輸電線路舞動的分析與防治

王鵬+唐博+戴舒

摘要：輸電線路舞動給電力系統(tǒng)的安全運行帶來了很大危害，容易導致繼電保護動作及導線、金具、絕緣子甚至桿塔的嚴重損壞。分析導致舞動的因素，闡述4種導線舞動機理，提出避舞、抗舞、抑舞3種防舞措施，為防止輸電線路舞動提供參考。

關(guān)鍵詞：輸電線路；舞動；危害；機理；防治

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0055-03

架空線上的覆冰斷面為帶冀狀的偏心筒形，若遇到風的激勵，架空線就會產(chǎn)生一種低頻率（0.1～3.0 Hz）、大振幅（約為直徑的20～300倍，可達10 m）的自激振動，這種振蕩稱為舞動。我國是舞動多發(fā)國家，曾多次發(fā)生舞動事故，造成了較嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。隨著近幾年電網(wǎng)大容量長距離的建設(shè)發(fā)展，我國線路發(fā)生舞動的概率明顯增大，因此，開展舞動研究與防治具有重要的意義。

1 架空線舞動的危害

舞動產(chǎn)生的危害是多方面的，如造成線路保護裝置跳閘、導線電弧燒傷、金具磨損或損壞、絕緣子鋼腳斷裂，以及導線斷股、斷線、倒塔等安全事故。1） 導線的舞動幅度較大且持續(xù)時間較長，容易造成線路閃絡故障。2） 導線舞動發(fā)生在多個檔距內(nèi)，如果發(fā)生線路跳閘情況，則會在很長一段時間內(nèi)頻繁跳閘，迫使該線路中斷供電。3） 發(fā)生舞動時，導線會沿著線路方向來回竄動，使懸垂絕緣子串順線路方向擺動，導致各種金具連接處發(fā)生滑動磨擦。金具之間磨擦相對較大，絕緣子串越短磨損越嚴重，特別是架空地線線夾船體的凸軸處尤為嚴重。4） 舞動會造成拉倒桿塔、折斷輸電線等嚴重事故，從而導致重大經(jīng)濟損失。

2 架空線舞動形成因素

導線舞動是一種復雜的流固耦合振動，其形成的因素非常多且互相影響，歸納起來，舞動的形成主要取決于氣象條件、線路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)、線路的走向以及線路所處的地理位置等相關(guān)因素。

2.1 氣象條件

舞動的必要條件是風，主要條件是覆冰。覆冰氣象再加上風的激勵，很容易造成導線舞動。因此，冬季是導線舞動的多發(fā)季節(jié)，主要原因是冬季在導線上容易出現(xiàn)覆冰，尤其是在凍雨或雨夾雪的天氣條件下。在風的作用下，導線的覆冰呈現(xiàn)不規(guī)則的翼狀截面，同時有的導線出現(xiàn)雨凇、雪淞及濕雪現(xiàn)象，這都極易造成導線的舞動。根據(jù)空氣動力學原理，翼狀的覆冰使導線對風的激勵更敏感，其產(chǎn)生的舞動更強烈。當然也有薄冰或無覆冰而發(fā)生的舞動，但這種情況極少見，一般在我國西北部空氣濕度較低又有大風的地區(qū)出現(xiàn)。

2.2 線路的結(jié)構(gòu)與參數(shù)

不合理的線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)也是形成舞動的重要因素之一。隨著我國超高壓特高壓長距離大容量輸電的形成，我國電網(wǎng)建設(shè)已明顯呈現(xiàn)多分裂、大截面的發(fā)展趨勢，從而增大了導線舞動的可能性。

在相同的環(huán)境、氣象條件下，分裂導線要比單導線容易產(chǎn)生舞動，大截面導線要比常規(guī)截面導線易產(chǎn)生舞動。1） 單導線覆冰時，由于扭轉(zhuǎn)剛度小，在偏心覆冰的作用下，導線容易發(fā)生很大扭轉(zhuǎn)。而分裂導線中每隔幾十米有一個間隔棒，每根子導線的相對扭轉(zhuǎn)剛度高于同截面的單導線，在偏心覆冰的作用下，導線的扭轉(zhuǎn)極其微小，導線覆冰的不對稱性因得不到緩解而易形成翼形斷面，所以作用在分裂導線上的空氣動力載荷自然會比單導線大得多。因此，對于分裂導線來說，由風激勵產(chǎn)生的升力和扭矩遠遠大于單導線。500 kV超高壓輸電線路多采用四分裂甚至多分裂導線，較易發(fā)生舞動。2） 大截面導線的相對扭轉(zhuǎn)剛度比小截面導線大些。這是由于大截面導線在偏心覆冰后難以產(chǎn)生自身扭轉(zhuǎn)，使得覆冰層更多地堆積在同一方向，使導線迎風面與背風面的冰層厚度差增大，覆冰導線截面的偏心度比起小截面導線要嚴重得多，因此產(chǎn)生舞動的可能性比小截面導線大。

檔距大小與舞動也存在著關(guān)系。目前有兩種觀點：其一，檔距短的扭振固有頻率和橫向固有頻率比檔距長的高，一般不會在低頻帶發(fā)生耦合諧振，因而可通過縮短檔距來防止舞動。其二，同樣的導線，其短檔距的相對扭轉(zhuǎn)剛度比長檔距的大，迎風面覆冰時扭轉(zhuǎn)角小，更易形成翼形覆冰，在相同的風激勵作用下，升力、扭矩要大些，更易于舞動。

2.3 線路的走向及所處的地理位置

一般來說，各種截面模型的空氣動力學試驗都是按照風向垂直于模型的軸線方向來進行的。事實上，在這種情況下模型所承受的作用力最大，所表現(xiàn)出來的空氣動力現(xiàn)象最為典型。如果風向與物體的軸線之間有一定夾角，將風激勵力分解為垂直和平行于導線的兩個力，真正起激振作用的是風激勵力的垂直分量，而平行分量一般是不會起激勵作用的。由此可見，一段線路舞動的程度與狀態(tài)，主要決定于風向?qū)Ь€軸的夾角。當夾角為90°時，對舞動的影響最大；反之，當夾角趨向于0°，則引起舞動的可能性最小。所以，線路的走向要參考當?shù)氐臍庀髼l件，盡量減小線路走向與風向的夾角。此外，不規(guī)則的氣流對導線的空氣動力載荷將會有一定程度的相互抵消，而同一方向的氣流所造成的空氣動力載荷會相互疊加。所以，與山區(qū)或丘陵地區(qū)相比，平原、開闊地區(qū)無論從風速還是空氣的流動來說，都易促使架空線舞動的形成。

3 架空線舞動機理

3.1 Den Hartog的垂直舞動機理

該理論認為，當風吹向偏心覆冰導線時產(chǎn)生升力和阻力，只有當升力曲線斜率的負值大于阻力時，導線截面動力不穩(wěn)定，舞動才能產(chǎn)生。由于沒有考慮導線的扭轉(zhuǎn)運動，對于覆冰導線在其長軸與風向一致時的舞動現(xiàn)象，該理論不能解釋。該理論數(shù)學表達式為：

CD+?CL/?α<0 （1）

式中：CL為空氣動力升力系數(shù)；CD為空氣動力阻尼系數(shù)；α為偏心冰導線迎風攻角。

該理論框圖如圖1所示。

3.2 Nigol的扭轉(zhuǎn)舞動機理

該理論認為，當覆冰導線的空氣動力扭轉(zhuǎn)阻尼為負且大于導線的固有扭轉(zhuǎn)阻尼時，扭轉(zhuǎn)運動成為自身扭振，當扭轉(zhuǎn)振動頻率接近垂直或水平振動頻率時，橫向運動受耦合力的激勵產(chǎn)生一交變力，在此力作用下導線發(fā)生大幅度的舞動。該理論考慮了導線扭轉(zhuǎn)的影響，這是對前述舞動理論的重要補充和發(fā)展，但它不能說明薄冰或無覆冰舞動現(xiàn)象。該理論數(shù)學表達式為：

CDα0+（1+θkv/Aωk） ?CL/?α<0 （2）

式中：θk，ωk分別為導線第k階扭轉(zhuǎn)振動的振幅和角頻率；v為與線路走向垂直的水平風速；α0為偏心覆冰導線初迎風攻角。

該理論框圖如圖2所示。

3.3 偏心慣性耦合失穩(wěn)機理

該理論認為，導線舞動屬于三自由度運動，絕大多數(shù)情況下都將同時出現(xiàn)3種振動，即扭轉(zhuǎn)、垂直和水平。由于覆冰導線存在偏心慣性，既可能通過橫向運動（垂直和水平）產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運動，此時在升力曲線負斜率區(qū)域內(nèi)舞動積累能量，在正斜率區(qū)域內(nèi)則反之；也可能通過扭轉(zhuǎn)運動誘發(fā)橫向運動，此時扭轉(zhuǎn)運動通過耦合項產(chǎn)生交變力，導致垂直和水平舞動既可發(fā)生在升力曲線的負斜率區(qū)域內(nèi)，也可發(fā)生在正斜率區(qū)域內(nèi)。該理論能較好地解釋實際觀測到的很多舞動現(xiàn)象，但它仍不能對薄、無覆冰舞動現(xiàn)象作出合理解釋。該理論框圖如圖3所示。

3.4 低阻尼系統(tǒng)共振舞動機理

該理論由我國學者蔡廷湘提出。該理論認為，在風作用下，整個架空輸電線路各組成部分都會產(chǎn)生不同幅度的振動，在特殊氣象條件下，導線氣動及結(jié)構(gòu)阻尼降低，振動增加并使線路產(chǎn)生系統(tǒng)共振從而形成舞動。該理論能夠解釋傳統(tǒng)舞動原理不能解釋的許多舞動現(xiàn)象，如薄、無覆冰舞動等，但該理論缺乏試驗研究，有待實踐驗證。

4 架空線舞動的防治

導線防舞措施分為3種：避舞、抗舞和抑舞。在輸電線路設(shè)計時，應優(yōu)先采用避舞和抗舞措施，當有其他因素限制時需要考慮采用抑舞措施。

4.1 避舞

舞動常發(fā)生在導線覆冰大風地區(qū)。在電線路規(guī)劃時，要合理規(guī)劃線路走向和路徑，綜合考慮生態(tài)環(huán)境條件、工程造價和當?shù)貧庀髤?shù)等，避開雨凇凍雪出現(xiàn)頻繁、大風較多地帶，同時避開大的跨越（如寬闊的江河、峽谷、迎風的山坡和風口地帶），盡量使線路走向與冬季的主導風向一致。

4.2 抗舞

當輸電線路已經(jīng)確定且不能改變氣象條件的情況下，需要提高導線系統(tǒng)抵抗舞動的能力。可以通過提高線路的機械強度和電氣性能來抵抗外界因素帶來的舞動。導線舞動的軌跡是垂直于導線軸線的橢圓形，因此，可以在塔頭結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采取相應措施來防止導線與導線、導線與地線間的碰撞。同時，采用抗舞動線夾，可以在舞動情況下保護導線不受損傷。

4.3 抑舞

抑舞主要是對具有發(fā)生舞動可能性的線路加裝防舞器。針對不同的舞動機理選用不同的防舞動器材去防治（如圖4所示）。

5 結(jié)語

導線舞動是很強的非線性振動，其影響因素有多種。要在理論和實踐方面徹底解決舞動問題，必須堅持不懈地將理論研究、科學試驗與實際工程相結(jié)合，聯(lián)系不同學科，并借鑒國際研究成果，開展系統(tǒng)性和整體性的研究。

CDα0+（1+θkv/Aωk） ?CL/?α<0 （2）

式中：θk，ωk分別為導線第k階扭轉(zhuǎn)振動的振幅和角頻率；v為與線路走向垂直的水平風速；α0為偏心覆冰導線初迎風攻角。

該理論框圖如圖2所示。

3.3 偏心慣性耦合失穩(wěn)機理

該理論認為，導線舞動屬于三自由度運動，絕大多數(shù)情況下都將同時出現(xiàn)3種振動，即扭轉(zhuǎn)、垂直和水平。由于覆冰導線存在偏心慣性，既可能通過橫向運動（垂直和水平）產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運動，此時在升力曲線負斜率區(qū)域內(nèi)舞動積累能量，在正斜率區(qū)域內(nèi)則反之；也可能通過扭轉(zhuǎn)運動誘發(fā)橫向運動，此時扭轉(zhuǎn)運動通過耦合項產(chǎn)生交變力，導致垂直和水平舞動既可發(fā)生在升力曲線的負斜率區(qū)域內(nèi)，也可發(fā)生在正斜率區(qū)域內(nèi)。該理論能較好地解釋實際觀測到的很多舞動現(xiàn)象，但它仍不能對薄、無覆冰舞動現(xiàn)象作出合理解釋。該理論框圖如圖3所示。

3.4 低阻尼系統(tǒng)共振舞動機理

該理論由我國學者蔡廷湘提出。該理論認為，在風作用下，整個架空輸電線路各組成部分都會產(chǎn)生不同幅度的振動，在特殊氣象條件下，導線氣動及結(jié)構(gòu)阻尼降低，振動增加并使線路產(chǎn)生系統(tǒng)共振從而形成舞動。該理論能夠解釋傳統(tǒng)舞動原理不能解釋的許多舞動現(xiàn)象，如薄、無覆冰舞動等，但該理論缺乏試驗研究，有待實踐驗證。

4 架空線舞動的防治

導線防舞措施分為3種：避舞、抗舞和抑舞。在輸電線路設(shè)計時，應優(yōu)先采用避舞和抗舞措施，當有其他因素限制時需要考慮采用抑舞措施。

4.1 避舞

舞動常發(fā)生在導線覆冰大風地區(qū)。在電線路規(guī)劃時，要合理規(guī)劃線路走向和路徑，綜合考慮生態(tài)環(huán)境條件、工程造價和當?shù)貧庀髤?shù)等，避開雨凇凍雪出現(xiàn)頻繁、大風較多地帶，同時避開大的跨越（如寬闊的江河、峽谷、迎風的山坡和風口地帶），盡量使線路走向與冬季的主導風向一致。

4.2 抗舞

當輸電線路已經(jīng)確定且不能改變氣象條件的情況下，需要提高導線系統(tǒng)抵抗舞動的能力?？梢酝ㄟ^提高線路的機械強度和電氣性能來抵抗外界因素帶來的舞動。導線舞動的軌跡是垂直于導線軸線的橢圓形，因此，可以在塔頭結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采取相應措施來防止導線與導線、導線與地線間的碰撞。同時，采用抗舞動線夾，可以在舞動情況下保護導線不受損傷。

4.3 抑舞

抑舞主要是對具有發(fā)生舞動可能性的線路加裝防舞器。針對不同的舞動機理選用不同的防舞動器材去防治（如圖4所示）。

5 結(jié)語

導線舞動是很強的非線性振動，其影響因素有多種。要在理論和實踐方面徹底解決舞動問題，必須堅持不懈地將理論研究、科學試驗與實際工程相結(jié)合，聯(lián)系不同學科，并借鑒國際研究成果，開展系統(tǒng)性和整體性的研究。

CDα0+（1+θkv/Aωk） ?CL/?α<0 （2）

式中：θk，ωk分別為導線第k階扭轉(zhuǎn)振動的振幅和角頻率；v為與線路走向垂直的水平風速；α0為偏心覆冰導線初迎風攻角。

該理論框圖如圖2所示。

3.3 偏心慣性耦合失穩(wěn)機理

該理論認為，導線舞動屬于三自由度運動，絕大多數(shù)情況下都將同時出現(xiàn)3種振動，即扭轉(zhuǎn)、垂直和水平。由于覆冰導線存在偏心慣性，既可能通過橫向運動（垂直和水平）產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運動，此時在升力曲線負斜率區(qū)域內(nèi)舞動積累能量，在正斜率區(qū)域內(nèi)則反之；也可能通過扭轉(zhuǎn)運動誘發(fā)橫向運動，此時扭轉(zhuǎn)運動通過耦合項產(chǎn)生交變力，導致垂直和水平舞動既可發(fā)生在升力曲線的負斜率區(qū)域內(nèi)，也可發(fā)生在正斜率區(qū)域內(nèi)。該理論能較好地解釋實際觀測到的很多舞動現(xiàn)象，但它仍不能對薄、無覆冰舞動現(xiàn)象作出合理解釋。該理論框圖如圖3所示。

3.4 低阻尼系統(tǒng)共振舞動機理

該理論由我國學者蔡廷湘提出。該理論認為，在風作用下，整個架空輸電線路各組成部分都會產(chǎn)生不同幅度的振動，在特殊氣象條件下，導線氣動及結(jié)構(gòu)阻尼降低，振動增加并使線路產(chǎn)生系統(tǒng)共振從而形成舞動。該理論能夠解釋傳統(tǒng)舞動原理不能解釋的許多舞動現(xiàn)象，如薄、無覆冰舞動等，但該理論缺乏試驗研究，有待實踐驗證。

4 架空線舞動的防治

導線防舞措施分為3種：避舞、抗舞和抑舞。在輸電線路設(shè)計時，應優(yōu)先采用避舞和抗舞措施，當有其他因素限制時需要考慮采用抑舞措施。

4.1 避舞

舞動常發(fā)生在導線覆冰大風地區(qū)。在電線路規(guī)劃時，要合理規(guī)劃線路走向和路徑，綜合考慮生態(tài)環(huán)境條件、工程造價和當?shù)貧庀髤?shù)等，避開雨凇凍雪出現(xiàn)頻繁、大風較多地帶，同時避開大的跨越（如寬闊的江河、峽谷、迎風的山坡和風口地帶），盡量使線路走向與冬季的主導風向一致。

4.2 抗舞

當輸電線路已經(jīng)確定且不能改變氣象條件的情況下，需要提高導線系統(tǒng)抵抗舞動的能力?？梢酝ㄟ^提高線路的機械強度和電氣性能來抵抗外界因素帶來的舞動。導線舞動的軌跡是垂直于導線軸線的橢圓形，因此，可以在塔頭結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采取相應措施來防止導線與導線、導線與地線間的碰撞。同時，采用抗舞動線夾，可以在舞動情況下保護導線不受損傷。

4.3 抑舞

抑舞主要是對具有發(fā)生舞動可能性的線路加裝防舞器。針對不同的舞動機理選用不同的防舞動器材去防治（如圖4所示）。

5 結(jié)語

導線舞動是很強的非線性振動，其影響因素有多種。要在理論和實踐方面徹底解決舞動問題，必須堅持不懈地將理論研究、科學試驗與實際工程相結(jié)合，聯(lián)系不同學科，并借鑒國際研究成果，開展系統(tǒng)性和整體性的研究。