真型試驗(yàn)線(xiàn)路次檔距振蕩的觀測(cè)與分析

盧明，葛亞峰，魏建林，胡文，李黎，馬寧

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州市450052；2.國(guó)網(wǎng)合肥供電公司，合肥市230022；3.電氣與電子工程學(xué)院，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，武漢市430074)

真型試驗(yàn)線(xiàn)路次檔距振蕩的觀測(cè)與分析

盧明1，葛亞峰2，魏建林1，胡文3，李黎3，馬寧3

(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州市450052；2.國(guó)網(wǎng)合肥供電公司，合肥市230022；3.電氣與電子工程學(xué)院，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，武漢市430074)

本文首先闡述了多分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的機(jī)理，分析了影響次檔距振蕩發(fā)生的幾個(gè)主要因素，并以河南鄭州尖山的國(guó)網(wǎng)公司舞動(dòng)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的真型試驗(yàn)線(xiàn)路為依托，開(kāi)展了真型試驗(yàn)線(xiàn)路自然次檔距振蕩的觀測(cè)與分析。試驗(yàn)使用擁有多種功能的線(xiàn)路振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，定性和定量分析分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的規(guī)律。研究結(jié)果表明，三相導(dǎo)線(xiàn)中，迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)容易形成穩(wěn)定的次檔距振蕩，由于迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)對(duì)氣流的干擾，中相導(dǎo)線(xiàn)幾乎不發(fā)生次檔距振蕩。另外，各相子導(dǎo)線(xiàn)以及不同檔距處的振蕩狀態(tài)皆有所不同，振蕩的幅值和頻率受到風(fēng)速的影響也有所變化。

分裂導(dǎo)線(xiàn)；次檔距振蕩；間隔棒；真型試驗(yàn)線(xiàn)路；氣流

0 引 言

隨著我國(guó)電力輸送容量的增加，輸電線(xiàn)路朝著多分裂、大容量、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展成為了必然趨勢(shì)。近年來(lái)，交直流特高壓輸電線(xiàn)路工程投運(yùn)數(shù)量激增，超特高壓輸電線(xiàn)路一般采用六分裂和八分裂導(dǎo)線(xiàn)[1-2]。特高壓輸電線(xiàn)路容量大，在電力傳送網(wǎng)絡(luò)中具有重要作用。次檔距振蕩是分裂導(dǎo)線(xiàn)的特有振動(dòng)現(xiàn)象，它屬于氣動(dòng)不穩(wěn)定引起的振動(dòng)。次檔距振蕩的振動(dòng)軌跡呈水平扁長(zhǎng)橢圓，會(huì)造成子導(dǎo)線(xiàn)間的相互碰撞和鞭擊，導(dǎo)線(xiàn)磨損，而且較大的振幅會(huì)使間隔棒線(xiàn)夾處導(dǎo)線(xiàn)的動(dòng)彎應(yīng)變?cè)龃?，?dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)疲勞斷股[3-6]。次檔距振蕩可能造成的電力系統(tǒng)事故將引發(fā)嚴(yán)重的后果，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，加強(qiáng)輸電線(xiàn)路分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的研究，不僅具有重要的理論價(jià)值，更具有顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

由于受次檔距產(chǎn)生條件的限制和重現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)成本問(wèn)題，導(dǎo)致分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。對(duì)于次檔距振蕩的研究多集中在理論計(jì)算和數(shù)值分析方面，少見(jiàn)次檔距振蕩的實(shí)測(cè)研究[7-12]。河南尖山的舞動(dòng)防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是我國(guó)第一個(gè)真型輸電線(xiàn)路綜合試驗(yàn)基地，主要用于研究線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)。試驗(yàn)基地建有真型試驗(yàn)線(xiàn)路、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)站。真型試驗(yàn)線(xiàn)路走徑與地形如圖1所示。該基地所處的尖山地區(qū)風(fēng)速條件優(yōu)越，線(xiàn)路極容易發(fā)生舞動(dòng)。尖山真型輸電線(xiàn)路綜合試驗(yàn)基地的試驗(yàn)線(xiàn)路全長(zhǎng)3 715 m，10基桿塔，分為綜合試驗(yàn)研究段、緊湊型線(xiàn)路研究段和覆冰研究段，其中包括多條分裂導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)路，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站設(shè)有監(jiān)控中心及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括舞動(dòng)、微氣象、覆冰、視頻、風(fēng)偏及微風(fēng)振動(dòng)等監(jiān)測(cè)設(shè)備。利用河南省尖山真型輸電線(xiàn)路綜合試驗(yàn)基地，開(kāi)展了對(duì)真型試驗(yàn)線(xiàn)路的次檔距振蕩特性的觀測(cè)與分析研究。

圖1 真型試驗(yàn)線(xiàn)路走徑與地形圖Fig.1 Walking trails and topographic maps of true type test lines

1 次檔距振蕩的影響因素

1.1 次檔距振蕩的產(chǎn)生

次檔距振蕩是分裂導(dǎo)線(xiàn)特有的一種振動(dòng)形式，又稱(chēng)為尾流馳振。超高壓線(xiàn)路中，每相導(dǎo)線(xiàn)由2根或2根以上子導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成1組或1束導(dǎo)線(xiàn)，并使用間隔棒將分裂導(dǎo)線(xiàn)固定成束狀結(jié)構(gòu)，相鄰2個(gè)間隔棒之間的跨度稱(chēng)為次檔距。當(dāng)分裂導(dǎo)線(xiàn)束中的背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線(xiàn)落到迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線(xiàn)周?chē)纬傻男郎u氣動(dòng)尾流中時(shí)，分裂導(dǎo)線(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生尾流馳振[13-15]，架空線(xiàn)背風(fēng)面渦流示意圖如圖2所示。

圖2 架空線(xiàn)背風(fēng)面渦流示意圖Fig.2 Leeward vortex of overhead lines

圖3所示為尾流中導(dǎo)線(xiàn)受力示意圖，將Z軸定義為垂直方向，Y軸定義為水平方向。子導(dǎo)線(xiàn)上下方氣流速度不一樣，會(huì)產(chǎn)生升力和阻力，阻力使子導(dǎo)線(xiàn)做近似垂直方向的擺動(dòng)，升力使子導(dǎo)線(xiàn)做水平方向的擺動(dòng)，在2個(gè)力共同作用下形成了橢圓形的振蕩。一般而言，阻力比升力大1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，垂直方向上的振幅要比水平方向上的振幅大很多。

圖3尾流中導(dǎo)線(xiàn)受力示意圖Fig.3 Force diagram of conductor in wake flow

1.2 影響因素

影響分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的因素有多個(gè)，包括氣象條件、地形地貌、風(fēng)與導(dǎo)線(xiàn)的夾角、子導(dǎo)線(xiàn)的數(shù)量和布置、分裂導(dǎo)線(xiàn)間距和導(dǎo)線(xiàn)的直徑、導(dǎo)線(xiàn)質(zhì)量、間隔棒裝置的類(lèi)型和位置等。

1.2.1 氣象條件與地形地貌

均勻穩(wěn)定的風(fēng)是引起分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的基本因素。一方面風(fēng)誘發(fā)了分裂導(dǎo)線(xiàn)的振蕩，另一方面，維持次檔距振蕩需要保持頻率相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)風(fēng)速不規(guī)則大幅度變化時(shí)，風(fēng)速將失去均勻性，那么分裂導(dǎo)線(xiàn)將不會(huì)形成持續(xù)的振蕩，甚至不發(fā)生振蕩。影響風(fēng)速均勻性的因素包括:風(fēng)速、導(dǎo)線(xiàn)懸掛高度、檔距、風(fēng)向、地貌等。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)離開(kāi)地面的距離越大，風(fēng)速受到地貌的影響越小，風(fēng)速的均勻性越好，次檔距振蕩越容易發(fā)生。

1.2.2 分裂導(dǎo)線(xiàn)的間距與導(dǎo)線(xiàn)直徑

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，分裂導(dǎo)線(xiàn)的次檔距振蕩與分裂導(dǎo)線(xiàn)的分裂間距有關(guān)，當(dāng)子導(dǎo)線(xiàn)的直徑一定時(shí)，分裂間距越大，次檔距振蕩越弱。由次檔距振蕩的機(jī)理可知，分裂導(dǎo)線(xiàn)的次檔距振蕩主要是由于背風(fēng)側(cè)導(dǎo)線(xiàn)處于迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)線(xiàn)的尾流之中，進(jìn)而產(chǎn)生了次檔距振蕩。增加分裂導(dǎo)線(xiàn)的分裂間距，可以減少處于迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線(xiàn)尾流中的子導(dǎo)線(xiàn)數(shù)目，從而可以減弱次檔距振蕩的發(fā)生。次檔距與子導(dǎo)線(xiàn)的振幅的近似計(jì)算公式[16]如式(1)所示:

式中:X0為子導(dǎo)線(xiàn)振幅，m；l為次檔距，m；v為風(fēng)速，m/s；a為分裂半徑，m；D為導(dǎo)線(xiàn)外徑，m；T為導(dǎo)線(xiàn)張力，kN；W為導(dǎo)線(xiàn)單位質(zhì)量，kg/m；E為系統(tǒng)對(duì)數(shù)衰減率。

通常用分裂間距對(duì)直徑之比(a/D)表示分裂導(dǎo)線(xiàn)的迎風(fēng)面導(dǎo)線(xiàn)至背風(fēng)面導(dǎo)線(xiàn)的距離。常規(guī)設(shè)計(jì)中，a/D值在10～20之間。根據(jù)CIGRE對(duì)各會(huì)員國(guó)的咨詢(xún)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)a/D值在15～18之間時(shí)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)嚴(yán)重的次檔距振蕩；如果a/D值小于10，則可能產(chǎn)生嚴(yán)重的振蕩[17]。一般而言，增大a/D值往往會(huì)降低次檔距振蕩發(fā)生的可能性，但若該比值過(guò)大，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度而言是不合理的。

1.2.3 次檔距長(zhǎng)度

分裂導(dǎo)線(xiàn)在1個(gè)檔距中裝有若干個(gè)保持子導(dǎo)線(xiàn)間距的間隔棒，進(jìn)而把1個(gè)檔距分成若干個(gè)次檔距，安裝間隔棒的位置就形成了震波傳播的節(jié)點(diǎn)，間隔棒的安裝位置對(duì)于次檔距振蕩的影響非常大[13]。在導(dǎo)線(xiàn)和分裂間距相同的情況下，振蕩幅值與次檔距長(zhǎng)度成正比。減少次檔距長(zhǎng)度后，間隔棒可以更好地吸收能量，從而減小分裂導(dǎo)線(xiàn)的振蕩能量，把次檔距振蕩抑制在安全限度內(nèi)。但是，過(guò)度縮小次檔距長(zhǎng)度會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。早期工程采用的是將1個(gè)檔距平均分為若干等分的方法，這種間隔棒安裝方式使得相鄰次檔距的振蕩周期一致，因此，線(xiàn)路有1處振蕩就會(huì)導(dǎo)致全部次檔距振蕩。為了防止這種情況的發(fā)生，間隔棒應(yīng)該采用不等距安裝的方式。由于間隔棒的布置問(wèn)題比較復(fù)雜，需要考慮的因素較多，通常沒(méi)有完美的方法來(lái)設(shè)計(jì)間隔棒在檔距內(nèi)的安裝位置，目前尚憑借運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來(lái)確定。

2 實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 六分裂試驗(yàn)線(xiàn)路的基本參數(shù)

本文的觀測(cè)對(duì)象為尖山真型輸電線(xiàn)路綜合試驗(yàn)基地的試驗(yàn)3～4號(hào)段六分裂緊湊型試驗(yàn)線(xiàn)路，其為500 kV緊湊型線(xiàn)路的一段，檔距為284 m。其中:3號(hào)塔為耐張桿塔，三相呈水平布置，4號(hào)塔為緊湊型塔，三相呈三角形布置，試驗(yàn)線(xiàn)路的現(xiàn)場(chǎng)照片如圖4所示。試驗(yàn)線(xiàn)路上配置有測(cè)量微氣象、視頻等相關(guān)測(cè)量裝置，用于對(duì)監(jiān)控信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

3～4號(hào)段六分裂試驗(yàn)線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為L(zhǎng)GJ.300/40導(dǎo)線(xiàn)，子導(dǎo)線(xiàn)間距375 mm。3～4號(hào)段六分裂試驗(yàn)線(xiàn)路上安裝11個(gè)間隔棒，間隔棒與模擬冰的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖5所示，該圖為A相導(dǎo)線(xiàn)，其余兩相導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)似。間隔棒采用非等間距布置，非等間距布置方案按現(xiàn)行輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)規(guī)程確定[18]，間隔棒的具體布置位置如圖6所示。

圖4 3～4號(hào)段六分裂試驗(yàn)線(xiàn)路現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 Field photo of 3～4 six split test lines

圖5 六分裂間隔棒和模擬冰的現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.5 Field installation diagram of six split spacers and ice models

圖6 六分裂導(dǎo)線(xiàn)子間隔棒安裝位置Fig.6 Field installation diagram of six split conductor sub-spacers and ice models

2.2 輸電線(xiàn)路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)綜合了多種線(xiàn)路觀測(cè)方式，建立了可用于觀測(cè)多種導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)形式的輸電線(xiàn)路振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從而為輸電線(xiàn)路防振、次檔距振蕩機(jī)理分析及分裂導(dǎo)線(xiàn)的次檔距振蕩特征和規(guī)律等提供支撐。線(xiàn)路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝示意圖如圖7所示，微氣象、高速風(fēng)、視頻、靜張力、動(dòng)張力、基于加速度傳感器的舞動(dòng)軌跡等的相關(guān)測(cè)量裝置都安裝在試驗(yàn)基地的桿塔上，對(duì)所監(jiān)控信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。夜視和單目測(cè)量所采用的攝像機(jī)則安裝在塔下，便于以合適的角度拍攝舞動(dòng)過(guò)程的導(dǎo)線(xiàn)姿態(tài)，其中夜視裝置安裝在水泥桿上，可對(duì)舞動(dòng)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，而單目測(cè)量裝置所需的高精度攝像機(jī)需要手動(dòng)操作，因此是一種離線(xiàn)的測(cè)量手段。

圖7 輸電線(xiàn)路振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖Fig.7 Installation diagram of transmission line vibration monitoring system

同時(shí)，該輸電線(xiàn)路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配備有光纖通信系統(tǒng)，以保證測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠傳輸，防止由于數(shù)據(jù)大量積累所造成的裝置癱瘓和數(shù)據(jù)丟失。輸電線(xiàn)路振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信拓?fù)淙鐖D8所示，桿塔上監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試數(shù)據(jù)可以通過(guò)塔上的檢測(cè)基站進(jìn)行匯總，并通過(guò)光纖傳送給監(jiān)控中心的服務(wù)器，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。

圖8 輸電線(xiàn)路振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信拓?fù)銯ig.8 Communication topology of transmission line vibration monitoring system

2.3 觀測(cè)方案

通過(guò)分析試驗(yàn)線(xiàn)路六分裂導(dǎo)線(xiàn)自然發(fā)生次檔距振蕩后，分裂導(dǎo)線(xiàn)的振幅、頻率的變化，統(tǒng)計(jì)風(fēng)速與分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩之間的關(guān)系，研究分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的特征和規(guī)律。為了深入研究分裂導(dǎo)線(xiàn)的次檔距振蕩特性，試驗(yàn)分為定性分析和定量分析2個(gè)部分，如表1所示。定性分析需要對(duì)次檔距發(fā)生時(shí)各相(極)導(dǎo)線(xiàn)的姿態(tài)、發(fā)生振蕩時(shí)的風(fēng)速、氣象參數(shù)等進(jìn)行分析；定量分析需要對(duì)次檔距發(fā)生時(shí)子導(dǎo)線(xiàn)的振幅和頻率進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)線(xiàn)路次檔距振蕩特性分析

3.1 與風(fēng)速、風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

本文線(xiàn)路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了2013年全年發(fā)生的次檔距振蕩發(fā)生情況。將水平方向上的振幅大于0.1 m并持續(xù)30 min以上的次檔距振蕩視為一次穩(wěn)定的振蕩。在2013年全年，共發(fā)生93次穩(wěn)定的次檔距振蕩。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄了發(fā)生穩(wěn)定振蕩過(guò)程中的平均風(fēng)速以及方向，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9和10所示。

表1 真型試驗(yàn)線(xiàn)路的次檔距振蕩觀測(cè)方案Table 1 Subspan oscillation observation program of true type test line

圖9 次檔距振蕩與風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.9 Statistical relationship between subspan oscillations and wind direction

圖1 O 次檔距振蕩與風(fēng)速的統(tǒng)計(jì)關(guān)系Fig.1O Statistical relationship between subspan oscillations and wind speed

從圖9可以看出，發(fā)生次檔距振蕩時(shí)的風(fēng)向主要為西南、南西南、南方向，占全年所有發(fā)生的次檔距振蕩的近一半。本文的真型試驗(yàn)線(xiàn)路是東西走向的，可見(jiàn)發(fā)生次檔距振蕩時(shí)的主要風(fēng)向與線(xiàn)路的夾角都在45°以上。風(fēng)速是影響次檔距振蕩發(fā)生的另一個(gè)重要因素。從圖10的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，發(fā)生次檔距振蕩時(shí)的風(fēng)速主要分布在7～15 m/s，占到了總數(shù)的76%。綜合以上2點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得出當(dāng)風(fēng)速在7～15 m/s且風(fēng)向與線(xiàn)路走向的夾角在45°以上時(shí)分裂導(dǎo)線(xiàn)易發(fā)生次檔距振蕩。

3.2 子導(dǎo)線(xiàn)的振蕩狀態(tài)分析

以A相的各子導(dǎo)線(xiàn)的中點(diǎn)為研究對(duì)象(子導(dǎo)線(xiàn)的編號(hào)如圖5所示)，分析各子導(dǎo)線(xiàn)的振蕩狀態(tài)。表2給出了在風(fēng)速為7 m/s、風(fēng)向?yàn)槟衔髂蠒r(shí)A相的各子導(dǎo)線(xiàn)的中點(diǎn)的水平振幅、垂直振幅以及振蕩方向。將順時(shí)針振蕩視為正方向，逆時(shí)針視為負(fù)方向，由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn)，各子導(dǎo)線(xiàn)的振幅存在一定的差異，處于迎風(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)1、5和6的垂直振動(dòng)幅值明顯大于處于背風(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)2、3和4的垂直振動(dòng)幅值，但是各子導(dǎo)線(xiàn)的水平振幅沒(méi)有明顯的差異。這是因?yàn)楸筹L(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)2、3和4處于迎風(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)1、5和6的后面，受尾流的影響，它們所受的阻力會(huì)明顯變小，所以處于迎風(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)1、5和6的垂直振動(dòng)幅值大于處于背風(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)2、3和4。另外，各子導(dǎo)線(xiàn)的振蕩方向也有所不同，子導(dǎo)線(xiàn)的反向運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)觀察到的“鞭擊”現(xiàn)象的主要原因。

表2 A相各子導(dǎo)線(xiàn)中點(diǎn)的振蕩狀態(tài)Table 2 Oscillation states of midpoints of A phase split conductor

為了分析風(fēng)速對(duì)次檔距振蕩的影響，以A相1號(hào)子導(dǎo)線(xiàn)的中點(diǎn)為研究對(duì)象，記錄了在不同風(fēng)速的南西南風(fēng)時(shí)的振蕩狀態(tài)，數(shù)據(jù)如表3所示。從表中可以看出，無(wú)論是振蕩的垂直振幅還是水平振幅，皆隨著風(fēng)速的增大而增大，且垂直振幅始終要大于水平振幅。振蕩頻率隨著風(fēng)速的增大，沒(méi)有明顯的有規(guī)律的變化趨勢(shì)。在風(fēng)速為12 m/s時(shí)，振蕩的頻率要明顯大于其他風(fēng)速時(shí)的振蕩頻率。另外，風(fēng)速的大小也會(huì)改變導(dǎo)線(xiàn)的振蕩方向。

同一根子導(dǎo)線(xiàn)不同次檔距處的振蕩有所不同。表4給出了A相1號(hào)子導(dǎo)線(xiàn)在激勵(lì)為風(fēng)速10 m/s的南西南風(fēng)時(shí)，各次檔距中點(diǎn)處振蕩的垂直幅值。表中的序號(hào)為圖6中從左到右(3到4號(hào)段)的12個(gè)次檔距的中點(diǎn)。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，越靠近子導(dǎo)線(xiàn)中點(diǎn)處的次檔距振幅越大，次檔距7的中點(diǎn)最接近于整檔線(xiàn)路的中點(diǎn)，振幅最大；而越靠近子導(dǎo)線(xiàn)兩端的次檔距1和12的中點(diǎn)的振幅最小。

表3 不同風(fēng)速時(shí)1號(hào)子導(dǎo)線(xiàn)的振蕩狀態(tài)Table 3 Oscillation states of No.1 sub-conductor with different wind speed

表4 1號(hào)子導(dǎo)線(xiàn)各次檔距中點(diǎn)處的垂直振幅Table 4 Vertical amplitude of midpoints at each subspans of No.1 sub-conductorm

3.3 不同相導(dǎo)線(xiàn)的振蕩狀態(tài)分析

2013年10月9日18:30左右，3～4號(hào)段六分裂導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生次檔距振蕩，發(fā)生次檔距振蕩的氣象信息如下:激勵(lì)條件風(fēng)速11 m/s，風(fēng)向角53°，風(fēng)向?yàn)槟衔髂?。?duì)錄像資料進(jìn)行處理后，得到如圖11所示的系列圖片，相鄰2張圖片的取相時(shí)間相差2 s。

通過(guò)對(duì)記錄的視頻資料分析可知，三相導(dǎo)線(xiàn)中處于迎風(fēng)側(cè)的邊相(A相)導(dǎo)線(xiàn)有明顯的次檔距振蕩現(xiàn)象，越靠近跨中部位的導(dǎo)線(xiàn)振蕩幅度越大，且子導(dǎo)線(xiàn)有相互鞭打的現(xiàn)象；背風(fēng)側(cè)的邊相(C相)導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有明顯的次檔距振蕩，各子導(dǎo)線(xiàn)基本沒(méi)有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；中相(B相)導(dǎo)線(xiàn)基本是垂直方向的位移，幾乎沒(méi)有水平方向的位移，可以判斷中相導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有發(fā)生次檔距振蕩。三相導(dǎo)線(xiàn)迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生穩(wěn)定的次檔距振蕩時(shí)，背風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)和中相導(dǎo)線(xiàn)幾乎不發(fā)生次檔距振蕩。由次檔距產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)分析可知，形成穩(wěn)定的次檔距振蕩需要穩(wěn)定的風(fēng)速。當(dāng)迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生次檔距振蕩后，導(dǎo)線(xiàn)的振動(dòng)會(huì)擾動(dòng)來(lái)向風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)速，而使得在中相導(dǎo)線(xiàn)和背風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)前方難以形成穩(wěn)定的風(fēng)，所以當(dāng)迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生次檔距振蕩時(shí)，中相導(dǎo)線(xiàn)和背風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)幾乎不發(fā)生次檔距振蕩。

圖11 3～4號(hào)段試驗(yàn)線(xiàn)路次檔距振蕩現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.11 Subspan oscillation field photo of 3～4 test lines

為了進(jìn)一步觀測(cè)迎風(fēng)側(cè)(A相)分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的運(yùn)動(dòng)特性，采用單目視覺(jué)分析技術(shù)對(duì)采集的視頻進(jìn)行了處理。為了減少子導(dǎo)線(xiàn)之間的干擾，選擇A相1號(hào)子導(dǎo)線(xiàn)中點(diǎn)作為研究對(duì)象，頻譜如圖12和13所示。由水平位移時(shí)程曲線(xiàn)和頻譜可以看出，最大振幅約為0.21 m，A相子導(dǎo)線(xiàn)的振動(dòng)頻率在1.21～2.2 Hz之間。

圖12 A相子導(dǎo)線(xiàn)水平位移時(shí)程曲線(xiàn)Fig.12 Horizontal displacement-time curve of A-phase sub-conductors

4 結(jié) 論

本文在分析分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩的發(fā)生機(jī)理和影響因素的基礎(chǔ)上，以河南省尖山真型試驗(yàn)線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)室為依托開(kāi)展了真型試驗(yàn)線(xiàn)路自然次檔距振蕩的觀測(cè)與分析，得到了以下結(jié)論:

圖13 A相子導(dǎo)線(xiàn)水平位移頻譜Fig.13 Horizontal displacement spectrum of A-phase sub-conductor

(1)所開(kāi)發(fā)的輸電線(xiàn)路振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用于觀測(cè)多種導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)形式，為輸電線(xiàn)路防振、次檔距振蕩機(jī)理分析等提供支撐。

(2)當(dāng)風(fēng)速在7～15 m/s且風(fēng)向與線(xiàn)路走向的夾角在45°以上時(shí)分裂導(dǎo)線(xiàn)易發(fā)生穩(wěn)定的次檔距振蕩。

(3)迎風(fēng)側(cè)的子導(dǎo)線(xiàn)的振幅要明顯大于背風(fēng)處的。各子導(dǎo)線(xiàn)的振蕩方向有所不同，所以導(dǎo)致子導(dǎo)線(xiàn)相互的鞭擊。無(wú)論是振蕩的垂直振幅還是水平振幅，皆隨著風(fēng)速的增大而增大，且垂直振幅始終要大于水平振幅。振蕩頻率隨著風(fēng)速的增大，沒(méi)有明顯的有規(guī)律的變化趨勢(shì)。另外，子導(dǎo)線(xiàn)中點(diǎn)處的振蕩幅值是最大的。

(4)三相導(dǎo)線(xiàn)中，迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)容易形成穩(wěn)定的次檔距振蕩，由于迎風(fēng)側(cè)邊相導(dǎo)線(xiàn)對(duì)氣流的干擾，中相導(dǎo)線(xiàn)幾乎不發(fā)生次檔距振蕩。

[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng)[M].北京:中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社，2006.

[2]吳敬儒，徐永禧.我國(guó)特高壓交流輸電發(fā)展前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(3):1-4.

Wu Jingru，Xu Yongxi.Development prospect of UHV AC power transmission in China[J].Power System Technology，2005，29(3): 1-4.

[3]鄭仟.750 kV線(xiàn)路分裂導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩機(jī)理及抑制措施[J].寧夏電力，2010(3):20-21，47.

Zheng Qian.Study on the mechanism and the suppression measures of the subspan oscillation of split conductors for 750 kV transmission line[J].Ningxia Electric Power，2010(3):20-21，47.

[4]馮學(xué)斌，王藏柱，魏錦麗.超高壓輸電線(xiàn)路多分裂導(dǎo)線(xiàn)的振動(dòng)分析[J].吉林電力，2006，21(2):18-23.

Feng Xuebing，Wang Cangzhu，Wei Jinli.Vibration analysis of bundled conductors in high-voltage transmission lines[J].Jilin Electric Power，2006，21(2):18-23.

[5]朱寬軍，劉超群，任西春，等.特高壓輸電線(xiàn)路防舞動(dòng)研究[J].高電壓技術(shù)，2007，33(11):61-65. Zhu Kuanjun，Liu Chaoqun，Ren Xichun，et al.Research on antigalloping of UHV transmission line[J].High Voltage Engineering，2007，33(11):61-65.

[6]易輝.我國(guó)500 kV線(xiàn)路四分裂間隔棒運(yùn)行情況[J].高電壓技術(shù)，2001，27(2):78-81.

Yi Hui.The operation status of four spacer bundle of 500 kV transmission line in China[J].High Voltage Engineering，2001，27 (2):78-81.

[7]Bearman P W，A J W.The interaction between a pair of circular cylinder and a cylinders normal to a stream[J].Fluid Mech，1973，61 (3):499-511.

[8]Brika D，Lanevile A.The flow interaction between a stationary cylinder and a downstream flexible cylinder[J].Journal of Fluids and Structures，1999，13(5):579-606.

[9]Wardlaw R L，Cooper K R，Ko R G.Wind tunnel and analytical investigations into the aero elastic behavior of bundled conductors [J].Power Apparatus and Systems，IEEE Transactions on Power Delivery，1975，94(2):642-654.

[10]張業(yè)茂，張廣洲，萬(wàn)保全，等.1000 kV交流單回緊湊型輸電線(xiàn)路電磁環(huán)境研究[J].高電壓技術(shù)，2011，37(8):1888-1893.

ZhangYemao，ZhangGuangzhou，WanBaoquan，etal. Electromagnetic environment of 1 000 kV AC single circuit compact transmission lines[J].High Voltage Engineering，2011，37(8): 1888-1893.

[11]Cooper K R.Wind tunnel and theoretical investigations into the aerodynamic stability of smooth and stranded twin-bundled power conductors[R].National Research Council of Canada Technical Report LTR-LA-115，1973.

[12]Cooper K R.A wind tunnel investigation for Alcan International into the effects of stranding on the aerodynamic stability of twinbundle power conductors[R].National Research Council of Canada Technical Roport LTR-LA-115，1973.

[13]夏志宏，高選.特高壓導(dǎo)線(xiàn)間隔棒的優(yōu)化布置[J].電力建設(shè)，2009，30(1):25-27.

Xia Zhihong，Gao Xuan.Optimization of spacer configuration for UHV conductors[J].Electric Power Construction，2009，30(1):25-27.

[14]朱寬軍，邸玉賢，李新民，等.安裝相間間隔棒的輸電線(xiàn)防風(fēng)偏設(shè)計(jì)有限元分析[J].高電壓技術(shù)，2010，36(4):1038-1043.

Zhu Kuanjun，Di Yuxian，Li Xinmin，et al.Analysis of overhead transmission line for asynchronous swaying by the finite element method[J].High Voltage Engineering，2010，36(4):1038-1043.

[15]賀建國(guó)，朱普軒，甘波，等.750 kV輸電線(xiàn)路子導(dǎo)線(xiàn)分裂間距合理取值研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36(5):42-46.

He Jianguo，Zhu Puxuan，Gan Bo，et al.Study on rational choice of intra-bundle conductor spacing for 750 kV transmission lines[J]. Power System Technology，2012，36(5):42-46.

[16]陳元坤.分裂導(dǎo)線(xiàn)的微風(fēng)振動(dòng)與次檔距振蕩研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2011.

Chen Yuankun.A dissertation presented in partial fulfillment of the requirement for the degree of doctor of philosophy in engineering [D].Wuhan:HuazhongUniversityofScienceand Technology，2011.

[17]Tsui Y T，Tsui C C.Two dimensional stability analysis of two coupled conductors with one in the wake of the other[J].Journal of Sound and Vibration，1980，69(3):361-394.

[18]國(guó)家電力公司東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線(xiàn)路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2003.

(編輯：劉文瑩)

Subspan Oscillation Analysis and Observation of True Type Test Lines

LU Ming1，GE Yafeng2，WEI Jianlin1，HU Wen3，LI Li3，MA Ning3
(1.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，China；2.State Grid Hefei Power Supply Company，Hefei 230022，China；3.School of Electrical and Electronic Engineering，State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology(Huazhong University of Science＆Technology)，Wuhan 430074，China)

This paper firstly described the mechanism of bundle conductor subspan oscillation，and analyzed the main factors affecting subspan oscillation.The observation and analysis of the subspan oscillation characteristics of true-type test lines were carried out based on the true type test line in the key laboratory of galloping prevention and control technology of State Grid Corporation in Jianshan，Henan province，which used the line vibration monitoring system with a variety of functions to qualitatively and quantitatively analyze the subspan oscillation law of bundle conductor.The results show that the windward-side phase conductors of three-phase conductors are easy to form a stable subspan oscillation.Due to the interference of the windward-side phase conductors on the airflow，the intermediate phase conductors almost have no subspan oscillation.In addition，the oscillation state of each phase conductor and subspan is different，and the amplitude and frequency of oscillation change with the wind speed.

bundle conductor；subspan oscillation；spacer；true type test line；air flow

TM 75

A

1000-7229(2015)11-0123-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.019

2015-05-02

2015-07-10

盧明(1975)，男，高級(jí)工程師，主要從事輸電線(xiàn)路防舞動(dòng)、污閃及高電壓外絕緣等方面的研究工作；

葛亞峰(1990)，男，碩士，主要研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)；

魏建林(1980)，男，博士，主要從事輸電線(xiàn)路防舞動(dòng)、高電壓外絕緣等方面的研究工作；

胡文(1991)，女，碩士研究生，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)的研究；

李黎(1976)，男，博士，副教授，主要從事輸電線(xiàn)路外絕緣、電氣設(shè)備故障診斷、電介質(zhì)材料和脈沖功率技術(shù)的研究；

馬寧(1990)，男，碩士研究生，主要從事高電壓與絕緣技術(shù)的研究。

河南省電力公司科技項(xiàng)目(13PHC2)。