2010年苏北输电线路舞动气象分析评估

潘晓春

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

2010年苏北输电线路舞动气象分析评估

潘晓春

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

结合2010年2月10日苏北输电线路导线舞动实例，根据常规与自动气象站观测资料，分析了诱发导线舞动的冰、风气象因素以及地形地势条件，提出关于导线舞动原因的分析思路，并为防舞设计提供了依据。

导线舞动；不均匀覆冰；风激励；防舞设计

1 概述

2010年2月10日10时06分，江苏连云港市境内220 kV凤香4912线两侧跳闸，现场勘查发现85#～86#档线路A、C相碰线，导线表面有轻微烧伤痕迹；22时22分，连云港220 kV芦蔷2W11线跳闸，现场检查发现29#～30#档中下线导线表面轻微烧伤。

同日21∶36，淮安市境内220kV旗唐2W84线602、931保护动作跳闸，运行部门巡线发现故障点，58#塔A、B相磁棒断裂，导线脱落。

根据现场气象及线路受损等情况，运行部门初步判定上述3条线路的故障原因为导线舞动，如若属实则为江苏220 kV级以上线路有记录以来的首次，因此研究故障地区导线舞动的成因及其规律，对故障线路及邻近线路的防舞设计亟具意义。

2 气象背景概述

2010年2月10日～11日及2月13日～15日，江苏先后两次出现大范围雨雪冰冻天气过程。2月10日～11日，全省出现大范围暴雨、雷电、降雪、冰雹、雨凇和寒潮天气。苏北地区普遍出现大到暴雪，雨雪量在8.1 mm～47.3 mm，淮北地区积雪深度3 cm～9 cm，淮河以南地区在3 cm以下；连云港市区、东海、新沂、灌南、宿迁市区、淮安市区出现雨凇；苏北、苏中出现较严重的道路结冰。

纵观江苏省有气象记录以来，2月单日出现暴雨、雷电、降雪、冰雹、雨凇复合性复杂天气过程，在历史上尚属首次，其过程强度和范围均突破历史极值；单日暴雨出现站数之多、降水量之大也为2月历史极值[5]。

根据连云港、淮安市气象台记录，2010年2月10日夜间到11日，连云港市天气状况为阴有雨夹雪转雪，雨雪量大到暴，东北风5～6级，阵风7级；最低气温-3～-4℃，最高气温0～-1℃；2月10日，淮安地区雨夹雪，局部有中到大雪，最低气温零下8度，西北风5～6级，2月9～10日冻雨、2月11日中到大雪。

3 导线舞动形成因素

导线舞动实质上是一种低频大幅度振动，一般由横向振动、扭转振动等几种振动组成，其振东惯性与空气动力存在耦合关系，常常由于这种耦合而诱发舞动。

形成舞动的因素非常复杂，各种因素又相互影响。据国内外研究[1-4]，引起导线舞动的因素主要有三类因素，即冰风气象条件、地形与地势条件以及线路走向与结构参数等。

3.1 冰、风气象条件

对导线舞动来说，冰风因素是主要的激励源，具有关键的作用。其产生及其形态不仅与气象因素密切相关，而且彼此又相互影响。

⑴不均匀覆冰

覆冰多发生在风作用下的雨凇、霜凇及湿雪堆积于导线的气候条件下，与降水形式及降水量有直接关系，而又与温度的变化密切相关，常发生在先雨后雪，气温骤降的情况下，且覆冰截面不均匀或不对称，形成新月形、扇形、D形等不规则形状，覆冰导线便有了较好的空气动力性能，在风的激励下会产生舞动。

⑵风的激励

除覆冰因素外，导线舞动还须有稳定的层流风的激励。我国冬季及初春季节，冷暖气流的交汇易引起较强的风力，当导线覆冰、风速范围一般3～20 m/s，且主导风向与导线走向夹角不小于45°时，导线易舞动。

3.2 地形与地势条件

与不规则气流对导线的空气动力载荷产生抵消相比，来自同一方向稳定的层流对导线的空气动力载荷有叠加效应。在四周无屏蔽物的开阔地带，能使均匀的风持续吹向导线。因此，从风速及空气流态来说，平原、开阔或山谷风口地区都更加有利于舞动的形成。

3.3 线路走向与结构参数

如果把气象条件、地形地势等条件看作外因，那么，线路本身的走向与结构参数，就是引起舞动的内因，不利的线路走向与结构组合易增大舞动几率。

⑴线路走向

若风向与物体的轴线之间有一个夹角，起激振作用的是风的垂直分量，而平行于物体轴线的分量通常是不会起到激励作用的。基于此，线路舞动状态，也取决于风向对导线轴线的夹角。夹角越接近90°，舞动的可能性越大，反之，当夹角为零，即风向平行于导线轴线时，则引起舞动的可能性最小。

⑵导线类型

单导线覆冰时，由于扭转刚度小，在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转，使覆冰截面形状趋于圆形；而分裂导线覆冰时，由于间隔棒的作用，每根子导线的相对扭转刚度比单导线大得多，在偏心覆冰作用下，导线的扭转极其微小，不能阻止导线覆冰的不对称性，覆冰易形成翼形断面。因此，对于分裂导线，由风激励产生的升力和扭矩远大于单导线。

⑶导线直径

大截面导线的扭转刚度大，在偏心覆冰后难以产生自身扭转，使得覆冰更多的堆积在同一方向，使导线迎风面与背风面的冰层厚度差增大，导线覆冰截面的偏心度甚于小截面导线，更易形成翼形断面，在风激励作用下，产生的升力和扭矩要大些，因此产生舞动的可能性比小截面导线大。

⑷线路档距

关于档距与舞动间的关系，目前存在两种观点：其一认为，短档距的扭振和横向固有频率较长档距高，不易在低频带发生耦合谐振，有抑舞作用；另一认为，短档距的相对扭转刚度比长档距大，迎风面覆冰时扭转角小，更易形成翼形覆冰，在相同风激励下，升力、扭矩要大些，更易于舞动。从有关文献统计来看，档距大小与舞动尚无明确关系。

随着我国电网建设力度的加强，电网密度逐年增大，且呈现多分裂、大截面的发展趋势，就此而言增大了导线舞动发生的可能性。

4 气象要素统计分析

4.1 故障地气象站概况

距离220 kV凤香、芦蔷线和220 kV旗唐线故障地点最近的常规气象站为连云港站和淮安气象站。同时，鉴于风易受下垫面地形地物影响，为更准确描述故障地点风况，引用了气象部门于近年来设立的中尺度气象自动站观测统计。

表1 距离线路故障点最近的气象站

4.2 电线结冰观测分析

淮安气象站有长期覆冰(气象部门称“电线结冰”)观测任务。2010年2月10～11日该站南北、东西向观冰架电线结冰的直径与厚度均为6 mm(含4 mm电线直径)，由雨凇形成。这说明2010年2月10日有一次雨凇覆冰过程。

4.3 气象站冬季风况统计

根据连云港气象站及开发区自动站测风统计可知：①连云港气象站累年冬季风向主导风向为NNE(频率11%)，风速亦以NNE向为最大，达4.2 m/s。②连云港开发区自动站设站观测时间虽较迟(2006年12月)，但其冬季主导风向亦为NNE(频率18%)，最大风速出现于ENE(3.4m/s)，次大风速出现于NNE(3.3 m/s)。

根据淮安气象站及地震台自动站测风统计可知：①淮安气象站累年冬季主导风向为NE(频率9%)，次主导风向为N、NNE和ENE(频率均为7.7%)，风速以NE向为最大(3.7 m/s)，次大风为NNE向(3.6 m/s)；②淮安地震台自动站设站观测时间亦较迟(2007年12月)，其冬季主导风向亦为NNE(频率10%)，次主导风向为NNE(频率9%)，最大风速出现于NE(2.5 m/s)。

4.4 故障日风速风向分析

根据连云港开发区、淮安地震台气象自动站2010年2月10日0∶00～23∶00逐时风速风向资料，分别绘制逐时风矢量折线图(图1、图3)和风速过程图(图2、图4)。

图1 连云港开发区自动站2010年2月10日逐时风矢量折线图

图2 连云港开发区自动站2010年2月10日逐时风速过程

由图1、图2可见：①据连云港开发区自动站，2010年2月10日，NNE向风占据主导，在全天24小时内合计出现16个小时，持续而稳定；②大风亦出现于NNE向中，9时～10时先后出现8.4 m/s、8.5 m/s的当日次大及最大风速；③该日22时、23时最大风速分别为7.3 m/s(N)和8.2 m/s(NNE)，即22时～23时间风速处于增大期，至23时风速增为24小时中的第3大风速。

图3 淮安地震台自动站2010年2月10日逐时风矢量折线图

图4 淮安地震台自动站2010年2月10日逐时风速过程

图3、图4显示，据淮安地震台自动站，2010年2月10日，NE向风占据主导，在全天24小时内合计出现20个小时，持续而稳定；大风亦出现于NE向中，9时出现7.1 m/s的当日最大风速。

5 线路故障原因分析

⑴受特殊天气影响，连云港、淮安地区2010年2月10日天气状况恶劣，大风伴随雨凇，淮安气象站测得6 mm厚(含4 mm的电线直径)的结冰，输电线路具备发生导线舞动的风冰等基本气象背景条件；

⑵220 kV芦蔷线29#～30#档位于锦屏山和前云台山间的山谷南侧，220 kV凤香线85#～86#档位于前云台山和中后云台山间的山谷南侧，220 kV旗唐线58#塔位于淮安、涟水两城市之间地段，山间、城市间高耸建筑物在一定程度上挤压了气流，且均处于累年冬季主导风的下风侧，易受气流狭管效应的影响，具备使局地风速持续强劲的地形地物条件，有利于导线舞动的形成；

⑶220 kV芦蔷线29#～30#档、220 kV凤香线85#～86#档线路均为NW－SE走向，与2010年2月10日主导风向NNE的夹角约为67.5°；220 kV旗唐线58#塔所在耐张段线路为NNWSSE走向，与2010年2月10日主导风向NE的夹角亦约67.5°。因雨凇在导线表面形成不均匀覆冰后，受NNE、NE向持续稳定的大风激励，产生导线舞动现象；

⑷根据连云港开发区自动站观测，2010年2月10日故障地NNE向风占据主导，持续而稳定；大风亦出现于NNE向中，9时～10时先后出现当日次大及最大风速，这与220 kV凤香线于10∶06跳闸故障吻合；22时～23时间风速处于增大期，至23时增至24小时中的第3大风速，在此期间220 kV芦蔷线(22∶22)跳闸故障。当上、下导线舞动不同步时，若相间距离小于必需的电气距离时，即发生闪络跳闸故障；

⑸根据淮安地震台自动站观测，2010年2月10日故障地NE向风占据主导，持续而稳定。220 kV旗唐线持续接受风冰影响而舞动，58#塔磁棒于21∶36断裂导线脱落，而此时风速仅约3.3～3.6 m/s，说明58#塔磁棒存在发生破裂、破裂加深并最终断裂的发展过程，这一点与220 kV凤香线、芦蔷线闪络跳闸故障和大风在时间上较为吻合是有区别的；

⑹220 kV芦蔷线、220 kV凤香线以及220 kV旗唐线均为同塔双回线，发生闪络故障的均为单侧回路，而同档另一侧回路并未发生故障，这充分说明了导线舞动复杂性和轨迹的高度随机性，即芦蔷线、凤香线故障侧导线因舞动造成相间距离不足而闪络，而另一侧导线虽发生舞动，但其相间距离并未达到闪络的极限。旗唐线故障侧导线因舞动造成磁棒断裂，而另一侧导线虽发生舞动，但并未造成部件明显受损。同样的，同一耐张段的其它档也有可能发生导线舞动，只不过舞动尚未造成闪络故障或部件受损罢了；

⑺220 kV芦蔷线、220 kV凤香线发生导线舞动的档距分别为390 m和379 m，220 kV旗唐线58#塔两侧档距分别为435 m和325 m，与前后档距相比并无过大或过小现象，这也说明了导线舞动与档距大小似无明确关系。

6 防舞设计建议

⑴线路舞动的因素比较复杂，根据国内外线路舞动事件的统计研究，主要取决于当地冰风气象条件、地形地势等与线路走向及其结构参数的耦合程度；

⑵根据常规气象站以及气象自动站累年冬季风速风向统计，连云港地区冬季主导风向为NNE，且NNE向风速相对较大，冬季NNE向风强劲而稳定，这与2月10日线路故障日风速风向是一致的。淮安地区冬季主导风向为NE、NNE，且主导风向风速相对较大，冬季NE、NNE向风强劲而稳定，这与线路故障日风速风向大体一致；

⑶为进一步保证运行安全，对于芦蔷线、凤香线以及旗唐线故障地及其邻近地区与NE、NNE向大致呈垂直风向的NW－SE向、WNW－ESE向，且面对前山谷风口的的输电线路采取防覆冰、防舞动的技术措施是必要的，对满足前述条件且与高速公路、铁路、其它高压输电线路的重要交跨段尤应如此；

⑷线路舞动的形成发展因素中含有如冰、风、气温、降水、地形等以及线路本身等诸多随机因素，因此线路舞动是一随机事件，其形成发展的机理并未完全清楚，尚有待进一步研究。

[1]王少华，等．输电线路导线舞动的国内外研究现状[J]．高电压技术，2005，31(10)．

[2]黄经亚．架空输电线路导线舞动的分析研究[J]．中国电力，1995，28(2)．

[3]石吉汉，吴继云．导线舞动的防治[J]．电力建设，2005，26(12)．

[4]朱宽军，等．输电线路舞动的研究与治理[J]．电力建设，2004，25(12)．

[5]江苏省气候中心．2009～2010年冬季气候影响评价[R]．2010．

Meteorological Analysis and Evaluation of Transmission Lines Galloping in North Jiangsu in 2010

PAN Xiao-chun
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

Combined with galloping of transmission lines in North Jiangsu in February 10, 2010, according to meteorological observation data of conventional and automatic station. The meteorological and topographical factors of inducing galloping are analyzed. This paper puts forward the analysis thought for the cause of conductor galloping, and provides a basis for anti-galloping design.

conductor galloping; uneven iced; wind excitation; anti-galloping design.

P49

B

1671-9913(2010)06-0029-05

2010-10-14

潘晓春(1971-)，男，江苏姜堰人，硕士，高级工程师，主要从事电力工程水文气象勘测设计工作。