn)層流大風,風速范圍一般是4～20 m/s，當線路走向與風向夾角大于45°的開闊地帶(平原地區(qū)、江河湖泊等)及峽谷、迎風山坡、山脊等地形都是容易發(fā)生舞動的地帶。統(tǒng)計還表明線路走向與風向的夾角越接近垂向,則舞動的可能性越大,這是因為風垂直吹向非對稱橢圓形導線時產生的升力和扭矩最大。

圖3 導線風向示意圖

2.3 線路結構參數(shù)的影響

線路結構參數(shù)(張力、弧垂、檔距長度、導線特性、分裂導線的幾何參數(shù)等)不適當?shù)慕M合會對防舞動起不利影響。國內外大量的輸電線路運行實踐說明,分裂導線比單導線更易發(fā)生舞動。國內單導線的大跨越發(fā)生舞動的較罕見,而國內分裂導線的大跨越發(fā)生舞動則已有7處11次；這是因為單導線覆冰時，由于扭轉剛度小，在偏心覆冰作用下導線易發(fā)生很大扭轉，使覆冰接近圓形；而分裂導線覆冰時，由于間隔棒的作用，每根子導線的相對扭轉剛度比單導線大很多，在偏心覆冰作用下，導線的扭轉極其微小，不能阻止導線覆冰的不對稱性，導線覆冰易形成翼型斷面。因此，對于分裂導線，由風激勵產生的升力和扭拒遠大于單導線。對于500kV及以上超、特高壓輸電線路，多采用4分裂及多分裂導線較易發(fā)生舞動，統(tǒng)計資料表明，導線舞動在我國的大部分500 kV輸電線路中均發(fā)生過，由舞動引起的事故占500 kV輸電線路事故總數(shù)的23.5%。

大截面導線比小截面導線易于舞動。大截面導線的扭轉剛度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭轉角要小，導線覆冰更易形成翼型斷面，在風激勵作用下，產生的升力和扭矩要大些。

導線舞動與線路運行電壓等級無明顯關系，不論電壓高低，只要外部氣象條件和導線的力學參數(shù)相適應就會發(fā)生舞動。

3 輸電導線舞動的防治

防舞措施雖然種類龐雜，但歸根到底都是針對誘發(fā)舞動的因素來進行的。鑒于輸電導線舞動主要是由于3個方面的因素所形成的，即覆冰及其截面形狀；風速及風的方向；導線系統(tǒng)的自身參數(shù)。與此相應，防舞的措施也將根據(jù)這幾個方面有針對性的進行。現(xiàn)行的防舞措施，概括起來可分為三大類：（1）從氣象條件考慮，避開易形成舞動的覆冰區(qū)域與線路走向；（2）從機械與電氣的角度出發(fā)，提高線路系統(tǒng)抵抗舞動的能力；（3）從改變與調整導線系統(tǒng)的參數(shù)出發(fā)，采用各種防舞裝置與措施，抑制舞動的發(fā)生。

3.1 避開易形成舞動的覆冰區(qū)域與線路走向

在已多次發(fā)生的微氣候區(qū)，新線路在初步設計階段就要考慮舞動問題，采取必要的防舞措施，以避免舞動造成的危害。導線舞動需要滿足特定的氣候條件和地理環(huán)境條件，這些條件超過了常規(guī)設計考慮的氣候、地理條件參數(shù)范圍，設計時應結合實際情況，合理地選擇線路路徑和走向，在桿塔結構、桿塔檔距、絕緣子、金具和防松螺栓等方面采取防治措施，盡量避開電線易覆冰、冬季多風且風向與線路交角接近正交的開闊江河、峽谷、迎風山坡和山脊等易舞動地段。

3.2 提高導線系統(tǒng)抵抗舞動的能力

抗舞動措施是在無抑舞動措施下通過提高線路的電氣和機械強度來抵抗電線舞動造成危害,使線路設備能在舞動下不被損壞并保持安全運行。提高線路設備的機械強度,主要是指桿塔結構應能承受舞動時的動態(tài)荷載；導線及金具應在舞動下不被損壞和松動等。提高線路的電氣強度是指在電線舞動的軌跡下,其電氣間隙能防止相導線間及導、地線間發(fā)生擊穿短路,以保證舞動時線路仍能安全運行。

導線舞動時產生的動態(tài)張力變化范圍是很大的。據(jù)國外文獻介紹,最小張力約為靜態(tài)張力的60%,最大張力可達靜態(tài)張力的2倍。舞動時懸垂絕緣子串的順線路偏移會助長舞動幅值的增大。懸垂線夾兩側的張力差往往超過懸垂線夾握著力而造成導線滑動。分裂導線隨著分裂根數(shù)的增多會加劇導線的舞動發(fā)生。

對可能存在的舞動地區(qū),在新建線路設計中,可采用加大桿塔結構設計,減少分裂導線及同塔雙回垂直排列桿塔的使用,在相間增加抗舞裝置等措施,提高線路的抗舞能力,不僅可提高線路運行的安全可靠性,其經濟和社會效益也是顯著的。

3.3 抑制導線舞動的措施

抑制舞動措施是指在己運行的線路上舞動嚴重的線段采取措施破壞舞動形成的條件,改變系統(tǒng)結構特性的抑舞裝置,其原理是采用結構力學的方法,改變舞動系統(tǒng)的固有扭轉或橫振頻率、質量分布和元件連接方式等動力學特性,達到抑制舞動幅度,消除舞動可能造成的危害,以達到線路安全運行。 可采取如下措施：

（1）通過改變導線特性來起到抑制舞動作用，多數(shù)防舞器屬于此類，主要包括：失諧擺，雙擺防舞器，抑制扭轉防舞器，整體式偏心重錘等。

（2）通過提高導線系統(tǒng)的自阻尼來抑制舞動，如終端阻尼器。

（3）通過提高風阻力來達到抑制舞動的目的，如空氣動力阻尼器。

（4）通過擾亂沿檔氣流來達到抑制舞動的目的，如擾流防驅器。

（5）通過各種防覆冰措施來達到抑制舞動的目的，如使用防雪導線及大電流融冰等。

（6）提高導線的運行張力和縮短檔距也能收到一定的抑制舞動的效果。

表1 現(xiàn)有防舞裝置分類和綜合評價

（7）提高線路設計的安全系數(shù)，從而達到提高線路抗舞動的能力。

（8）提高導線連接金具的結構強度，改變其聯(lián)接方式對抑制舞動也能收到一定的效果。

表1所列防舞裝置中，除氣流干擾線適宜于220 kV及以下電壓等級的線路外，其它的均可在各電壓等級的線路上安裝使用。但在進行防舞設計時，必須根據(jù)該地區(qū)已有線路發(fā)生舞動類型選擇防舞裝置，這樣才能收到良好的效果。

4 存在的問題

輸電線路導線舞動是一個包含隨即因素與非線性特性，并涉及空氣動力、懸索振動、氣固耦合、氣象研究等學科的復雜現(xiàn)象，在導線舞動研究方面存在以下問題有待研究解決：

（1）線路究竟會出現(xiàn)哪一種舞動模式，決定于該線路的參數(shù)與冰、風條件。由于這些條件中含有許多隨機因素，如冰、風、雨量、氣溫等，所以，同一條線路，今年可能出現(xiàn)這種舞動模式，而明年可能出現(xiàn)另一種舞動模式，很難對其做出準確的判斷。

（2）由于地形、地貌、地表植被、建筑物的摩擦作用，近地面的空氣流動成湍流狀。導線舞動研究中，常將線路所遇的湍流風簡化為均勻風 （層流狀），這樣會使所研究問題失真。

（3）目前人們就檔距對導線舞動的影響持有不同觀點，有認為可通過縮短檔局來防止舞動，也有認為短檔局更易舞動，該問題有待研究。

（4）在采用防舞裝置時必須考慮目前的各種防舞裝置都不是萬能的和一勞永逸的。例如，失諧擺可以提高冰、風保護范圍，使得在這個范圍內不會產生扭振自激舞動；而以增加導線單位質量的辦法來提高導線產生的垂直激發(fā)舞動的臨界風速Vd，并不能防止在風速V﹤Vd時，因扭振激發(fā)條件達到而產生舞動，或者由于慣性耦合而激發(fā)舞動。所以，在處理實際問題時，不僅應當仔細觀察、分析，來判斷現(xiàn)場出現(xiàn)的舞動性質，而且應當考慮和防范幾種舞動模式出現(xiàn)的可能性。

（5）目前導線舞動的理論及舞動試驗研究工作開展不夠，許多風洞無法開展的舞動研究需要試驗線路，但建設試驗線路經費較大，目前難以實現(xiàn)。

隨著科技的進步及試驗手段的增強，人們對舞動的認識也會越來越深入、清晰，在掌握了舞動的成因及規(guī)律后采取合適的措施，能增強電力線路運行的穩(wěn)定性和可靠性，加快我國建設堅強智能電網的步伐，為社會的發(fā)展做出更大的貢獻。

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