架空輸電線路防舞設(shè)計關(guān)鍵問題探討

竇婷婷，李子揚，陳仁剛，馬 芳

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東 濟南 250100；2.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100；3.國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟南 250118）

0 引言

隨著近年來超高壓、特高壓線路的增多，舞動現(xiàn)象時有發(fā)生，輸電線路導(dǎo)、地線覆冰后如發(fā)生舞動、脫冰跳躍現(xiàn)場，造成電線斷線、相間閃絡(luò)、繼電保護動作，嚴(yán)重時甚至造成線路跳閘斷電、桿塔傾覆，給電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行帶來極大危害，給居民用電、企業(yè)安全生產(chǎn)帶來不利影響。所以，如何在設(shè)計階段，采用避舞、防舞或抗舞的措施，對后續(xù)的舞動災(zāi)害防治起到事半功倍的效果，是電網(wǎng)建設(shè)必須重點考慮的問題。分析防舞設(shè)計的關(guān)鍵問題，并給出了差異化防舞設(shè)計措施，為今后其他輸電線路防舞設(shè)計提供參考。

1 防舞設(shè)計依據(jù)

目前的防舞設(shè)計依據(jù)主要包括Q/GDW 1829—2012《架空輸電線路防舞設(shè)計規(guī)范》［1］、國家電網(wǎng)十八項反措以及各個省區(qū)域的電網(wǎng)舞動分布圖等。

架空輸電線路的防舞設(shè)計流程，一是根據(jù)最新版的舞動分布圖，結(jié)合已建線路的運行經(jīng)驗，確定線路途經(jīng)區(qū)域的舞動級別；二是根據(jù)舞動的級別和防舞設(shè)計規(guī)范，在路徑選擇避讓、提高導(dǎo)線、金具、桿塔及基礎(chǔ)強度、加裝防舞措施等方面，給出具體的防舞設(shè)計措施。

雖然設(shè)計規(guī)范給出了防舞設(shè)計的基本原則，但涉及具體細(xì)節(jié)，須結(jié)合工程實際、地域地形和氣象特點，采取相應(yīng)的防舞設(shè)計措施［1-4］。

2 舞動分布圖及舞動設(shè)防等級

一般根據(jù)綜合氣象數(shù)據(jù)和地形起伏度數(shù)據(jù)的氣象地理法進行舞動級別區(qū)域劃分：根據(jù)10 年內(nèi)的覆冰舞動總次數(shù)，得出基于氣象數(shù)據(jù)的舞動分布圖；結(jié)合地形起伏度數(shù)據(jù)，得出不同發(fā)生舞動概率的舞動分布圖；結(jié)合已建線路的歷史舞動數(shù)據(jù)對舞動分布圖進行修正，得出區(qū)域的舞動分布圖。

原則上，舞動分布圖需要定期動態(tài)更新，以指導(dǎo)防舞設(shè)計。目前，山東電網(wǎng)的舞動分布圖發(fā)布至2016 年版，即將更新至2020 年版。

舞動區(qū)等級由強到弱可分為3 級、2 級、1 級和0級舞動區(qū)共4 個等級。防舞設(shè)計一般根據(jù)舞動分布圖的舞動區(qū)等級、線路走向、所經(jīng)地形、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)和參數(shù)等多方面綜合考慮，確定舞動設(shè)防等級［1］。

3 舞動的影響因素

造成電力線路舞動的原因很多，一般歸納為氣象條件、地理位置、線路特點等方面。其中，氣象條件主要是指導(dǎo)線的覆冰多少、風(fēng)速大小與風(fēng)向等；地理位置主要指電力線路所經(jīng)區(qū)域的地形與地勢；線路特點主要是指路徑、導(dǎo)線和地線型號、桿塔塔頭布置、金具選型等［4］。

3.1 覆冰和風(fēng)速

覆冰大小是引起線路舞動的關(guān)鍵性原因，風(fēng)激勵是引起導(dǎo)線舞動的最主要原因。

覆冰舞動氣象條件需要輕微覆冰和較大風(fēng)速同時存在，覆冰厚度通常為0～10 mm，舞動風(fēng)速通常為5～10 m／s，風(fēng)速在15 m／s 以上時通常不會發(fā)生舞動。

3.2 地形與地勢

經(jīng)驗表明，舞動一般多發(fā)生在平原開闊地帶。地形平坦開闊，周圍屏蔽物較少，風(fēng)速較大且比較穩(wěn)定，風(fēng)向也比較固定，這種情況下更有利于線路舞動的發(fā)生。

3.3 線路走向

根據(jù)蘇聯(lián)研究成果，線路舞動時，大多發(fā)生在線路走向和風(fēng)向的夾角大于45°。經(jīng)統(tǒng)計，有舞動記錄的輸電線路中，線路走向與風(fēng)向的夾角大于45°的占90%以上。根據(jù)運行單位記錄和反饋，曾有位于舞動嚴(yán)重區(qū)域的輸電線路，在與風(fēng)向夾角較大 （接近垂直）的區(qū)段內(nèi)大部分均發(fā)生舞動現(xiàn)象，但相鄰較近且與風(fēng)向夾角較?。ㄐ∮?5°）的區(qū)段內(nèi)卻沒有發(fā)生舞動，此條線路所經(jīng)的地形、氣象條件、導(dǎo)線型號等設(shè)計參數(shù)均相同，因此輸電線路的路徑方案對導(dǎo)線是否發(fā)生舞動起著關(guān)鍵作用。

3.4 微地形微氣象區(qū)識別

線路舞動常發(fā)生在導(dǎo)線覆冰時，覆冰和積雪會引起輸電線路的斷線、倒塔、閃絡(luò)等電力事故，而大風(fēng)易引起線路跳閘、斷線、倒塔、導(dǎo)線舞動等電力事故，微地形微氣象常是引起輸電線路覆冰加重、區(qū)域風(fēng)速加強的主要原因。

微地形是小尺度地域分異的基本因素。微氣候主要指地面氣層的溫度、濕度和風(fēng)速等的綜合狀況，微地形主要指地形、地貌、植被分布、地質(zhì)情況、線路環(huán)境。微地形與微氣候息息相關(guān)，微氣候的不同特點，是由于熱源和濕源的湍流變換因地形的差異而造成的不同結(jié)果。根據(jù)地面不同的起伏趨勢和形態(tài)的差異，微地形也分為多種。

對輸電線路影響較大的氣象因子是覆冰、大風(fēng)及雷電。因此，在輸電線路所經(jīng)過地區(qū)中，易發(fā)生導(dǎo)線覆冰、大風(fēng)、雷擊的部分地段，其氣象特征值超過該地區(qū)其他線路段的氣象條件設(shè)計值，可能危及線路安全運行，這部分地段即為線路設(shè)計中的微地形、微氣象點。在實際輸電線路路徑中微地形可能很復(fù)雜，既可能是單一型，也可能是復(fù)合型；有些容易辨認(rèn)，有些需要結(jié)合周圍地形及地理環(huán)境情況仔細(xì)觀察才能辨認(rèn)出來。常見微地形如表1 所示。

4 防舞裝置的主要種類及主要防舞措施

4.1 防舞裝置選擇原則

隨著運行監(jiān)測手段的不斷發(fā)展，對輸電線路故障的記錄和分析也有了改進提升，對不同原因引起的輸電線路故障更容易區(qū)分。其中由舞動導(dǎo)致線路故障的記錄越來越詳細(xì)，包括舞動發(fā)生的區(qū)域、線路電壓等級、路徑走向、地形條件等，根據(jù)分析記錄得到的結(jié)果研制出具有不同特性、適用不同線路的多種防舞裝置。

現(xiàn)行防舞措施主要包括三類： 根據(jù)氣象及地形條件，避開易于形成線路舞動的覆冰區(qū)域；從桿塔塔頭布置、金具選型、導(dǎo)地線選擇等方面考慮，加強線路抵抗舞動的能力；通過加裝附件，改變原有線路的設(shè)計條件，根據(jù)線路所經(jīng)區(qū)域和自身特點，差異化加裝各種防舞裝置，從而抑制舞動的發(fā)生。防舞裝置主要包括相間間隔棒、線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、雙擺防舞器、動力減振器、失諧擺、偏心重錘等，對線路舞動有抑制作用［4-7］，如表2 所示。

表1 常見微地形分類

表2 防舞裝置及其主要特性

4.2 山東電網(wǎng)220 kV 和500 kV 線路主要防舞措施

根據(jù)舞動等級的劃分和相關(guān)要求，在0 級舞動區(qū)無須采取防舞措施，因此對目前山東電網(wǎng)220 kV和500 kV 線路在1 級、2 級和3 級舞動區(qū)主要采用的防舞措施如表3 所示。

表3 山東電網(wǎng)220 kV 和500 kV 線路主要防舞措施

5 安裝防舞裝置導(dǎo)致弧垂變化

目前輸電線路常用的防舞裝置有： 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、相間間隔棒、雙擺防舞器、失諧擺、偏心重錘及動力減振器等。

其中山東電網(wǎng)常用的為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、相間間隔棒和雙擺防舞器等。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒只有迎風(fēng)側(cè)線夾可以回旋，難以消除全部分裂導(dǎo)線不均勻覆冰產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)，其防舞效果有限，適用于舞動不嚴(yán)重的1 級舞動區(qū)，其價格約為普通阻尼間隔棒的1.5 倍。相間間隔棒和雙擺防舞器在國內(nèi)舞動區(qū)得到廣泛應(yīng)用，防舞效果明顯。

5.1 各種防舞裝置的安裝要求

Q/GDW 1829—2012《架空輸電線路防舞設(shè)計規(guī)范》是目前針對線路防舞設(shè)計、改造所參考的通用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范明確規(guī)定了不同電壓等級的線路可采用的防舞裝置類型及相應(yīng)安裝要求。其中，“雙擺防舞器+線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒”防舞組合方式是目前應(yīng)用較多的防舞方案，規(guī)范中明確規(guī)定該組合方式下雙擺防舞器的安裝總質(zhì)量應(yīng)控制在檔內(nèi)導(dǎo)線總質(zhì)量的7%左右，而且采取宏觀集中、微觀分散的方式。

5.2 防舞裝置的安裝導(dǎo)致導(dǎo)線弧垂的變化情況

現(xiàn)以常用的JL／G1A-630／45 鋼芯鋁絞線為例，分析輸電線路加裝（或預(yù)留）防舞裝置后引起導(dǎo)線弧垂變化的影響。

加裝防舞裝置，增加的重量約為整檔內(nèi)導(dǎo)線重量的6.5%，即為

式中：g 為重力加速度，取9.807 m／s2；m 為導(dǎo)線單位重量，kg／m；M 為考慮防舞裝置重量后導(dǎo)線單位荷載，N。

根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)方程［4］和導(dǎo)線特性（單重按考慮防舞裝置增加后）計算，在常規(guī)10 mm 輕冰區(qū)，代表檔距559 m 以下時，導(dǎo)線應(yīng)力的控制條件為年平均氣溫工況。氣溫為15 ℃，平均氣溫應(yīng)力百分?jǐn)?shù)為25%，即導(dǎo)線自身的平均溫工況的垂直比載乘以1.065?？汕蟮迷谠黾臃牢柩b置后，滿足導(dǎo)線安全系數(shù)和平均氣溫應(yīng)力百分?jǐn)?shù)為25%時，反推出僅有導(dǎo)線自重比載時的相應(yīng)年平均應(yīng)力百分?jǐn)?shù)約為23.6%。

加裝防舞裝置后對導(dǎo)線弧垂的影響如表4 所示，其中測量氣溫為40 ℃，代表檔距為500 m。

由表4 可知，隨著輸電線路檔距的增大，加裝防舞裝置后導(dǎo)線的弧垂也相應(yīng)增大，檔距在300～700 m時，加裝防舞裝置后導(dǎo)線弧垂增大數(shù)值不大于2.2 m。除考慮防舞裝置自身重量引起的導(dǎo)線弧垂增加外，還須考慮防舞裝置的高度，如雙擺防舞器的擺錘長度。

表4 導(dǎo)線弧垂 m

因此，輸電線路考慮增加防舞裝置時，尤其是對已建線路，必須校驗安裝防舞裝置之后導(dǎo)線的對地或其他交叉跨越物的跨越距離。加裝防舞裝置后在不同檔距下的對地裕度建議如表5 所示。

表5 加裝防舞裝置后對地裕度建議值 m

6 差異化防舞設(shè)計

隨著電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展與極端氣象條件的頻繁出現(xiàn)，架空輸電線路的舞動問題已嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運行。因此在線路設(shè)計階段就須進行防舞設(shè)計，根據(jù)不同情況采取差異化的防舞設(shè)計方案。根據(jù)易舞動區(qū)的特征，在進行線路設(shè)計時，須進行必要的沿線舞動情況及氣象、地形條件的調(diào)查，特別注意對冬春季節(jié)氣象條件的調(diào)查。對冬季不可能覆冰的地區(qū)則無須考慮線路防舞設(shè)計。

6.1 “三跨”段的防舞設(shè)計

整個輸電線路工程除按相關(guān)規(guī)范和原則采取常規(guī)防舞措施外，“三跨”段的防舞設(shè)計為：

1）“三跨” 線路跨越點宜避開2 級及3 級舞動區(qū)，無法避開時，較一般線路段適當(dāng)提高防舞設(shè)防水平。

2）跨越物兩側(cè)的桿塔采用直線塔。

3）輸電線路的雙擺防舞器、相間間隔棒、偏心重錘等防舞裝置的安裝位置應(yīng)避開高速公路、高速鐵路及重要輸電通道等被跨越物。

4）當(dāng)雙擺防舞器須安裝于高速公路等寬度較大的跨越物上方時，建議減少該處雙擺防舞器的安裝。

6.2 微地形微氣象區(qū)段的防舞設(shè)計

針對舞動發(fā)生的影響因素，在容易發(fā)生舞動的微地形微氣象地帶，建議局部采取如下防舞措施：

1）在0 級或較低等級的舞動區(qū)，根據(jù)導(dǎo)線排列方式、分裂根數(shù)等因素，考慮加裝線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、相間間隔棒、雙擺防舞器等防舞裝置，并在桿塔和基礎(chǔ)方面考慮防舞要求；

2）優(yōu)化線路路徑，避免線路方向與冬春季主導(dǎo)風(fēng)向垂直，盡量減小其夾角，必要時可局部增加轉(zhuǎn)角塔，避讓微地形微氣象區(qū)域；

3）適當(dāng)提高1 級防舞設(shè)防等級。

7 結(jié)語

探討了防舞設(shè)計的關(guān)鍵問題，包括確定防舞設(shè)計依據(jù)、確定舞動設(shè)防分級、微地形微氣象的識別、加裝防舞裝置后對弧垂的影響、差異化的防舞設(shè)計等，同時介紹了山東電網(wǎng)輸電線路的防舞設(shè)計經(jīng)驗，可為其他輸電線路防舞設(shè)計提供依據(jù)。