新型防振裝置在750 kV輸電線路地線防振中的應(yīng)用研究

彭毅，安寧，劉勝春，楊光，郭學(xué)健

(1.甘肅省電力公司，蘭州市，730050;2.中國電力科學(xué)研究院，北京市，102488;3.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州市，730050)

0 引言

甘肅河西750 kV輸電線路是西部大開發(fā)重點(diǎn)工程——新疆與西北750 kV電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)、甘肅風(fēng)電外送工程的重要組成部分，該工程對(duì)結(jié)束新疆電網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行、打通甘肅風(fēng)電外送通道具有重要的里程碑意義，使西北地區(qū)的水、火、風(fēng)電“打捆”東送成為現(xiàn)實(shí)。河西750 kV線路所處地形平坦開闊，植被少，刮風(fēng)日數(shù)多，風(fēng)速均勻、平穩(wěn)，其地線特別是雙回路塔的掛點(diǎn)高(70～100 m)、檔距大、微風(fēng)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間比其他地區(qū)持久、振動(dòng)幅度大，長期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致地線振動(dòng)超標(biāo)，引起疲勞斷股，給線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。因此，有必要結(jié)合750 kV工程開展地線的防振研究，為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供技術(shù)支撐，同時(shí)也為西北其他地區(qū)同類輸電線路的防振提供依據(jù)，對(duì)確保線路的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1 線路微風(fēng)振動(dòng)概述

導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)是發(fā)生范圍廣、持續(xù)時(shí)間長的一種振動(dòng)形式。層流風(fēng)吹過導(dǎo)線后會(huì)在導(dǎo)線的背后產(chǎn)生漩渦，俗稱“卡門漩渦”，如圖1所示［1］。規(guī)則的漩渦脫落會(huì)引起導(dǎo)線在與風(fēng)向垂直的方向上周期性的振動(dòng)，由于引起這種振動(dòng)的風(fēng)速通常為0.5～10 m/s，所以稱為微風(fēng)振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，尾流中的漩渦變得不穩(wěn)定，速度變化也不規(guī)則，變成湍流尾流，此時(shí)反而不易形成微風(fēng)振動(dòng)。

導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)的頻率與導(dǎo)線的直徑和風(fēng)速有關(guān)，它們的關(guān)系式［2］為

式中:f為導(dǎo)線振動(dòng)頻率，Hz;v為風(fēng)速，m/s;D為導(dǎo)線直徑，m;St為 Strouhal數(shù)，一般取 0.185 ～0.2。

圖1 卡門漩渦示意Fig.1 Schematic diagram of Carmen vortex

微風(fēng)振動(dòng)具有“鎖定效應(yīng)”(又稱“同步效應(yīng)”)，即實(shí)際流速和對(duì)應(yīng)脫落頻率由式(1)確定的流速之比為0.87～1.37時(shí)，地線的振動(dòng)頻率和旋渦的脫落頻率都不變化。實(shí)際地線微風(fēng)振動(dòng)的頻率均為基頻的整數(shù)倍，而基頻又很小，且微風(fēng)振動(dòng)存在“鎖定效應(yīng)”，因此可以認(rèn)為任何為0.5～10 m/s的風(fēng)速均能夠引起地線的微風(fēng)振動(dòng)。從這個(gè)意義上講，地線的微風(fēng)振動(dòng)幾乎每時(shí)每刻都在發(fā)生，因此，必須采取有效的防振措施來抑制地線的微風(fēng)振動(dòng)，使其處于安全范圍內(nèi)。

2 河西地區(qū)超高壓線路地線微風(fēng)振動(dòng)故障

甘肅河西地區(qū)導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)烈，經(jīng)常發(fā)生防振錘滑移、脫落等故障，嚴(yán)重的引起導(dǎo)地線斷股，威脅線路的安全運(yùn)行。酒泉超高壓輸電公司所轄330 kV輸電線路常常發(fā)生因風(fēng)振引起間隔棒、防振錘線夾滑移和脫落等故障，防振錘滑脫、掉落等事件一直威脅著線路的安全運(yùn)行。截止2010年4月底間隔棒防振錘事件累計(jì)達(dá)562件，其中防振錘滑脫、掉落事件158件;引起導(dǎo)線斷股危急事件3件，嚴(yán)重事件1件。武威輸變電工區(qū)管轄330 kV線路共發(fā)生38次導(dǎo)線防振錘脫落。原涼金一線(現(xiàn)河金一線和河涼一線)線路投運(yùn)后，次年就有少量間隔棒和防振錘滑移的事件發(fā)生，此后間隔棒和防振錘滑移、斷股、脫落等事件時(shí)有發(fā)生，2008年至2011年初，共發(fā)現(xiàn)間隔棒防振錘缺陷419處。這說明甘肅河西地區(qū)輸電線路導(dǎo)地線的微風(fēng)振動(dòng)非常嚴(yán)重，傳統(tǒng)的防振裝置已經(jīng)不能滿足要求，需研制新的防振裝置抑制導(dǎo)地線的微風(fēng)振動(dòng)。地線防振錘滑移見圖2。

3 750 kV線路地線微風(fēng)振動(dòng)特點(diǎn)

甘肅河西750 kV線路地線微風(fēng)振動(dòng)具有以下特點(diǎn):

(1)微風(fēng)振動(dòng)頻率范圍廣。根據(jù)沿線氣象站的風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地線參數(shù)，計(jì)算得到地線的微風(fēng)振動(dòng)頻率為6.3～111 Hz，說明只要在引起微風(fēng)振動(dòng)的風(fēng)速范圍內(nèi)，都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的微風(fēng)振動(dòng)。

圖2 河金一線地線防振錘發(fā)生滑移Fig.2 Slip of dampers in ground wire of Hejin line

(2)微風(fēng)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長。地形和氣候條件表明，線路所處地區(qū)刮風(fēng)日數(shù)多，地線微風(fēng)振動(dòng)幾乎時(shí)刻都在發(fā)生，頻度遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。

防振錘是線路防振的基本元件，普通線路地線用FG型防振錘的2個(gè)錘頭對(duì)稱布置，線夾與地線通過鋼板固定，這種防振錘在運(yùn)行中存在以下問題:

(1)不能有效抑制地線微風(fēng)振動(dòng)，防振效果不夠理想。FG型防振錘為對(duì)稱布置，只有2個(gè)諧振頻率，其諧振范圍較小，無法有效覆蓋地線微風(fēng)振動(dòng)的全部頻率范圍。在地勢(shì)平坦、風(fēng)速平穩(wěn)持久地區(qū)，當(dāng)?shù)鼐€振動(dòng)頻率超出防振錘諧振頻率時(shí)，防振錘基本沒有防振效果，反而在線夾處形成節(jié)點(diǎn)，造成該處地線斷股。

(2)在運(yùn)行中容易產(chǎn)生滑移。FG型防振錘通過鋼板和螺栓與地線固定，在微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)，防振錘振動(dòng)過大容易造成線夾滑移，從而磨損導(dǎo)線，長時(shí)間的磨損會(huì)導(dǎo)致地線斷股。

4 新型防振裝置的研制

鑒于傳統(tǒng)的FG型防振錘無法有效覆蓋地線微風(fēng)振動(dòng)的頻率范圍，因此需研制結(jié)構(gòu)合理的多頻防振錘，必要時(shí)組合使用。對(duì)于大檔距線路，還可采用“阻尼線+防振錘”組合防振，以獲得最優(yōu)的防振效果。同時(shí)，傳統(tǒng)防振錘線夾采用螺栓夾持，長期振動(dòng)后容易松動(dòng)進(jìn)而磨損地線，因此在防振錘線夾的結(jié)構(gòu)形式上也要進(jìn)行改進(jìn)，采用安裝方便、防滑性能好的線夾，減輕運(yùn)行維護(hù)的工作量，提高長期運(yùn)行可靠性。

為滿足地線防振的特殊要求，專門研制了適用于地線的2種型號(hào)專用預(yù)絞式線夾防振錘。首先根據(jù)線路參數(shù)和氣象條件確定地線的諧振頻率范圍，然后運(yùn)用防振錘設(shè)計(jì)理論結(jié)合經(jīng)驗(yàn)開展防振錘的設(shè)計(jì)［3-4］，最后對(duì)研制的防振錘進(jìn)行型式試驗(yàn)，根據(jù)結(jié)果再進(jìn)行優(yōu)化。新研制的預(yù)絞式線夾防振錘錘頭采用不等重、不對(duì)稱布置，如圖3所示，具有4個(gè)分布合理的諧振頻率。預(yù)絞式線夾防振錘線夾為U形，從地線下面與地線面接觸，不僅握著可靠、防滑性能好、安裝方便，而且對(duì)地線的作用力通過預(yù)絞絲分散，消除了應(yīng)力集中，有利于降低線夾處的動(dòng)彎應(yīng)變，避免了傳統(tǒng)防振錘線夾集中握著造成應(yīng)力集中容易損壞地線的問題。

圖3 安裝在地線上的預(yù)絞式線夾防振錘Fig.3 Damper with preformed clamps installed in ground wire

750 kV線路地線有3種型號(hào)規(guī)格，分別是鍍鋅鋼絞線1×19－13.0－1270－B(GJ－100)、鋁包鋼絞線JLB20A－100和JLB20A－150;具有2種外徑，分別是13.0和15.75 mm。設(shè)計(jì)了2種防振錘，型號(hào)分別為FR-3和FR-2，其諧振頻率見表1。

表1 研制防振錘的諧振頻率Tab.1 Resonance frequency of developed damper

為考核專門研制的2種防振錘的性能，按照DL/T 1099—2009《防振錘技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行了型式試驗(yàn)，包括機(jī)械強(qiáng)度、功率特性和振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)要求，試驗(yàn)合格。2種型號(hào)防振錘功率特性曲線見圖4。從圖中可以看出，每種防振錘均具有4個(gè)不同的諧振頻率，組合后共有8個(gè)諧振頻率，可覆蓋微風(fēng)振動(dòng)全部頻段的較寬范圍。與普通的FG型防振錘相比，新型防振錘不僅頻率范圍更廣，而且線夾防滑型號(hào)好，握著更加牢靠，有利于地線的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮到在微風(fēng)振動(dòng)特別強(qiáng)烈地區(qū)，單純使用防振錘長期運(yùn)行后防振效果會(huì)降低，從保證線路長期運(yùn)行可靠性的角度考慮，采用“阻尼線+防振錘”形式的防振方案是比較理想的。與防振錘相比，阻尼線具有頻率寬、耐振性能好的特點(diǎn)，常常應(yīng)用在大跨越工程的防振上。這種組合型防振裝置具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，一方面頻段更廣，能覆蓋微風(fēng)振動(dòng)全部頻段的更大頻率范圍;另一方面，防振錘安裝在阻尼線的內(nèi)部，其振動(dòng)相對(duì)較小，有利于長期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 預(yù)絞式線夾防振錘功率特性曲線Fig.4 power characteristic of damper with preformed clamps

預(yù)絞式“阻尼線+防振錘”防振方案如圖5所示，阻尼線采用鋼芯鋁絞線LGJ-300/25，通過預(yù)絞式阻尼線線夾與地線固定。該方案綜合阻尼線和防振錘的防振效果，試驗(yàn)結(jié)果表明其具有良好的防振效果。

圖5 預(yù)絞式阻尼線+防振錘防振方案Fig.5 Anti-vibration plan combining damper with preformed clamps and damping wire

我國絕大多數(shù)大跨越均采用“阻尼線+防振錘”型式的防振方案，多年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和測振結(jié)果表明，這種防振方案不僅效果好，而且長期運(yùn)行可靠性高，運(yùn)行維護(hù)工作量少。對(duì)微風(fēng)振動(dòng)特別強(qiáng)烈的地區(qū)，從確保線路長期穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，推薦采用“阻尼線+防振錘”型式的防振方案。

5 新型防振裝置的應(yīng)用

根據(jù)地線防振錘和預(yù)絞式的性能特點(diǎn)，結(jié)合地線防振錘的安裝經(jīng)驗(yàn)［5］，本次新型防振裝置的安裝按照以下原則:

(1)對(duì)單回路地線，當(dāng)檔距在300 m以下時(shí)每端安裝1個(gè)FR-2型防振錘，檔距為300～700 m時(shí)每端安裝FR-2、FR-3型防振錘各1個(gè)，檔距超過700 m時(shí)每端安裝FR-3型防振錘1個(gè)、FR-2型防振錘2個(gè)。防振錘采用等距安裝，相鄰防振錘距離為0.75 m。

(2)對(duì)雙回路地線，當(dāng)檔距在300 m以下時(shí)每端安裝FR-2、FR-3型防振錘各1個(gè)，相鄰防振錘距離為0.9 m;檔距大于300 m時(shí)每端安裝1組預(yù)絞式阻尼線+防振錘。

對(duì)于微風(fēng)振動(dòng)特別強(qiáng)烈的地段，采用預(yù)絞式線夾“防振錘+阻尼線”聯(lián)合防振方案。安裝在750 kV線路地線上的預(yù)絞式線夾“防振錘+阻尼線”聯(lián)合防振方案見圖6。

圖6 安裝在750 kV地線上的預(yù)絞式線夾“防振錘+阻尼線”Fig.6 Damper with preformed clamps and damping wire installed in 750 kV ground wire

本次研制的新型防振錘獲得國家實(shí)用新型專利。新型防振錘招標(biāo)價(jià)格略高于傳統(tǒng)防振錘，價(jià)格控制在概算允許范圍以內(nèi)。在750 kV武勝—河西—酒泉—敦煌線路工程中，大量采用了新型地線防振裝置，絕大部分地段單回路段全部采用新型預(yù)絞式線夾防振錘，雙回路段采用新型預(yù)絞式線夾“防振錘+阻尼線”和全防振錘2種方式。共使用12000余套預(yù)絞式線夾防振錘，500余套預(yù)絞式阻尼線。

輸電線路導(dǎo)地線的微風(fēng)振動(dòng)現(xiàn)場測試非常必要［6］，為了解新型防振裝置應(yīng)用于750 kV輸電線路地線后的實(shí)際效果，先后分別在2條線路上進(jìn)行了現(xiàn)場測振。從2次現(xiàn)場測振結(jié)果可以看出，預(yù)絞式線夾防振錘和“預(yù)絞式防振錘+阻尼線”聯(lián)合防振方案最大的動(dòng)彎應(yīng)變?yōu)?7 με(單峰值)，明顯低于地線動(dòng)彎應(yīng)變的許用值200 με，表明推薦的防振方案具有良好的防振效果。

6 結(jié)語

在750 kV武勝—河西—酒泉—敦煌線路中全面采用了新型防振裝置，室內(nèi)微風(fēng)振動(dòng)模擬試驗(yàn)表明2種型式的防振裝置均具有良好的防振效果，實(shí)際線路安裝新型防振裝置后進(jìn)行的現(xiàn)場測振進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬試驗(yàn)的科學(xué)性，結(jié)果表明采用新型防振裝置能將地線的微風(fēng)振動(dòng)抑制在較低的范圍內(nèi)，能確保地線的長期穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)場施工表明新型防振錘安裝方便、握著牢靠、不易滑移、減少維護(hù)工作量。750 kV線路地線防振研究成果不僅適用于750 kV輸電線路，同樣適用于其他超高壓線路，對(duì)于已納入“十二五”規(guī)劃的新疆電力外送特高壓輸電線路更具有直接的應(yīng)用價(jià)值，可以在超高壓、特高壓輸電線路中推廣應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ Transmission line reference book:Wind induced conductor motion［M］.Electric Power Research Institute，Palo Alto.California，USA，1979.

［2］鄭玉琪.架空輸電線微風(fēng)振動(dòng)［M］.北京:水利水電出版社，1987.

［3］李效韓，李邦宜，徐乃管.裝防振錘的架空輸電線系統(tǒng)的微風(fēng)響應(yīng)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1997，17(5):352-355.

［4］李效韓，李邦宜，徐乃管.防振錘非線性參數(shù)識(shí)別［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1996，16(2):142-144.

［5］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:中國電力出版社，2003.

［6］張會(huì)韜，架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)危害的實(shí)例及現(xiàn)場測振的重要性［J］，電力建設(shè)，1997，16(9):38-41.