特高壓輸電線路新型防舞裝置及其有效性分析

邵穎彪，盧 明，魏建林，李予全，鄭含博，董麗潔，崔寧寧

（國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心，鄭州450052）

0 引言

架空輸電線路運(yùn)行過程中，會(huì)因自然條件的作用而發(fā)生多種災(zāi)害事故，舞動(dòng)就是其中危害較為嚴(yán)重的一種。電網(wǎng)規(guī)模的快速發(fā)展和惡劣天氣的頻繁出現(xiàn)，致使輸電線路發(fā)生舞動(dòng)的頻率和危害程度都呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，輕則相間閃絡(luò)、損壞地線和導(dǎo)線、金具及部件，重則線路跳閘停電、斷線倒塔等，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，造成重大經(jīng)濟(jì)損失[1-6]。2015年年初和年末，湖北和河南兩省又發(fā)生了大面積舞動(dòng)，導(dǎo)致52條線路跳閘，多條線路受損。因此，輸電線路的舞動(dòng)防治是重要的研究課題。

特高壓輸電技術(shù)是電力工業(yè)適應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)資源優(yōu)化配置、提高能源利用率的必然選擇，也是構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵[1][7-8]。目前，我國(guó)正處于特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展建設(shè)期：根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)展規(guī)劃，公司以構(gòu)建“三華”特高壓同步電網(wǎng)為目標(biāo)，力爭(zhēng)2020年建成“五縱五橫”特高壓交流網(wǎng)架和27回特高壓直流工程。截止至2014年底，國(guó)網(wǎng)范圍特高壓交流1 000 kV輸電線路的長(zhǎng)度為3 099.327 km，±800 kV直流特高壓輸電線路的長(zhǎng)度為7 793.029 km。特高壓線路導(dǎo)線分裂數(shù)多，理論和試驗(yàn)均證明其更容易發(fā)生舞動(dòng)[6]。特高壓輸電線路輸送容量大，一旦發(fā)生舞動(dòng)跳閘將導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成威脅。2014年1月，在無防舞裝置情況下，一次舞動(dòng)就致使輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室一條1 000 kV真型試驗(yàn)線路斷串掉線，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于不同防舞機(jī)理研制出了不同防舞裝置，但都存在一些不足之處，尚無一種防舞裝置在任何情況下都能防止舞動(dòng)的發(fā)生[5-6]。

相間間隔棒，主要用于抑制相鄰兩相導(dǎo)線的不同期舞動(dòng)，使兩導(dǎo)線逐步實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，從而減少舞動(dòng)的幅值。多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，相間間隔棒在舞動(dòng)治理方面確有作用，但相間間隔棒也存在較為明顯的缺點(diǎn)。首先，對(duì)于相鄰兩導(dǎo)線的同期舞動(dòng)，相間間隔棒無效；其次，發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，相間間隔棒將相鄰兩導(dǎo)線強(qiáng)制同步，使導(dǎo)線的舞動(dòng)能量集中和加強(qiáng)，從而對(duì)輸電線路和桿塔產(chǎn)生更大的危害。

線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒，設(shè)計(jì)原理基于減輕導(dǎo)線覆冰不均勻性，利用可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部的自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使子導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的自由回轉(zhuǎn)，一方面抑制導(dǎo)線上覆冰積雪形成的不規(guī)則形狀，另一方面通過自身軸線所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)改變導(dǎo)線的迎風(fēng)面，使導(dǎo)線覆冰趨向均勻，削弱空氣動(dòng)力載荷，從而使導(dǎo)線不易發(fā)生舞動(dòng)。但是，在低溫潮濕環(huán)境下，結(jié)冰使得線夾可扭轉(zhuǎn)式間隔棒易與導(dǎo)線固結(jié)在一起，導(dǎo)致其失去防舞性能。

雙擺防舞器，是基于穩(wěn)定性防舞機(jī)理而設(shè)計(jì)的，其設(shè)計(jì)目的為改變系統(tǒng)對(duì)舞動(dòng)敏感的參數(shù)，增加系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，但不均勻覆冰后輸電線路參數(shù)已極大改變，前期計(jì)算時(shí)不可能考慮到覆冰的所有情況，容易使防舞器失效。

針對(duì)特高壓輸電線路的建設(shè)特點(diǎn)與舞動(dòng)特性，結(jié)合現(xiàn)有各電壓等級(jí)輸電線路舞動(dòng)情況，研制了一種新型防舞裝置——相地間隔防舞裝置，設(shè)計(jì)原理、研制細(xì)節(jié)及有效性詳見下文。

1 新型防舞裝置的研制

1.1 設(shè)計(jì)原理

舞動(dòng)過程中，輸電線路依據(jù)檔距長(zhǎng)短、舞動(dòng)能量大小和頻率高低，其舞動(dòng)形態(tài)會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)半波，其中波腹處為線路舞動(dòng)幅值最大點(diǎn)，也是舞動(dòng)能量集中點(diǎn)。

相地間隔防舞裝置，一端以大地作為約束點(diǎn)，一端連接于輸電線路，施加一定預(yù)緊力后，可將舞動(dòng)幅值最大處強(qiáng)制平波，降低舞動(dòng)幅值，從而保證輸電線路電氣距離。

有學(xué)者認(rèn)為[5]，短檔距的扭振和橫向固有頻率比長(zhǎng)檔距高，不易在低頻帶發(fā)生耦合諧振，因而可通過縮短檔距來防治舞動(dòng)，一定預(yù)緊力條件下的相地間隔防舞裝置相當(dāng)于把長(zhǎng)檔距線路分割成若干短檔距線路從而降低舞動(dòng)發(fā)生概率。

1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相地間隔防舞裝置主體結(jié)構(gòu)仍采用復(fù)合絕緣子，其不同之處在于將間隔棒并非安裝于兩相之間，而是安裝于相導(dǎo)線與地（或其他與地等電位的固定絕緣體）之間，即間隔棒一端安裝于分裂導(dǎo)線，一端通過水泥澆筑的地錨接地，作為舞動(dòng)時(shí)的約束點(diǎn)，以限制導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)位移?？紤]到線路架設(shè)高度滿足電氣絕緣距離，因此可采用復(fù)合絕緣子與絕緣繩或鋼索等連接組成。

相地間隔防舞裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 相地間隔防舞裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Phase-to-earth anti-galloping device chart

相地間隔防舞裝置棒體低壓端連接有防蛇裝置，以阻止蛇沿棒芯向上攀爬，引起線路放電跳閘。在防蛇裝置下端安裝有調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)板兩側(cè)連接有拉線，通過地錨固定在地面上。通過調(diào)節(jié)板可調(diào)節(jié)拉線的長(zhǎng)度，從而改變和調(diào)節(jié)相地間隔防舞裝置的對(duì)地距離，其中拉線和調(diào)節(jié)板均為特殊的高強(qiáng)度防盜割材料。

圖2為相地間隔防舞裝置在真型試驗(yàn)線路上進(jìn)行放舞有效性評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)安裝圖。

圖2 相地間隔防舞裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖Fig.2 Installationonsiteofphase-to-earthanti-gallopingdevice

1.3 專用連接金具設(shè)計(jì)

相地間隔防舞裝置為一種新型防舞裝置，與線路的連接缺少專用的連接金具，在前期直接連接于子間隔棒，結(jié)果致使子間隔棒在扭轉(zhuǎn)力、沖擊力作用下大量損壞，為使力的分布更為均勻，提高子間隔棒的使用壽命，設(shè)計(jì)了專用連接金具，如圖3所示。

圖3 相地間隔防舞裝置專用連接金具結(jié)構(gòu)圖及安裝圖Fig.3 Structural and installation for special connected fittings of phase-to-earth anti-galloping device

相地間隔防舞裝置用八分裂子導(dǎo)線間隔棒是基于傳統(tǒng)子間隔棒改進(jìn)而成，本體框架呈正八邊形，八個(gè)角各有一個(gè)線夾用以握緊子導(dǎo)線，其優(yōu)化之處在于在本體框架上增加一十字支架，十字架豎桿的下端設(shè)計(jì)為可連接的球窩以連接相地間隔防舞裝置。改進(jìn)優(yōu)化后可使子間隔棒所受相地間隔防舞裝置拉力均勻，避免線夾折斷、框架受損等故障。

2 新型防舞裝置有效性驗(yàn)證

2.1 真型特高壓八分裂試驗(yàn)線路

輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，為我國(guó)首個(gè)可以研究覆冰舞動(dòng)的綜合性試驗(yàn)基地，處于典型的微氣候區(qū)，具有得天獨(dú)厚的風(fēng)力資源，實(shí)驗(yàn)室所在地區(qū)的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟衔髂巷L(fēng)，與線路夾角大于60°，大于5 m/s的南西南風(fēng)占全年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的44.85%，試驗(yàn)線路全年有三分之一時(shí)間可以起舞。試驗(yàn)基地試驗(yàn)線路以D形冰模擬自然覆冰，利用自然風(fēng)作為激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了特高壓八分裂真型輸電線路的長(zhǎng)時(shí)間、大幅值舞動(dòng)。

真型試驗(yàn)是驗(yàn)證防舞裝置有效性最直接、有效的手段。相地間隔防舞裝置的防舞有效性的驗(yàn)證和評(píng)價(jià)基于實(shí)驗(yàn)室2號(hào)-3號(hào)線路段，如圖4所示。2號(hào)-3號(hào)線路段南北兩相真型試驗(yàn)線路完全按照特高壓八分裂輸電線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)架設(shè)，其參數(shù)如表1所示。

為科學(xué)有效地評(píng)價(jià)防舞裝置性能，在2號(hào)和3號(hào)塔安裝了各種監(jiān)測(cè)裝置用于對(duì)氣象和拉力等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖4 2號(hào)-3號(hào)檔距八分裂真型試驗(yàn)線路Fig.4 2-3 span eight division real size test transmission lines

表1 真型試驗(yàn)線路參數(shù)Table 1 Parameters of real size transmission line

2.2 試驗(yàn)配置方案

影響相地間隔防舞裝置防舞性能的主要有預(yù)緊力大小、連接方向、連接角度、地錨位置等因素。

預(yù)緊力指相地間隔防舞裝置作用在線路與大地間所承受的拉力。試驗(yàn)過程中，預(yù)緊力調(diào)整方式采取循序漸進(jìn)、由小增大的方式。

連接方向是指相地間隔防舞裝置對(duì)線路施加拉力的方向與風(fēng)向之間的夾角，分逆風(fēng)向和順風(fēng)向兩種。夾角大于90°時(shí)為逆風(fēng)向，夾角小于90°時(shí)為順風(fēng)向。

連接角度指相地間隔防舞裝置對(duì)線路施加拉力的方向與水平面之間的銳角夾角，一般在45°～90°之間。

地錨位置也即相地間隔防舞裝置安裝位置，因地錨一旦施工無法移動(dòng)，且地錨本身施工量大，所以無法做多點(diǎn)試驗(yàn)，參照Q/GDW1829-2012《架空輸電線路防舞設(shè)計(jì)規(guī)范》中相間間隔棒布置方案，見表2。筆者也在2/9、1/2和7/9三處安裝相地間隔防舞裝置。

表2 試驗(yàn)配置方案Table 2 Test configuration scheme

2.3 防舞效果分析

2.3.1 無防舞措施的八分裂舞動(dòng)試驗(yàn)

特高壓八分裂真型試驗(yàn)線路舞動(dòng)環(huán)境建設(shè)于2014年1月10日完成，當(dāng)月18日首次觀測(cè)到該線路起舞，本次舞動(dòng)是真型特高壓八分裂試驗(yàn)線路的首次大幅值舞動(dòng)，特點(diǎn)顯著：

1）舞動(dòng)幅值大。南、北兩相八分裂線路舞動(dòng)幅值（峰-峰值）大于10 m。

2）舞動(dòng)能量集中。南、北兩相線路舞動(dòng)同步，頻率低至0.3Hz，舞動(dòng)階次以一階為主。

問題在于，無論“機(jī)運(yùn)”（Fortuna）是世事滄桑的一個(gè)“象征符號(hào)”（Symbol）還是干預(yù)我們命運(yùn)的反復(fù)無常的惡魔，無論攜帶鐮刀的“死亡”（Death）是抽象概念還是真的能夠敲門，都不可能有一個(gè)明確的答案。那些不得不去表現(xiàn)“正義”（Justice）的天真畫家開始努力找出什么“看起來像（正義）”。畢竟，寓言畫源于古典時(shí)代的宗教意象，其中可以被再現(xiàn)（be represented）的神話人物與可以象征化（be symbolized）的抽象概念之間，界限尤其難于界定。⑦

3）舞動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。整個(gè)大幅值舞動(dòng)過程持續(xù)12小時(shí)。

圖5為八分裂線路起舞過程截圖。

圖5 3號(hào)-4號(hào)檔距八分裂真型試驗(yàn)線路起舞過程Fig.5 The galloping process of 3-4 span eight division real size test

上節(jié)所述的八分裂真型試驗(yàn)線路成功起舞是世界上首次實(shí)現(xiàn)的特高壓線路人工起舞，對(duì)開展特高壓相關(guān)的舞動(dòng)及防舞措施研究提供了珍貴的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。盡管在線路建設(shè)初期就進(jìn)行了充分的計(jì)算，八分裂線路在第一次發(fā)現(xiàn)舞動(dòng)后期，在沒有安裝任何防舞裝置，仍發(fā)生了舞動(dòng)斷串掉線。圖6、圖7為舞動(dòng)致使掉線后的線路及受損金具。

圖6 北相導(dǎo)線斷串掉線Fig.6 Breakdown string of north phase

圖7 損壞的金具Fig.7 Damaged fittings

2.3.2 宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果及分析

經(jīng)過舞動(dòng)致使斷串掉線后，本文在2/9、1/2和7/9三處安裝相地間隔防舞裝置，以限制舞動(dòng)幅值，減小舞動(dòng)發(fā)生概率。同時(shí)，對(duì)相地間隔防舞裝置的防舞有效性開展真型試驗(yàn)，進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)2014年7月21日至2015年3月31日之間發(fā)生的所有舞動(dòng)事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。南相共舞動(dòng)14次，總時(shí)長(zhǎng)127.3小時(shí)，舞動(dòng)天占整個(gè)試驗(yàn)天數(shù)的比例為7.62%；北相共舞動(dòng)16次，總時(shí)長(zhǎng)108.25小時(shí)，舞動(dòng)天占整個(gè)試驗(yàn)天數(shù)的比例為7.09%，如表3所示。

表3 舞動(dòng)事件統(tǒng)計(jì)情況Table 3 Statistics of galloping events

通過表3可知，安裝相地間隔防舞裝置后，兩相八分裂線路再無發(fā)生斷串掉線事件；南、北兩相安裝相地間隔防舞裝置后，南相線路舞動(dòng)發(fā)生頻率7.62%，北相為7.09%，這遠(yuǎn)小于尖山實(shí)驗(yàn)室的舞動(dòng)統(tǒng)計(jì)頻率（約為30%）。這足以證明相地間隔防舞裝置對(duì)于特高壓八分裂輸電線路防舞的有效性。

2.3.3 Weibull分布分析

Weibull分布是隨機(jī)變量分布的一種，其特點(diǎn)是靈活性大、適應(yīng)性強(qiáng)、積分形式簡(jiǎn)單，Weibull分布在可靠性分析和壽命檢驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于它可以利用概率值比較方便地推斷出它的分布參數(shù)，因而被廣泛地應(yīng)用于壽命試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中。

2015年1月19日，2號(hào)～3號(hào)之間南相八分裂導(dǎo)線相地間隔防舞裝置預(yù)緊力均為5kN，線路于上午08:00開始舞動(dòng)，風(fēng)速逐漸增長(zhǎng)至11.2m/s，此時(shí)風(fēng)向穩(wěn)定，11:30左右2號(hào)、3號(hào)（1/2和7/9處）南相相地間隔防舞裝置因線路舞動(dòng)而掉落，掉落的相地間隔防舞裝置砸斷了信號(hào)線，3處相地間隔防舞裝置拉力傳感器無法反饋信號(hào)，利用2號(hào)桿塔、3號(hào)桿塔的絕緣子張力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)天舞動(dòng)分為兩個(gè)完整的舞動(dòng)段，分別是08:00-13:00、16:30-22:00，其中11:30后舞動(dòng)是在不安裝相地間隔防舞裝置條件下，13:00-16:30時(shí)間段風(fēng)速下降，線路缺少激勵(lì)，舞動(dòng)停止。當(dāng)天的舞動(dòng)情況可用于對(duì)比評(píng)價(jià)相地間隔防舞裝置對(duì)舞動(dòng)的抑制作用。

檔距2號(hào)～3號(hào)為東西走向線路，兩端掛點(diǎn)采用雙絕緣子串平行懸掛形式，其中2號(hào)塔為直線塔，東、西方向各一支，3號(hào)塔為耐張塔，南、北方向各一支?！?號(hào)絕緣子-南南”表示3號(hào)塔南相線路南側(cè)絕緣子。

當(dāng)天2號(hào)絕緣子南相東串東張力波形如圖8所示。紅箭頭標(biāo)識(shí)處即為相地間隔防舞裝置掉落時(shí)，從圖8中張力趨勢(shì)可以看出，相地間隔防舞裝置掉落后，由于舞動(dòng)能量瞬間釋放，同時(shí)線路失去了相地間隔防舞裝置的約束，絕緣子動(dòng)張力顯著持續(xù)增大，說明相地間隔防舞裝置對(duì)舞動(dòng)有明顯的抑制作用。

圖8 2號(hào)絕緣子南相東串張力趨勢(shì)圖Fig.8 Tension trend of 2 south-east insulator string

對(duì)所選舞動(dòng)區(qū)間的動(dòng)張力數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選取本次舞動(dòng)事件中相地間隔防舞裝置掉落前后兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比，即09:00-11:00、17:00-19:00，該兩個(gè)時(shí)間段舞動(dòng)平穩(wěn)，且這兩個(gè)時(shí)間段為唯一一組風(fēng)速接近情況下風(fēng)速最大的時(shí)間段，有利于相地間隔防舞裝置的科學(xué)分析。其中，09:00-11:00為安裝相地間隔防舞裝置，17:00-19:00由于相地間隔防舞裝置掉落，作為不安裝相地間隔防舞裝置的工況。見表4。圖9、圖10分別為3號(hào)桿塔絕緣子南相南串09:00-11:00、17:00-19:00張力分布圖。

圖9 3號(hào)桿塔絕緣子南相南串09:00-11:00張力分布圖Fig.9 Tension distribution of 3 south-south insulator（09:00-11:00）string

圖10 3號(hào)桿塔絕緣子南相南串17:00-19:00張力分布圖Fig.10 Tension distribution of 3 south-south insulator（17:00-19:00）string

表4 3號(hào)絕緣子-南南張力統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 4 Tension statistical parameters of 3#southsouth insulator

根據(jù)上述擬合結(jié)果，計(jì)算Weibull分布的模數(shù)m及擬合確定性系數(shù)R2，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 防舞裝置有效性評(píng)估參數(shù)Table 5 Evaluation parameters of anti-galloping device’s effectiveness

對(duì)所選時(shí)間內(nèi)張力數(shù)據(jù)進(jìn)行Weibull擬合，擬合曲線的R2接近于1，擬合優(yōu)度好，可以采用Weibull擬合對(duì)數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)分析。

通過對(duì)比可以看出，在氣象條件相近的情況下：1）無相地間隔防舞裝置時(shí)，張力分布標(biāo)準(zhǔn)差為1.299，相對(duì)于有相地間隔防舞裝置時(shí)的0.404，表明無相地間隔防舞裝置時(shí)張力的起伏變化很大，絕緣子所受的沖擊力較大；2）有相地間隔防舞裝置時(shí)，張力最大值小于無相地間隔防舞裝置情況，張力最小值大于無相地間隔防舞裝置情況，驗(yàn)證了前述結(jié)論；3）09：00-11：00安裝相地間隔防舞裝置情況下舞動(dòng)段，Weibull模數(shù)m為5.196，遠(yuǎn)優(yōu)于不安裝相地間隔防舞裝置17：00-19：00舞動(dòng)段Weibull模數(shù)2.640，可靠性提升了96.82%，表明安裝相地間隔防舞裝置能夠有效減小線路舞動(dòng)對(duì)絕緣子的破壞損傷程度。

總之，Weibull分布分析表明，相地間隔防舞裝置的安裝能夠有效減少線路舞動(dòng)對(duì)絕緣子的沖擊和疲勞損傷。

3 結(jié)論

對(duì)2014年7月21日至2015年3月31日之間輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生的所有舞動(dòng)事件進(jìn)行宏觀統(tǒng)計(jì)，并對(duì)2015年1月19日發(fā)生舞動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出如下結(jié)論：

1）相地間隔防舞裝置的安裝能夠有效減小舞動(dòng)頻率；

2）安裝相地間隔防舞裝置后能夠有效減少線路舞動(dòng)對(duì)絕緣子的沖擊和疲勞損傷，絕緣子可靠性提升了96.82%；

3）相地間隔防舞裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，且預(yù)緊力能夠連續(xù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)八分裂輸電線路舞動(dòng)幅值、發(fā)生頻率的有效抑制。

目前，按照國(guó)網(wǎng)公司統(tǒng)一安排部署，筆者研制的新型防舞措施-相地間隔防舞裝置，已開始在湖北及內(nèi)蒙古兩省安裝應(yīng)用，效果良好。

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