輸電線路導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)機(jī)理討論與研究

李小平 任永良

摘 要：本文首先通過對(duì)物體振動(dòng)的不同類型進(jìn)行說明，振動(dòng)分為卡門渦、顫動(dòng)和馳振三種，并對(duì)這三種振動(dòng)的原理進(jìn)行分類說明；其次在由馳振的一種特殊形式引出舞動(dòng)的基本概念，也說明了導(dǎo)線舞動(dòng)的三種形態(tài)及其主要的表現(xiàn)形式。再對(duì)舞動(dòng)形成的主要因素做了詳細(xì)的分類說明，主要由于輸電線路由于雨雪天氣的覆冰、風(fēng)激勵(lì)和輸電線路自身的線路結(jié)構(gòu)因素。最后對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)的機(jī)理進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)；舞動(dòng)；機(jī)理

1 物體振動(dòng)概述

激勵(lì)是由于有流體流過物體的表面時(shí)產(chǎn)生。這樣的激勵(lì)起物體的振動(dòng)。流體決定激勵(lì)的大小、性質(zhì)，包括流體的流速、性質(zhì)、流體的流動(dòng)方向和物體的截面狀態(tài)。 流體流過物體時(shí)引起的振動(dòng)有三種主要類型，包括顫動(dòng)、卡門渦和馳振。

1）卡門渦：由流體在物體表面后方形成的漩渦。它會(huì)因?yàn)榻惶婷撀鋾?huì)在物體表面產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)力，而且這個(gè)力是交替變換的，物體將被引起振動(dòng)，這就是 通常意義說的卡門渦振動(dòng)，在輸電線路的研究中的微風(fēng)振動(dòng)就是卡門渦振動(dòng)的范圍。

2）失速顫振：失速顫振是一種自激振動(dòng)。機(jī)翼的表面被高速氣流流過，這時(shí)候機(jī)翼表面將會(huì)產(chǎn)生扭振，翼面上的橫向振動(dòng)互相耦合產(chǎn)生振動(dòng)。由于在失速顫振中，空氣動(dòng)力可以達(dá)到結(jié)構(gòu)振動(dòng)的恢復(fù)力的大小，所以振動(dòng)頻率不是物體的自然頻率，因此這種不同于舞動(dòng)的頻率漂移現(xiàn)象是失速顫振的特點(diǎn)。

3）馳振（舞動(dòng)）：當(dāng)較高速度的流體流過非圓截面的物體表面時(shí)產(chǎn)生一種自激振動(dòng)，這是振動(dòng)稱為馳振。但這種振動(dòng)中流體的速度要遠(yuǎn)低于失速顫振流體的流速。

2 舞動(dòng)概念和形態(tài)

導(dǎo)線的舞動(dòng)是導(dǎo)線在覆冰和風(fēng)的條件下、形成非圓截面的覆冰導(dǎo)線在其激勵(lì)下形成的大幅度、低頻振蕩，稱為自激振動(dòng)。自激振動(dòng)的頻率通常在0.1～3HZ以內(nèi)，然而振幅大致是相當(dāng)于對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線直徑5～250倍左右。

輸電線路的覆冰橫截面通常呈翼狀形，在冰和風(fēng)激勵(lì)下，輸電導(dǎo)線會(huì)因?yàn)榱Φ淖饔卯a(chǎn)生低階大振幅的共振，若發(fā)生在架空高壓輸電線路上，則大跨越檔距導(dǎo)線舞動(dòng)的幅度有可能會(huì)達(dá)到數(shù)十米，正是因?yàn)楦脖鶎?dǎo)線振動(dòng)起來像龍舞，所以稱之為舞動(dòng)。

覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一種低頻率、大幅度振動(dòng)，它舞動(dòng)起來形態(tài)不規(guī)則，根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，一般有三種形態(tài)：

1）橫向振動(dòng)。

2）繞兩端輸電桿塔的固定點(diǎn)自由擺動(dòng)，這個(gè)主要發(fā)生在大跨越檔間的導(dǎo)線。

3）導(dǎo)線繞著覆冰輸電線路的軸線的自我扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

3 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)形成因素

覆冰輸電導(dǎo)線舞動(dòng)是流體耦合振動(dòng)中較復(fù)雜的一種，影響導(dǎo)線舞動(dòng)的因素很多，但常見的有以下三種：導(dǎo)線覆冰、風(fēng)的激勵(lì)和線路自身因素。

3.1 導(dǎo)線覆冰

輸電導(dǎo)線的舞動(dòng)常發(fā)生在2～50mm覆冰厚度的導(dǎo)線上，導(dǎo)線覆冰形成有三個(gè)必備條件：1）空氣濕度在85%以上；2）溫度在-5～0℃之間；3）風(fēng)速大于1m/s。

當(dāng)導(dǎo)線的剛度大時(shí)，由于冰風(fēng)的環(huán)境，會(huì)在導(dǎo)線的表面形成一層覆冰。這些覆冰在導(dǎo)線上的形狀不均勻。一般會(huì)形成扇形、D形和新月形等不規(guī)則覆冰形狀。這些覆冰導(dǎo)線的橫截面的不規(guī)則形狀對(duì)舞動(dòng)過程有很大的影響，因?yàn)樗鼈兙哂休^強(qiáng)的空氣動(dòng)力性能，因此當(dāng)有風(fēng)時(shí)，導(dǎo)線舞動(dòng)很容易發(fā)生。

3.2 風(fēng)的激勵(lì)

穩(wěn)定的風(fēng)激勵(lì)也是形成舞動(dòng)的必要因素，在冬季，冷暖氣流的交匯，較強(qiáng)的風(fēng)力，是導(dǎo)線舞動(dòng)更易形成。江河、湖泊和平地等類似開闊地放和山谷、風(fēng)口地區(qū)是比較容易發(fā)生舞動(dòng)的地帶，這是由于以往在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)垂直線路的風(fēng)分量越大，對(duì)覆冰導(dǎo)線的激勵(lì)效果越好，導(dǎo)線升力也越大，更易使系統(tǒng)失穩(wěn)，而產(chǎn)生舞動(dòng)。

3.3 線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)

除了以上兩個(gè)外界因素，輸電線路本身的結(jié)構(gòu)也容易導(dǎo)致導(dǎo)線舞動(dòng)的發(fā)生，包括：導(dǎo)線的類型、橫截面積和檔距。1）分裂導(dǎo)線一般比單導(dǎo)線更容易發(fā)生舞動(dòng)。分裂導(dǎo)線由于導(dǎo)線間存在間隔棒，其扭轉(zhuǎn)剛度比單導(dǎo)線覆冰時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度大的多，當(dāng)有風(fēng)時(shí)，分裂導(dǎo)線的風(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的升力、扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩也要大很多，導(dǎo)致更易發(fā)生舞動(dòng)，在實(shí)際的超高壓線路中，分裂線路產(chǎn)生的舞動(dòng)事故高達(dá)23%。2）截面大的導(dǎo)線更容易舞動(dòng)。因?yàn)閷?dǎo)線的橫截面積越大，導(dǎo)線的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度就越大，扭轉(zhuǎn)角就越小，覆冰更容易形成翼型，有風(fēng)的激勵(lì)時(shí)，產(chǎn)生更大的升力和扭矩。同時(shí)隨著我國電力的發(fā)展，多分裂和大截面的導(dǎo)線被越來越廣泛的應(yīng)用在輸電線路中，舞動(dòng)的可能性也越來越大。3）線路檔距越長其扭轉(zhuǎn)剛度越大，在風(fēng)激勵(lì)下的扭轉(zhuǎn)角要小，也易形成翼型覆冰，同樣升力也大和扭矩也越大，就增大了覆冰導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)的可能。

4 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的機(jī)理

4.1 橫向馳振機(jī)理

在冰和風(fēng)激勵(lì)下，圓截面的物體會(huì)激發(fā)頻率為的渦致振動(dòng)，而非圓截面的結(jié)構(gòu)物則會(huì)產(chǎn)生兩種不同類型的振動(dòng)：

1）振動(dòng)頻率等于結(jié)構(gòu)固有頻率的馳振（流體流速較低時(shí)）；

2）頻率偏離結(jié)構(gòu)固有頻率的失速顫振（流體流速較高時(shí)）；這是由于空氣動(dòng)力增大，幾乎可以達(dá)到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量慣性力、彈性恢復(fù)力的大小。由于輸電線路由于本身結(jié)構(gòu)是柔性，同時(shí)自然風(fēng)速度不夠高，所以在通常情況下有產(chǎn)生渦致振動(dòng)的可能，或在覆冰后產(chǎn)生馳振的可能。

根據(jù)輸電導(dǎo)線的振動(dòng)的兩種模式：橫向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，再結(jié)合這兩種模式可能出現(xiàn)的耦合，可分三種情況：1）橫向馳振穩(wěn)定性；2）橫向馳振響應(yīng)；3）激發(fā)模式-鄧哈托舞動(dòng)。

4.2 慣性耦合激發(fā)機(jī)理

除了橫向激發(fā)模式和扭轉(zhuǎn)激發(fā)模式外，還存在第三種由于偏心慣性影響的慣性激發(fā)模式。由于在風(fēng)激勵(lì)下，慣性使攻角發(fā)生變化，木板向上運(yùn)動(dòng)，可知攻角會(huì)使升力F發(fā)生變化，由于升力與是同一個(gè)方向，將會(huì)增大對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的干擾，并加劇橫向振動(dòng)，在這個(gè)過程中，不斷積累能量，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)而形成舞動(dòng)。

由于導(dǎo)線舞動(dòng)情況的復(fù)雜，且由于環(huán)境中各個(gè)因素的不確定性，如風(fēng)速、雨量、溫度和不同的覆冰形狀和厚度，使得舞動(dòng)模式存在不確定性，同一地區(qū)不同時(shí)段或不同線路也可能出現(xiàn)不同模式的舞動(dòng)。在上述的三種激發(fā)模式中，其中鄧哈托模式和尼格爾模式的起舞條件不同，哪種模式的自激條件先達(dá)到，哪種舞動(dòng)就先出現(xiàn)，上面的三種舞動(dòng)激勵(lì)是迄今為止最主要的研究成果。

作者簡介

李小平（1981-），國網(wǎng)四川省電力公司西充縣供電分公司，研究方向：電力系統(tǒng)。

任永良（1986-），國網(wǎng)四川省電力公司西充縣供電分公司，研究方向：電力系統(tǒng)。