淺析架空輸電線路微風振動與防振

鄭文鵬

摘 要 自20世紀初開始大規(guī)模建設架空輸電線路以來，人們發(fā)現(xiàn)架空線在風、冰等因素作用下具有不同特征的運動現(xiàn)象——各種類型的振動。本文使得我們對架空輸電線路微風振動的發(fā)生機理，微風振動情況下的工況，微氣象條件下風速、風向、環(huán)境溫度等因素與微風振動的因果關系等問題進行科學研究，進一步提高對微風振動的認識高度。在經(jīng)過充分的數(shù)據(jù)采集基礎之上判定所發(fā)生的輸電線路振動、疲勞、損傷、斷股、斷線等現(xiàn)象的深層原因，并且提出具有針對性地防振措施和綜合解決方案，從而更好地為電網(wǎng)安全運行服務。

關鍵詞 輸電線路 微風振動 防振設計 電網(wǎng)安全

一、微風振動形成機理

微風振動是一種發(fā)生在架空導線、地線及光纜（OPGW或ADSS等）的渦流回流現(xiàn)象。微風振動的基本原理是穩(wěn)定的層流風垂直（或可分解的垂直分量）吹過圓柱形物體（如纜線）時，在圓柱體的背風側會產(chǎn)生氣流漩渦，它上下交替且旋向相反，在上下交替的沖擊力作用下，圓柱體會產(chǎn)生上下垂直于風向的正諧周期性運動。當風吹向圓柱形物體時，在它的后面分層交錯的渦流形成一定的壓力差，這樣就使圓柱形物體在與風吹動方向相垂直的方向產(chǎn)生移動（稱之為“卡門漩渦”）。如果渦流的頻率與電線的自然頻率相接近時，纜線將發(fā)生微風振動。

二、影響微風振動的主要因素

影響微風振動的因素有很多，主要有風速和風向、地形地物、架空線結構和材料、擋距大小和懸掛高度及電線使用張力等。

1.風速和風向的影響。風作用于電線上，輸入一定的風能，使其發(fā)生振動。風速較小時，輸入的能量不足以克服架空線系統(tǒng)的阻力，因此引起架空線振動的風速有一下限值 ，一般取0.5 m/s。當風速較大時，其不均勻性增加到一定程度時，由于卡門漩渦的穩(wěn)定性受到破壞，致使架空線的振動減弱甚至停止，因此架空線振動風速有一上限值，一般取4 m/s ～6 m/s，大跨越和高塔可適當提高。如220 kV樓哈線中在“百里風區(qū)”的 300基桿塔發(fā)生斷股40余處，而兩側的 500基桿塔發(fā)生了 260余處，發(fā)生幾率在6倍左右。

風能否振動還與風向有關，觀察到風向與電線的軸線夾角在45°～90°時容易發(fā)生振動；當在30°～45°時，振動的穩(wěn)定性很小，在30°以下時，一般不發(fā)生振動。

2.地形地物的影響。風速的均勻性與方向的恒定性，是保持架空線持續(xù)振動的必要條件。當線路通過開闊的平原地區(qū)時，其地面的粗糙度較小，對空氣的擾亂作用小，氣流的均勻性和方向性不容易受到破壞，所以容易使架空線持續(xù)穩(wěn)定的振動。若地形起伏錯綜崎嶇，或有高低建筑，樹林等，地面粗糙度加大，破壞了氣流的均勻性和方向的穩(wěn)定性，因而架空線不易振動，而且振動強度降低。

3.架空線結構和材料的影響。（1）架空線截面形狀和表面狀況的影響。當架空線是一個圓形截面的柱體時，氣流在其背面形成上下交替的卡門漩渦，引起振動。若架空線的表面采用三股線制成的絞線，因這種結構破壞了卡門漩渦的穩(wěn)定頻率，其振動頻率較為輕微，但此種絞線不適用于實際工程。而光滑型的導線，其直徑與截面的比值較小，雖能減少風荷載和減少覆冰及舞動，但微風振動的幅值及延續(xù)時間則變得嚴重。

（2）架空線股絲、股數(shù)和直徑的影響。架空線的股數(shù)多和層數(shù)多的，有較高的自阻尼作用，能消耗更多的能量，使之不易振動或降低振動強度，因此選用多股多層的架空線有利于防振。另一方面，在同樣截面下，股數(shù)越多，股線直徑必然越小，對于同一容許振動應力值，小股線直徑可以容許較大的彎曲幅值。一般認為，在相同振幅下，直徑小的，風能輸入的相對功率要大些。統(tǒng)計資料也表明，架空線的直徑越小，疲勞斷股的比例越高。因此，架空線的直徑越小，越需要防振。

（3）架空線材料的影響。通常，架空線材料的疲勞極限并不按其破壞強度的增大成比例的增大，二者的比例反而隨破壞強度的提高而下降，如高強度鋼絲，其疲勞極限約為其破壞強度的28%，而特高強度的鋼絲，這個比例降到24%。因而在工程中用相同的平均運行應力安全系數(shù)，從振動看并不具有同等的安全性。

另外，架空線所用材料的重量較小，其振動越嚴重。這是由于風速相同，輸入的兩個相同直徑的圓柱體的能量相同，或者說兩圓柱體產(chǎn)生相同的上揚力，質量小的獲得的加速度大，振幅必然大。

4.擋距長度和懸掛高度的影響。風輸給架空線的能量與擋距成正比，即擋距越大，風能輸入能量越大。同時擋距增大，半波數(shù)湊成整數(shù)的幾率也增加。此外，擋距長度增大，架空線懸掛高度也隨之增高，振動風速范圍上限也相應提高。由于這些原因，架空線振動幾率、頻率及持續(xù)時間都因擋距增大而增大。

5.懸掛體系的影響。在擋距端部，架空線通過絕緣子串與桿塔橫擔相連，這些部件的阻尼對架空線振動的強度有很大影響。架空線振動時，絕緣子各個元件間產(chǎn)生相對位移和摩擦，橫擔產(chǎn)生變形，消耗掉了一部分能量，減輕了振動的危害。運行實踐表明，酒杯塔的邊橫擔和中橫擔相比，前者的架空線振動強度小，斷股數(shù)少。美國對某一條345 kV線路實測表明，邊相導線的振動強度要比中相的低10%以上；另一條水平排列的針式絕緣子線路，橫擔邊相導線的斷股為0.6%，而桿頂中相導線的斷股數(shù)竟高達30%。

6.架空線張力的影響。張力越大，頻率也就越高，單位時間振動次數(shù)增多了，如果以耐振次數(shù)衡量架空線疲勞極限，則其疲勞壽命短了，這是對線路長期運行是不利的。

三、防振技術方案

（1）選擇路徑方案時應注意避免線路方向與風向夾角較大。觀察發(fā)現(xiàn)風向與電線的軸線夾角在45°～90°時容易發(fā)生振動；當在30°～45°時，振動的穩(wěn)定性很小，在30°以下時，一般不發(fā)生振動。

（2）平坦開闊地區(qū)，氣流均勻，方向穩(wěn)定，微風振動較嚴重，應加強相應的防振措施。

（3）相同截面應采用較多股數(shù)的地線，或采用分裂數(shù)較多的導線；相同股數(shù)或分裂數(shù)時，應采用較大截面的導地線。

（4）在微風振動較嚴重的地區(qū)應縮小擋距、避免使用高塔。擋距越大，風能也越大，相同截面的導地線振動頻率越大；同時湊成整數(shù)個半波長的幾率也增加，微風振動加強。在使用高塔時，呼稱高增加時，微風振動風速范圍也提高，微風振動幾率、頻率和持續(xù)時間都增加 。

（5）避免運行時張力過大。張力越大，頻率也就越高，單位時間振動次數(shù)增多了，如果以耐振次數(shù)衡量架空線疲勞極限，則其疲勞壽命短了，這是對線路長期運行是不利的。

四、防振措施

在整個擋距中，不管架空線以何種波長和頻率振動，都以兩端固定點即線夾出口處的架空線受損最為嚴重，主要原因如下：

（1）線夾出口處始終是一個節(jié)點，角度位移大。

（2）線夾本身轉動不靈活，在懸掛點容易形成死點，振動波不容易通過線夾傳向相鄰檔，振動的絕大部分能量消耗在線夾出口處的架空線上。

（3）線夾出口處有較大的靜態(tài)應力，使線夾出口處的導線容易疲勞破壞。因此，常用的防振措施是在線夾出口處進行防振。目前常用的防振措施是防振錘和阻尼線。

五、結束語

架空輸電線路微風振動是高壓輸電線路振動最普遍的形式，同時也是造成輸電線路損傷的主要原因，期望廣大電力工作者對架空輸電線路微風振動引起足夠的重視。因此，一定要透徹掌握架空輸電線路微風振動的形成機理、影響微風振動的主要因素以及防振技術方案與措施，才可以讓關系到國計民生的輸電電網(wǎng)更加堅強。

參考文獻

[1]鄭玉琪.架空輸電線路微風振動[M].北京：水利電力出版社，1987.

[2]張會韜.架空輸電線路振動危害的實例及現(xiàn)場測振的重要性[J].電力建設，1997.

[3]邵天曉.架空送電線路的電線力學計算[M].北京：中國電力出版社，2003.

[4] Q/GDW 244-2008，國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準.架空輸電線路微風振動在線監(jiān)測系統(tǒng)技術導則.

[5]張忠河，王藏柱.舞動研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力情報.1998/（4）6-8.