輸電導(dǎo)線舞動在線監(jiān)測

李路 等

摘要：開展輸電導(dǎo)線狀態(tài)檢修工作即是現(xiàn)代高可靠性電網(wǎng)發(fā)展的必然要求，也是輸電線路管理水平不斷提高的要求，本文首先對狀態(tài)檢修進行了全面的介紹。其中在線監(jiān)測是狀態(tài)檢修中的一種重要方法，本文介紹了在線監(jiān)測的技術(shù)和方法以及其必要性等其系統(tǒng)構(gòu)成。近年來，架空輸電線路的舞動在線監(jiān)測技術(shù)取得了長足的發(fā)展。介紹導(dǎo)線舞動造成的危害、舞動的產(chǎn)生機理和監(jiān)測方式以及導(dǎo)線舞動在線監(jiān)測技術(shù)國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)檢修 在線監(jiān)測 舞動

0 引言

由于在一定的氣象條件下，導(dǎo)線舞動經(jīng)常發(fā)生，世界各國都有輸電導(dǎo)線的記錄，因此導(dǎo)線舞動很早就引起人們的注意，并且對導(dǎo)線舞動進行深入的研究具有重大的工程及學(xué)術(shù)價值，對他的研究涉及空氣動力，懸索振動，氣固耦合，氣象研究等學(xué)科，是一門多學(xué)科的綜合課題。我國是世界上導(dǎo)線舞動多發(fā)區(qū)之一，根據(jù)有關(guān)資料，在我國9個典型氣象區(qū)中，其中有8個氣象區(qū)有覆冰條件。且覆冰厚度可達3mm以上，因而都有可能發(fā)生舞動。

1 狀態(tài)檢修

所謂狀態(tài)檢修是指通過監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)，按照設(shè)備的健康狀態(tài)對設(shè)備進行檢查或維修。因此，對設(shè)備進行檢修時間與部位，通過狀態(tài)檢修根據(jù)設(shè)備的實際運行狀態(tài)進行確定，一般具有較強的針對性，并且經(jīng)濟合理。其特點主要表現(xiàn)為：設(shè)備檢修依據(jù)設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)，不是設(shè)備的使用時間；通過先進的診斷手段實施狀態(tài)監(jiān)測，以及借助評價手段和壽命預(yù)測手段等，對設(shè)備的狀態(tài)進行判斷，對設(shè)備故障的早期征兆進行識別，同時判斷故障部位、嚴(yán)重程度、故障發(fā)展趨勢等，并對診斷結(jié)果進行分析，當(dāng)設(shè)備性能下降或者故障將要發(fā)生之前主動實施維修。

2 輸電線路綜合在線監(jiān)測及其應(yīng)用

2.1 輸電線路覆冰監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

受氣候＼微地形、微氣象等因素的影響，我國冰災(zāi)事故頻繁發(fā)生，造成導(dǎo)線覆冰，進一步發(fā)生導(dǎo)線舞動。2004年12月一場歷史上罕見的天氣突襲湖南，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)在持續(xù)的、大強度冰凍的影響下，經(jīng)受有史以來最嚴(yán)峻的考驗，電力線路冰閃跳閘和倒塔斷線事故先后多次發(fā)生：3條500kV線路因不堪重負(fù)，其中倒塔24基，變形3基；6條220kV線路倒塔18基，變形9基；其它電壓等級線路也遭到不同程度的破壞。2008年一月份我國南方地區(qū)出現(xiàn)大面積嚴(yán)重雪災(zāi)，導(dǎo)致線路桿塔倒塌情況嚴(yán)重，國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)共有三萬條輸電線路和兩千多個變電站停運，嚴(yán)重影響了輸電網(wǎng)的正常運行，造成了非常重大的經(jīng)濟損失和社會影響。

目前輸電線路覆冰和舞動的理論研究已經(jīng)較為深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在實際應(yīng)用方面，無論是設(shè)立觀測站，還是定期采集數(shù)據(jù)，都不夠及時，目前輸電線路覆冰和舞動的理論研究已經(jīng)較為深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在實際應(yīng)用方面，無論是設(shè)立觀測站，還是定期采集數(shù)據(jù)，都不夠及時，而且往往很不夠經(jīng)濟，滿足不了輸電線在線監(jiān)測系統(tǒng)實時性和可靠性的要求。

為了解決導(dǎo)線覆冰監(jiān)測問題，一些研究機構(gòu)和相關(guān)公司開發(fā)了覆冰監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為防冰和除冰工作提供技術(shù)和數(shù)據(jù)支持。該系統(tǒng)主要通過綜合監(jiān)測輸電通道微氣候狀況、導(dǎo)地線的張力、傾角等力學(xué)參數(shù)、導(dǎo)線溫度、絕緣子泄漏電流，結(jié)合現(xiàn)場圖像監(jiān)視判斷輸電線路的覆冰狀況。當(dāng)前，南方電網(wǎng)公司正在建設(shè)輸電線路災(zāi)害（覆冰）預(yù)警系統(tǒng)；國家電網(wǎng)公司也開始著手建立區(qū)域性的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 動態(tài)提高輸電線路輸送容量（DLR：Dynamic Line Rating）

目前架空輸電線路的熱容量極限值是基于惡劣的氣象條件，為維持線路對地安全距離而得出的。實際上在絕大多數(shù)氣象條件下，提高線路最大輸送容量，不會造成導(dǎo)線溫度超標(biāo)，并且仍能維持導(dǎo)線對地的安全距離。DLR系統(tǒng)通過線路運行狀態(tài)監(jiān)測實時確定線路的熱容量極限值，能夠在原有線路走廊上，利用原有桿塔，提高電網(wǎng)輸送能力，節(jié)約輸電走廊，提高原有線路的利用率。

目前應(yīng)用的DLR技術(shù)主要基于以下幾種狀態(tài)監(jiān)測量：微氣候監(jiān)測；直接測量導(dǎo)線溫度；直接測量弧垂；導(dǎo)線張力測量。其中張力測量的方法監(jiān)測耐張段的導(dǎo)線張力，反映了整個耐張段內(nèi)各個檔距的弧垂和平均溫度，計算結(jié)果最為穩(wěn)定和準(zhǔn)確。美國電科院和Valley公司開發(fā)的CAT-1系統(tǒng)已在多條線路上運行，提高了輸電容量10%～20%，取得了很好的效果。國內(nèi)華東電網(wǎng)公司、上海交通大學(xué)等單位也在進行動態(tài)提高輸電容量的研究，自主研發(fā)的系統(tǒng)已在現(xiàn)場安裝試運行。

3 輸電導(dǎo)線舞動的概念及形成因素

輸電導(dǎo)線發(fā)生舞動時，非圓截面導(dǎo)線受風(fēng)的影響，進一步產(chǎn)生一種低頻（約為0.1～3Hz）、大振幅的自激振動，其振幅甚至可以達到導(dǎo)線直徑的5～300倍。在寒冬偏心覆冰的輸電線上容易發(fā)生導(dǎo)線舞動，通常情況下，由于振動峰值甚至超過10米，造成相間閃絡(luò)，損壞金具，進一步造成線路跳閘停電，或者造成導(dǎo)線燒傷、桿塔倒塌等，甚至折斷導(dǎo)線等，造成重大經(jīng)濟損失。因此，導(dǎo)線舞動直接威脅到輸電線路，尤其是超高壓，大跨越線路的輸電安全。

形成舞動的因素主要包括：覆冰、導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)參數(shù)和風(fēng)激勵。氣溫，降雨及地理環(huán)境等因素決定覆冰狀況，具有較強的隨機性，并且與風(fēng)速隨機結(jié)合，進而產(chǎn)生諸多隨機性因素。另外，輸電導(dǎo)線作為一根或一組懸垂柔性體，其結(jié)構(gòu)及振動狀態(tài)通常情況下表現(xiàn)出很強的非線性。由此可見，輸電導(dǎo)線舞動是一種由流體誘發(fā)的隨機的非線性振動，是一種流體與固體的耦合振動。導(dǎo)線舞動的形成因素如下：

3.1 導(dǎo)線覆冰的影響

通常情況下，在覆冰雪厚度在2.5～48mm.導(dǎo)線上容易發(fā)生舞動，形成覆冰需具備的條件，主要包括：①空氣濕度在90%～95%較大，干雪和雨凇，導(dǎo)線覆冰常見的氣候條件是凍雨或雨夾雪；②0～5攝氏度是最為合適的溫度，過高或過低的溫度都不利于導(dǎo)線覆冰；③空氣中水滴運動的風(fēng)速一般大于1m/s。

3.2 風(fēng)激勵的影響

形成舞動，一方面需要覆冰，另一方面需要穩(wěn)定的層流風(fēng)激勵。當(dāng)舞動風(fēng)速為4～20m/s，當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向與導(dǎo)線的夾角超過45度，這時導(dǎo)線容易發(fā)生舞動，并且夾角越接近90度，發(fā)生舞動的可能性就越大。

3.3 線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)的影響

3.3.1 導(dǎo)線直徑的影響

對于截面積較大的導(dǎo)線來說，通常情況下容易產(chǎn)生舞動。這時因為，導(dǎo)線的截面越大，其扭轉(zhuǎn)剛度就越大，進而在偏心覆冰后自身扭轉(zhuǎn)難以產(chǎn)生，在同一方向堆積更多的覆冰層，進一步增加了導(dǎo)線迎風(fēng)面與背風(fēng)面之間的冰層厚度差。從表1.1的數(shù)據(jù)也大致可以看出這種趨勢。

3.3.2 地形與地勢的影響

與山區(qū)或丘陵地區(qū)相比，平原開闊地區(qū)容易發(fā)生導(dǎo)線舞動，無論從風(fēng)速還是空氣的流態(tài)來說，平原與開闊地區(qū)有利于形成舞動。

4 輸電導(dǎo)線舞動的危害及防舞措施

4.1 導(dǎo)線舞動的危害

①對于耐張塔的主材接點和橫擔(dān)來說，在舞動的影響下，容易使緊固螺栓松扣、磨損，甚至剪斷，影響鐵塔受力；②在舞動的影響下，損壞原有的內(nèi)部絕緣或者導(dǎo)致絕緣子鋼腳發(fā)生破裂，造成停電；③損傷導(dǎo)線或磨損導(dǎo)線金具，造成導(dǎo)線斷線。

4.2 導(dǎo)線舞動成因分析

4.2.1 導(dǎo)線舞動使得導(dǎo)線迎風(fēng)表面覆冰增加。造成導(dǎo)線外形發(fā)生改變，在風(fēng)力的作用下，升力和扭距出現(xiàn)，進一步使導(dǎo)線產(chǎn)生更大的張力和反向扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生越來越大的跳動（即舞動）。

4.2.2 外界因素是覆冰、風(fēng)速和一定角的風(fēng)。①我國雖地域遼闊，導(dǎo)線舞動主要發(fā)生在秋末冬初或冬末春初。②在降雨、雨夾雪天氣，氣溫多為零上向零下變化之間容易發(fā)生導(dǎo)線舞動。③導(dǎo)線覆冰。④風(fēng)速風(fēng)向。⑤導(dǎo)線截面與舞動無關(guān)，從50～500mm，都發(fā)生過。

4.3 防舞措施

4.3.1 選擇路徑，避開容易發(fā)生導(dǎo)線舞動的氣象區(qū)。覆冰雪是引起導(dǎo)線舞動的一個基本因素，因此在選擇路徑時，應(yīng)該盡量避開覆冰雪地區(qū)。

4.3.2 防止導(dǎo)線覆冰。第一種方法是加大導(dǎo)線通過的電流，以防止或融化導(dǎo)線上的覆冰。第二種方法是采用特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)線。

4.3.3 限制導(dǎo)線的舞動范圍，對塔頭上的布置設(shè)計進行調(diào)整。但是，增大塔頭尺寸，線路的造價必然會提高，通過這種方法進行處理，并不能有效地避免舞動的發(fā)生，因此不是一種積極的防治舞動的方法。

4.3.4 采用機械方法防止舞動，采用相間間隔棒，自阻尼導(dǎo)線，阻尼器，失諧裝置，擾流線等機械方法防止導(dǎo)線的舞動。但由于導(dǎo)線舞動受多種隨機因素的影響，各種放舞技術(shù)與手段都有其一定的局限性，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境以及輸電線路的情況等因素，根據(jù)防舞裝置的特點選擇合適的防舞措施。

5 輸電導(dǎo)線舞動的機理及在線監(jiān)測技術(shù)

5.1 輸電導(dǎo)線舞動機理基礎(chǔ)

當(dāng)流體從結(jié)構(gòu)物外面流過時，通常情況下會對結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一個激勵。激勵的大小和性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的斷面形狀，以及流體的性質(zhì)，流動的方向等因素有關(guān)。

5.2 在線監(jiān)測技術(shù)

5.2.1 卡門渦（或稱漩渦脫落）振動。由于流體繞流過結(jié)構(gòu)物面，在結(jié)構(gòu)物的后方形成漩渦，當(dāng)漩渦從結(jié)構(gòu)物的兩側(cè)交替脫落時，便作用于結(jié)構(gòu)物一個交變的周期激勵力，引起結(jié)構(gòu)物周期性的振動。漩渦脫落的主導(dǎo)頻率為：

F=Sv/D

式中：f為主導(dǎo)頻率，Hz；v為自有流速度，m/s；D為結(jié)構(gòu)物垂直于流速方向的寬度，對于輸電導(dǎo)線，為導(dǎo)線直徑；S為斯特勞哈爾數(shù)，圓柱體為0.2，對于其他斷面為0.17～1.10。

5.2.2 馳振。馳振是由于流體以較高速度流過非圓斷面的結(jié)構(gòu)物表面所引起的一種自激振動。

6 存在的問題及研究方向

①實際上由于地形，地貌，地面植被，建筑物的摩擦作用，近地面的空氣流動呈湍流狀態(tài)。②目前人們就檔距對導(dǎo)線舞動影響持有不同觀點。③目前尚無十分完善能解釋各類舞動現(xiàn)象的舞動機理的提出。④許多防舞裝置的設(shè)計尚不完善，防舞效果不理想。⑤目前導(dǎo)線舞動的理論及舞動試驗研究工作開展不夠，許多風(fēng)洞無法開展的舞動研究需要試驗線路，但建設(shè)試驗線路經(jīng)費較大，目前難以實現(xiàn)。

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作者簡介：李路（1986-），男，山西太原人，2010年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，助理工程師；李昊陽（1988-），男，山西太原人，2010年畢業(yè)于山西大學(xué)法律專業(yè)，助理工程師。