特高壓交流大跨越線路防舞裝置的選型及優(yōu)化

林 銳，李偉鵬，趙 彬，翁蘭溪，秦紀(jì)賓，陳允清

(1.中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 102401)

0 引言

中國(guó)是舞動(dòng)發(fā)生最頻繁的國(guó)家之一[1]，在中國(guó)存在一條“北起黑龍江，南至湖南”的舞動(dòng)帶[2]，這條帶狀區(qū)域內(nèi)的輸電線路由于冬季特殊的氣象因素滿足了起舞的基本要素后極易誘發(fā)舞動(dòng)，湖北省是中國(guó)的強(qiáng)舞動(dòng)地區(qū)之一。

隨著湖北省境內(nèi)超、特高壓輸電線路建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，舞動(dòng)災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成的負(fù)面影響日益增大。2015年1月28日～29日，受低溫寒潮影響[2-3]，天門、荊州等地出現(xiàn)凍雨和風(fēng)雪天氣，造成龍政、葛南、林楓等29條線路發(fā)生持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)46 h的舞動(dòng)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。2018年1月24日～31日，湖北江漢平原地區(qū)輸電線路出現(xiàn)了大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的持續(xù)舞動(dòng)，造成4條±500 kV線路、15條500 kV線路受損，負(fù)面影響更甚于2015年的舞動(dòng)災(zāi)害。

荊門—武漢1 000 kV特高壓交流線路工程是華中特高壓交流環(huán)網(wǎng)的重要組成部分，工程的實(shí)施對(duì)滿足華中電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求、提高省間互濟(jì)能力具有重要意義[4]，該線路于荊門市王家灘以大跨越形式跨越漢江，跨越區(qū)域?qū)儆谖鑴?dòng)多發(fā)的江漢平原地帶。大跨越輸電線路由于地理位置特殊、跨度大，一旦發(fā)生覆冰舞動(dòng)災(zāi)害，將對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成巨大威脅[5]，而且大跨越線路選用的導(dǎo)線具有強(qiáng)度高、運(yùn)行應(yīng)力大、掛點(diǎn)高等特點(diǎn)，其覆冰舞動(dòng)非線性動(dòng)力特性有別于普通電壓等級(jí)線路。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輸電線路舞動(dòng)機(jī)理開(kāi)展了大量研究工作，提出了很多防舞措施[6-8]。文獻(xiàn)[9-10]是針對(duì)輸電線路防舞設(shè)計(jì)的通用標(biāo)準(zhǔn)，可作為常規(guī)線路防舞設(shè)計(jì)的參考，由于標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)取值為經(jīng)驗(yàn)值，并未考慮大跨越線路這種特殊的構(gòu)造形式，難以準(zhǔn)確指導(dǎo)實(shí)際大跨越工程設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[10]也明確提出特殊工程防舞裝置的配置及技術(shù)參數(shù)取值應(yīng)根據(jù)穩(wěn)定性機(jī)理、冰風(fēng)條件、線路參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算確定。

考慮到王家灘漢江大跨越線路舞動(dòng)等級(jí)為目前已建特高壓交流大跨越工程最高以及工程的重要性，有必要針對(duì)工程實(shí)際條件進(jìn)行防舞方案的計(jì)算和分析，以期為工程的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和有效保障。

1 工程概況

大跨越位于荊門市江漢平原地帶，采用“耐-直-直-耐”方式，跨越檔距分布為540 m—1 220 m—450 m，導(dǎo)線采用6×JLHA1/EST-640/170型特高強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)鋁合金絞線，分裂間距550 mm。漢江大跨越平面圖如圖1所示。

圖1 漢江大跨越方案路徑平面圖

2 舞動(dòng)等級(jí)及防舞措施

2.1 舞動(dòng)等級(jí)劃分

根據(jù)基于氣象地理法修訂的《湖北省電網(wǎng)舞動(dòng)區(qū)域分布圖(2018年修訂版)》，本跨越位置處于2級(jí)舞動(dòng)區(qū)范圍如圖2所示。

圖2 湖北省2018版舞動(dòng)分布圖

漢江大跨越線路呈自西向東走向，跨越點(diǎn)地形平坦開(kāi)闊，與該區(qū)域冬季主導(dǎo)風(fēng)向(見(jiàn)圖3)夾角大于80°，具備發(fā)生舞動(dòng)必要條件，考慮工程的重要性，建議按3級(jí)強(qiáng)舞動(dòng)區(qū)設(shè)防。

圖3 沿線氣象臺(tái)站冬季風(fēng)向玫瑰圖

2.2 防舞裝置選擇

國(guó)內(nèi)外常用的防舞裝置按防舞原理分為以改變導(dǎo)線受到的氣動(dòng)載荷和改變導(dǎo)線自身動(dòng)力學(xué)特性兩種[11-12]，相關(guān)裝置主要有空氣動(dòng)力減振器、擾流防舞器、失諧擺防舞器、壓重防舞器、線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、終端阻尼器、雙擺防舞器。表1為常用的防舞裝置的及主要特性。

表1 常用防舞裝置及主要特點(diǎn)

“線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒+雙擺防舞器”組合方案將雙擺防舞器的阻尼間隔棒載體更換為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒，形成二者的有機(jī)結(jié)合，該防舞器不僅滿足穩(wěn)定性機(jī)制的要求，同時(shí)可減輕風(fēng)的激勵(lì)，防舞效果更為顯著。建議強(qiáng)舞動(dòng)區(qū)的大跨越線路采用“線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒+雙擺防舞器”組合方案。

3 導(dǎo)線-防舞器系統(tǒng)舞動(dòng)建模及穩(wěn)定性分析

3.1 理論建模

本文參照文獻(xiàn)[13-14]的模型進(jìn)行導(dǎo)線—防舞器系統(tǒng)的建模，將防舞器的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量沿導(dǎo)線分布情況定義為狄拉克函數(shù)形式，通過(guò)曲梁建模方法得到描述覆冰導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的常微分方程，并進(jìn)行導(dǎo)線舞動(dòng)穩(wěn)定性分析。

圖4為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒與雙擺防舞器的在多分裂覆冰導(dǎo)線上的分布，間隔棒或雙擺防舞器自左向右，距左端點(diǎn)的軸向距離分別為L(zhǎng)i，i=1、2、3……。

圖4 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒及雙擺防舞器的安裝

將分布于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的導(dǎo)線上線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒及雙擺防舞器的分布質(zhì)量分別寫(xiě)成狄拉克函數(shù)形式[13]，見(jiàn)式(1)。

式中：M和I分別為線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒及雙擺防舞器質(zhì)量和轉(zhuǎn)慣量；角標(biāo)j代表線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒或雙擺防舞器，角標(biāo)e代表單個(gè)金具；L為檔距；i=1、2、3分別代表沿法向x軸，副法向y軸和切向z軸。

導(dǎo)線四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)方程如下：

利用伽遼金離散方法[14]，忽略高頻軸向自由度，可得反映各自由度j階模態(tài)的動(dòng)力學(xué)方程組。

本文主要對(duì)大跨越導(dǎo)線舞動(dòng)中常見(jiàn)的第3～5階模態(tài)進(jìn)行分析，故模態(tài)標(biāo)記j=3、4、5；M，K，C分別為系統(tǒng)質(zhì)量、剛度和阻尼矩陣；fnl,j(xj,yj,θj)分別為各自由度非線性項(xiàng)。

式中：m，k和c分別為各階模態(tài)下不同自由度的質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)。

3.2 導(dǎo)線運(yùn)行穩(wěn)定性判定

依據(jù)“舞動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)理”，核心判斷條件在于勞斯—霍爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)，式(3)的特征多項(xiàng)式可寫(xiě)成

勞斯—霍爾維茨穩(wěn)定性判據(jù)得出系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為：

否則，若上述條件中某一項(xiàng)為非正，則代表導(dǎo)線系統(tǒng)出現(xiàn)失穩(wěn)。

4 雙擺防舞器質(zhì)量分布及理論擺長(zhǎng)優(yōu)化

4.1 穩(wěn)定性防舞仿真參數(shù)及優(yōu)化方案

表2為漢江大跨越導(dǎo)線相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表2 大跨越導(dǎo)線相關(guān)計(jì)算參數(shù)

通過(guò)適當(dāng)調(diào)整雙擺防舞器的分布質(zhì)量和擺長(zhǎng)，進(jìn)而改變導(dǎo)線—防舞器系統(tǒng)整體阻尼特性并對(duì)其覆冰舞動(dòng)特性產(chǎn)生影響。表3為進(jìn)行穩(wěn)定性分析的大跨越各檔雙擺防舞器不同安裝方案。

表3 雙擺防舞器不同安裝方案

雙擺防舞器的分布原則為：檔距L小于700 m時(shí)，采用三點(diǎn)布置原則，分別置于2/9L、1/2L、7/9L處；檔距大于700 m時(shí)，采用四點(diǎn)布置原則，分別置于2/9L、7/16L、9/16L、7/9L處[9-10]。圖5(a)、圖5(b)分別為防舞器三點(diǎn)、四點(diǎn)式布置方式示意圖。

圖5 防舞器三點(diǎn)、四點(diǎn)式布置方式示意圖

4.2 仿真結(jié)果

根據(jù)穩(wěn)定性理論判據(jù)，進(jìn)行防舞器不同安裝方案下的導(dǎo)線—防舞器系統(tǒng)穩(wěn)定性計(jì)算。圖6為未加裝雙擺防舞器時(shí)各檔導(dǎo)線在不同冰厚、風(fēng)速條件下的失穩(wěn)起舞特性的仿真結(jié)果。

圖6 未加裝雙擺防舞器時(shí)各檔起舞特性

圖7、8、9分別為#1-#2檔、#2-#3檔、#3-#4檔加裝雙擺防舞器后導(dǎo)線在不同冰厚、風(fēng)速條件下的失穩(wěn)起舞特性的仿真結(jié)果。

圖7 加裝雙擺防舞器后#1-#2檔線路起舞特性

圖8 加裝雙擺防舞器后#2-#3檔線路起舞特性

圖9 加裝雙擺防舞器后#3-#4檔線路起舞特性

可見(jiàn)，雙擺防舞器在不同安裝方案下對(duì)各檔導(dǎo)線的起舞特性影響顯著：

1)各檔導(dǎo)線加裝雙擺防舞器后，起舞風(fēng)速均有所增大。對(duì)于10 mm冰厚，起舞風(fēng)速由安裝前的小于9.0 m/s提高至12.5 m/s以上。各覆冰厚度下的失穩(wěn)區(qū)間大部分呈現(xiàn)縮小的趨勢(shì)；

2)雙擺防舞器總質(zhì)量占比越大，起舞風(fēng)速越大。對(duì)于10 mm冰厚，雙擺防舞器總質(zhì)量占比由4.5%提高至6.5%，起舞風(fēng)速由9.5～11.0 m/s提高至11.75～12.75 m/s。舞動(dòng)事故調(diào)查表明，大部分舞動(dòng)事故時(shí)導(dǎo)線的冰厚通常在5 mm左右，本文中雙擺防舞器質(zhì)量占比調(diào)整為6.5%并適當(dāng)優(yōu)化擺長(zhǎng)后，各檔5 mm冰厚下理論上均不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，能較好滿足大跨越工程的防舞要求；

3)雙擺防舞器理論擺長(zhǎng)對(duì)各檔導(dǎo)線舞動(dòng)特性影響較為特殊，#1-#2、#3-#4檔在擺長(zhǎng)為800 mm時(shí)會(huì)表現(xiàn)出相對(duì)較優(yōu)的防舞能力，#2-#3檔理論最優(yōu)擺長(zhǎng)為700 mm。

5 防舞器安裝重量對(duì)導(dǎo)線弧垂的影響

大跨越導(dǎo)線加裝雙擺防舞器后將導(dǎo)致年平均運(yùn)行應(yīng)力增大，容易發(fā)生振動(dòng)疲勞問(wèn)題[15]。國(guó)內(nèi)近年采用特強(qiáng)鋼芯鋁合金絞線的1 000 kV特高壓大跨越線路大部分導(dǎo)線年平均運(yùn)行應(yīng)力取20%RTS[16]，有較多的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本文以加裝防舞器后導(dǎo)線最低點(diǎn)年平運(yùn)行應(yīng)力不大于20%RTS進(jìn)行舉例分析。

為獲得導(dǎo)線在不同雙擺防舞器重量占比條件下弧垂及張力的相對(duì)變化關(guān)系，采用荷載均布模型進(jìn)行分析，導(dǎo)線加裝雙擺防舞器后可等效為增加導(dǎo)線年平工況下的覆冰厚度(示意圖見(jiàn)圖10)，防舞器等效為一定覆冰厚度后導(dǎo)線垂直荷載P02[17]見(jiàn)式 (8)。

圖10 防舞器等效導(dǎo)線覆冰示意圖

式中：P02為導(dǎo)線等效垂直荷載，N/m；d為導(dǎo)線外徑，mm；b為覆冰厚度，mm；ρg為冰密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

加裝防舞器前后導(dǎo)線年平均運(yùn)行應(yīng)力如表5所示。

表5 加裝防舞器前后導(dǎo)線年平均運(yùn)行應(yīng)力

可見(jiàn)，為保證加裝防舞器后導(dǎo)線年平均運(yùn)行應(yīng)力不大于20% RTS，對(duì)于雙擺防舞器配重為4.5%～6.5%時(shí)，導(dǎo)線年平運(yùn)行應(yīng)力需放松至18.91%～19.24% RTS。

表6為安裝防舞器前后主跨檔弧垂變化情況。

表6 主跨檔加裝防舞器前后弧垂變化情況

可知，導(dǎo)線放松并加裝防舞器后比正常應(yīng)力放線弧垂增加約2.6～3.8 m，雙擺防舞器重量按占比6.5%配置對(duì)工程投資影響較小，但能顯著提高導(dǎo)線舞動(dòng)失穩(wěn)的冰風(fēng)閾值。

6 雙擺防舞器設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)線實(shí)際技術(shù)參數(shù)、仿真確定的防舞器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)適用于6×JLHA1/EST-640/170型導(dǎo)線的雙擺防舞器，具體參數(shù)及裝配圖分別如表7、圖11所示。

表7 雙擺防舞器技術(shù)參數(shù)表

圖11 雙擺防舞器裝配圖

7 結(jié)論

1)鑒于漢江大跨越具備覆冰、風(fēng)的激勵(lì)及線路走向與冬季主導(dǎo)風(fēng)向夾角大等導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)必要條件，結(jié)合周邊線路的舞動(dòng)情況及大跨越線路的重要性，建議按3級(jí)強(qiáng)舞動(dòng)區(qū)設(shè)防，這是目前特高壓交流大跨越工程中舞動(dòng)等級(jí)最高的工程；

2)漢江大跨越線路推薦采用“線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒+雙擺防舞器”的防舞方案；

3)大跨越各檔加裝雙擺防舞器的總質(zhì)量占比為6.5%、#1-#2和#3-#4檔擺長(zhǎng)采用800 mm、#2-#3檔擺長(zhǎng)采用700 mm時(shí)，線路段防舞能力較好；

4)雙擺防舞器占比為6.5%時(shí)，導(dǎo)線年平應(yīng)力需放松至18.91% RTS，主跨檔導(dǎo)線放松后弧垂比正常應(yīng)力放線增加約3.8 m，對(duì)工程投資影響較小，但顯著提高導(dǎo)線舞動(dòng)失穩(wěn)的冰風(fēng)閾值，較好滿足大跨越工程的防舞要求。

5)根據(jù)導(dǎo)線技術(shù)參數(shù)及優(yōu)化結(jié)果，本文首次設(shè)計(jì)了適用于6×JLHA1/EST-640/170型導(dǎo)線的雙擺防舞器裝配圖。