超特高壓輸電線路覆冰舞動(dòng)機(jī)理及其防治技術(shù)

嚴(yán)翔

摘要：我國超特高壓輸電線路建設(shè)方興未艾，在新的電網(wǎng)建設(shè)形勢下輸電線架設(shè)環(huán)境將更為復(fù)雜，線路走廊將不可避免地遇到易舞的氣象環(huán)境，如何有效防治超特高壓輸電線路在覆冰環(huán)境下的舞動(dòng)是亟待解決的問題。因此，在進(jìn)一步完善舞動(dòng)機(jī)理、提高舞動(dòng)判據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，深入研究超特高壓輸電線路經(jīng)濟(jì)可靠的舞動(dòng)防治技術(shù)具有強(qiáng)烈的緊迫性和十分重要的理論、應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線;路覆冰舞動(dòng)機(jī)理;防治技術(shù)

輸電導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象，多發(fā)生于開闊地帶。對于輸電線路而言，大截面、多分裂導(dǎo)線較于大截面、單分裂導(dǎo)線更易舞動(dòng)。舞動(dòng)發(fā)生時(shí)，全檔架空線路會(huì)發(fā)生大幅度波浪式振動(dòng)。長時(shí)間大幅度的舞動(dòng)容易引起金具損壞、相間閃絡(luò)，導(dǎo)致倒塌或者線路跳閘等重大事故，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

1 舞動(dòng)機(jī)理介紹

影響舞動(dòng)的主要因素包括覆冰、風(fēng)和線路結(jié)構(gòu)。 輸電導(dǎo)線舞動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通常可分為如下3 種。（1）單自由模型。這是一種與Den Hartog垂直舞動(dòng)機(jī)理相對應(yīng)的模型，通常只考慮輸電導(dǎo)線的豎向振動(dòng)。（2）二自由模型（包括兩種），一是考慮輸電線路的豎向振動(dòng)和水平擺動(dòng)二者相互耦合的情況，二是基于 O.Nigol扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)機(jī)理，考慮豎向振動(dòng)和軸向扭轉(zhuǎn)相互耦合。（3）三自由度模型。這種模型通常需考慮垂向振動(dòng)、水平擺動(dòng)和軸向扭轉(zhuǎn)三者相互耦合的情況。

2 覆冰舞動(dòng)的防治措施

2.1 輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)

2.1.1 規(guī)避舞動(dòng)區(qū)域

由于每年冬春季節(jié)，南下的冷空氣與北上的暖濕氣流在東部、華北和華中地區(qū)交匯，所以形成了一條南起湖南，北至吉林的“舞動(dòng)帶”。由于微地形的差異，不同區(qū)域發(fā)生舞動(dòng)強(qiáng)度存在差異，根據(jù)舞動(dòng)發(fā)生頻率法和舞動(dòng)系數(shù)法對湖北、安徽、河南和遼寧的部分地區(qū)繪制了舞動(dòng)地圖。舞動(dòng)地圖的繪制精度是以地級市為單位，可以作為線路規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。在輸電線路路徑選擇時(shí)，還需要結(jié)合地形、地貌和氣象條件，避開凍雨雪頻繁的地區(qū)、易形成持續(xù)穩(wěn)定氣流的地區(qū)。

2.1.2 改變線路設(shè)計(jì)

舞動(dòng)發(fā)生過程中會(huì)對金具、絕緣子、線夾等設(shè)備產(chǎn)生破壞，提高輸電線路的電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度，將會(huì)減少舞動(dòng)造成的電氣和物理故障。對影響舞動(dòng)幅值的線路結(jié)構(gòu)和參數(shù)，選擇舞動(dòng)幅值較小的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。如在設(shè)計(jì)時(shí)采用導(dǎo)線水平排列、雙回塔改變各相排列等方式保證線間最小安全距離，可以減小危害;將分裂導(dǎo)線用單根導(dǎo)線替代;分裂導(dǎo)線取消間隔棒，采用垂直或水平排列。由于不可能完全繞開舞動(dòng)發(fā)生區(qū)域，且設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的提高會(huì)降低輸電線路建造的經(jīng)濟(jì)性，輸電線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法只能減少輸電線路舞動(dòng)的概率，并不能從根本上避免舞動(dòng)的發(fā)生。

2.2 導(dǎo)線舞動(dòng)抑制

2.2.1 改變空氣動(dòng)力特性

改變導(dǎo)線的外形，可以改變導(dǎo)線受到的空氣驅(qū)動(dòng)力，從而不利于舞動(dòng)的發(fā)生。主要地改變空氣動(dòng)力特征的方法有： 1）氣流干擾線。在導(dǎo)線上安裝一段螺旋形的 干擾線，產(chǎn)生連續(xù)改變氣流的截面，破壞垂直振動(dòng)或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的發(fā)生條件。2）防舞動(dòng)片。防舞動(dòng)片是一塊長高比為1.5的鋁（鐵）片，其在收到風(fēng)作用后會(huì)帶動(dòng)導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)，使防舞動(dòng)片附件的導(dǎo)線覆冰較圓。在導(dǎo)線上安裝多個(gè)防舞動(dòng)片，使一檔導(dǎo)線的覆冰形狀和升力有很大差 別，相互干擾抑制舞動(dòng)。3） 氣動(dòng)阻尼器。氣動(dòng)阻尼器是固定在導(dǎo)線下，由凹形板組合成的增加受風(fēng)面積的裝置。阻尼器中的凹槽使其在風(fēng)的作用下具有較大的阻力，使升力曲線具有正斜率，從而抑制舞動(dòng)。

2.2.2 改變線路結(jié)構(gòu)特性

改變線路的結(jié)構(gòu)特性可以改變導(dǎo)線自身的振動(dòng)頻率，使不同自由度上的振動(dòng)難以耦合，從而減少或防止舞動(dòng)的發(fā)生。根據(jù)垂直激發(fā)和扭轉(zhuǎn)激發(fā)理論，舞動(dòng)的起因是由垂直或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)引起，舞動(dòng)抑制的方法也是從這兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。1） 改變扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率。失諧擺是一個(gè)具有一定質(zhì)量和臂長的重錘，當(dāng)其安裝在導(dǎo)線下方時(shí)，將會(huì)增加導(dǎo)線覆冰后的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，改變導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率，并與導(dǎo)線垂直振動(dòng)頻率分離，從而阻止扭轉(zhuǎn)振動(dòng)激發(fā)舞動(dòng)。 與失諧擺防舞原理類似的還有雙擺防舞器。偏心重錘是重心可以變化的重物。在安裝了偏心重錘的導(dǎo)線向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，偏心重錘會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下的慣性力，這將抵消部分導(dǎo)線上的升力，偏心重錘隨導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)還會(huì)產(chǎn)生抑制扭轉(zhuǎn)的扭矩，抑制導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)，從而減小舞動(dòng)的幅值。2） 改變垂直振動(dòng)頻率。重錘是在導(dǎo)線上懸掛的具有一定重量的物體，針對的是舞動(dòng)中的垂向振動(dòng)。重錘自身具有較大重量，可以抵消風(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的升力，并改變導(dǎo)線的垂直 振動(dòng)固有頻率;將重錘裝在波腹或接近波腹處，可以使舞動(dòng)的半波數(shù)增加，從而 減小舞動(dòng)的垂直振幅。

3.3 線路除冰

線路除冰并非專門針對舞動(dòng)進(jìn)行研究，但在除冰后能夠有效降低覆冰舞動(dòng)的可能性，本節(jié)對線路除冰技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。短路電流融冰和直流電流融冰法可以應(yīng)對覆冰厚度較大的情況，都需要將線路停運(yùn)，且需修改保護(hù)定值，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，短路電流融冰過程中需要大量的無功率，對 500kV及以上線路不適合，直流電流融冰能夠應(yīng)對所有等級線路，但其控制較為復(fù)雜;潮流融冰法可以無需斷開線路，但其無法應(yīng)對覆冰較厚的情況和避雷線覆冰;高頻電壓除冰過程中會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波，對通信產(chǎn)生影響，會(huì)產(chǎn)生諧波，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性;激光除冰受制于激光功率，在復(fù)雜地形下設(shè)備也難以到達(dá)。機(jī)械除冰方法目前只有滑輪鏟刮法在實(shí)際中得到應(yīng)用，但只能針對低電壓等級停運(yùn)的輸電線路。

結(jié)束語：

覆冰舞動(dòng)會(huì)對輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。舞動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、除冰技術(shù)和安全穩(wěn)定防御技術(shù)可以為舞動(dòng)的防治提供補(bǔ)充，需要對每種技術(shù)及相互協(xié)調(diào)配合方法進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

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