山东500 kV电网线路舞动分析及其治理

刘洪正，乔耀华，杨立超

（山东电力集团公司超高压公司，山东济南 250021）

0 引言

2010年1月20日和2月28日，山东遭受两次大范围大风雨雪冰冻天气，500 kV电网发生大面积线路舞动，造成15条62条次500 kV线路跳闸，电网运行出现多次重大险情。山东电网在短时间内连续发生两次大面积线路舞动，范围之大、时间之长是历史上从未发生过的。

1 两次电网舞动的基本概况

1.1 天气情况

受强冷空气影响，自1月20日8时开始山东各海区出现了7～8级阵风10级的东北风，鲁西北地区、半岛地区和内陆湖面也出现7级阵风，气温为2～-5℃，山东出现了多年少见的大范围冻雨、风雪天气，山东省气象台和海洋预报台发布风暴潮蓝色警报和海浪蓝色警报。2月28日，山东大部地区出现小雨天气，逐渐转为雨夹雪转小到中雪局部大雪，有5～6级东北风，气温降到2～-4℃，同时伴有雷电活动，省气象台发布了海上大风黄色预警信号和大范围雨雪预报。

两次恶劣天气的共同特点一是大风，二是气温低，三是雨雪天气。

1.2 两次舞动事件对电网的影响

2010年1月20日8时18分起至21日6时，13条500 kV线路跳闸36条次，电网结构遭受严重破坏。最严重时，烟威电网仅通过500 kV崂阳线相连。跳闸次数最多的是500 kV潍阳线，跳闸次数竟达到8次。

2010年2月28日14时32分起至3月1日8时，7条500 kV线路跳闸26条次，山东与华北联网的500 kV辛聊Ⅰ、Ⅱ线和黄滨Ⅰ、Ⅱ线相继跳闸，造成山东电网与华北电网两次解列。

1.3 两次舞动事件对电网设备的危害

“1.20”和“2.28”事件中，线路舞动造成山东500 kV电网设备受损严重。经全面巡视检查，共发现由于舞动造成的500 kV线路缺陷387条，其中危急缺陷11条，严重缺陷38条，一般缺陷338条。舞动造成了输电线路螺栓松动、脱落，金具、绝缘子、跳线损坏，导线断股、断线，塔材、基础受损等缺陷，各类缺陷统计分析如图1。

图1 输电线路舞动缺陷情况分析

山东500 kV输电线路舞动损伤典型案例：

（1）500 kV输电线路舞动造成多处导线烧伤、断股，见图2。

图2 500 kV线路导线断股

（2）500 kV线路耐张连接金具断裂，跳线悬垂线夹断裂，见图3。

图3 淄潍线耐张金具断裂、跳线悬垂线夹断裂

（3）耐张塔塔材螺栓有松动、脱落现象，见图4。

图4 潍阳线铁塔螺栓脱落

（4）铁塔塔腿基础保护帽破裂，见图5。

图5 寿油Ⅰ、Ⅱ线126号铁塔塔腿基础保护帽破裂

（5）舞动造成多处导线间隔棒掉抓、损坏，见图6。

图6 导线间隔棒掉抓、损坏

2 两次电网舞动的特点及分析

根据上述线路舞动情况，综合分析两次电网舞动事件有以下特点：

（1）东西或西北-东南走向线路舞动条数多，故障跳闸多。山东冬季盛行北风或东北风，东西或西北-东南走向500 kV线路与冬季主导风向夹角大，位于迎风面，易发生线路舞动。两次舞动事件造成故障跳闸的15条500 kV线路均为东西走向或西北-东南走向。

（2）同塔双回线路舞动造成的故障多。500 kV线路舞动跳闸15条，其中12条是同塔双回线路。同塔双回线路发生舞动时造成线路跳闸的比例高。

（3）相间故障多。两次舞动事件造成的62次500 kV线路故障中，单相故障28次（45.2%），相间故障34次（54.8%）；相间故障占故障总数的一半以上。

（4）线路重复跳闸次数多。输电线路发生舞动后，若天气条件没有大的变化，输电线路会受到一个稳定的风激励，在风的作用下舞动持续时间长，会造成重复跳闸或重合不成。1月20日发生跳闸的有28条线路重复跳闸，500 kV潍阳线跳闸8次，潍崂线跳闸7次。舞动区段较小的，故障点集中；舞动区段较大的，故障点分散。

（5）500kV水平布置线路单相接地故障多。500 kV单回线水平布置的线路相间距离较大，导线舞动造成相间短路的几率小，但易造成引流线对塔身放电，尤其是中相绕跳式的引流线。淄潍线83号和潍阳线49号均为中相引流线、潍崂线55号塔为右相引流线对塔身放电。

（6）线路舞动对设备的危害性较大。输电线路舞动时，线路全档做大幅度的波浪式振动，并兼有摆动，摆动轨迹顺线路方向近似椭圆状。导线舞动呈低频高幅，且持续时间长，具有较大的危害性。垂直排列的导线发生舞动，易造成线路相间短路；水平排列的导线发生舞动，造成与跨越物的电气距离不够对跨越物放电、导线或跳线对塔身距离不够对杆塔放电。舞动容易引起线路闪络、金具损坏、倒塔、断线、螺栓松脱、导线烧伤断股、光缆断芯或断缆等，对电网和设备安全运行造成严重影响。

3 输电线路舞动的机理及对策

3.1 舞动概念

在冬季，当水平方向的风吹到因覆冰而变为非圆截面的导线上时，将产生一定的空气动力，由此会诱发导线产生一种低频频率（0.1～3 Hz）、大振幅（10 m以上）的自激振动，是较高风速引起的覆冰导线的驰振。由于其形态上下翻飞，形如龙舞，也称舞动。

3.2 影响舞动的因素

从舞动的定义不难看出，舞动的形成主要取决于三方面的因素，即覆冰、风的激励和线路结构及参数。但形成舞动的因素非常复杂，而各种因素又相互影响，构成了舞动激发与扩展的复杂情况。归纳起来，对导线舞动的激发与扩展起主要作用的因素大致有三个方面，即线路的走向、地形与地势，当地的气象条件，线路系统的结构与参数。

（1）线路走向、地形与地势的影响。导线的舞动是由于冰和风的联合作用产生的。这里所说的风向是指使导线覆冰时的风向，通常冬季，尤其在冰雪天，以北风居多。据前苏联的文献报道和我国导线舞动的统计资料表明，绝大多数的导线舞动发生在风向与线路夹角为45～90°的情况下。那么，在其他的气象条件与线路条件都完全相同，线路的走向不同起了决定性的作用。

根据国内外的统计资料，导线舞动多数产生于平原开阔地区，这是不难理解的。因为，与山区或丘陵地区相比，平原与开阔地区无论从风速还是空气的流态来说，都更加有利于舞动的形成。

（2）气象条件。对于导线舞动来说，冰风因素是主要的激励源，具有关键的作用。它们的产生及其形态不仅与气象因素密切相关，而且，它们彼此又相互影响。

舞动多发生在覆冰导线上，覆冰厚度一般为2.5～48 mm。导线上形成覆冰须具备3个条件：①空气湿度较大，一般90%～95%，雨淞、冻雨或雨夹雪是导线覆冰常见的气候条件；②合适的温度，一般为0～-5℃，温度过高或过低均不利于导线覆冰；③可使空气中水滴运动的风速，一般大于4 m/s。

冬季及初春季节里，冷暖气流的交汇引起的风力较强，地势平坦、开阔及风口地区的输电线路，在导线（不均匀）覆冰的情况下，当风速在4～20 m/s，且风向与线路走向的夹角≥45°时，导线易舞动。

（3）线路系统的结构和参数也是形成舞动的重要因素之一。

许多国内外的观测资料表明，在同样的地理与气象条件下，分裂导线比单导线容易舞动。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，使覆冰接近圆形；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，导线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。对于500 kV超高压输电线路，多采用四分裂导线，较易发生舞动。

观测资料还表明，大截面导线比小截面易舞动。大截面导线的相对扭转刚度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭转角要小，导线覆冰更易形成翼形断面，在风激励作用下，产生的升力和扭矩要大些。

3.3 线路覆冰舞动的机理

（1）国外舞动研究概况。

舞动的观测与研究源于20世纪30年代，美、加、苏、英、日等国进行了大量的观测、研究工作。而就舞动的机理而言，至今还只有美国的DenHartog提出的垂直激发机理和加拿大的O.NⅠgol提出的扭转激发机理，以及所谓的“惯性耦合激发机理”这三种机理基本概括了舞动机理研究的主要成果。

（2）国外舞动研究成果。

Den Hartog舞动机理（垂直激发机理）如图7所示。

图7 Den Hartog舞动激发模式

O.NⅠgol舞动机理（扭转激发机理）如图8所示。

图8 O.NⅠgol舞动激发模式

惯性耦合激发机理如图9所示。

图9 惯性耦合激发模式

图中：y为导线横向位移；ρ为空气密度；U为风速；D为导线直径；CL为空气动力升力系数；CD为空气动力阻尼系数；m为覆冰质量。

（3）我国舞动研究情况。

我国对舞动观测与研究的起步较晚。有关舞动的记载始于20世纪50年代，而真正进行大规模治理与研究还是在1987年湖北省中山口大跨越发生舞动断线之后才开始进行的。

理论研究方面的主要成果是创立了 “稳定性舞动机理”。稳定性机理考虑了垂直、水平、扭转三个分量，并考虑三者的互相耦合，从而可以模拟各种类型的舞动。原则上，稳定性舞动机理可以包括现有的各种舞动机理，换言之，现有的各种舞动机理可以看作为稳定性舞动机理的某种特例。

原电力工业部于1990年立项 “220～500 kV输电线路导线舞动的试验研究与治理”，经原国电电力建设研究所和湖北省电力局等单位多年研究，攻克了20多项技术难关，取得了有效防止220～500 kV输电线路导线舞动的研究成果，并获得1997年度国家科技进步一等奖。

3.4 输电线路覆冰舞动治理的对策

（1）防舞措施的分类。

鉴于输电线路舞动主要是由于三个方面的因素所形成的，即覆冰及其截面形状；风速及其方向；线路系统的自身参数。与此相应，防舞的措施也将是根据这几个方面有针对性地进行。

现行的防舞措施，大体可以分为三类：其一，从气象条件考虑，避开易于形成舞动的覆冰区域与线路走向，即避舞措施；其二，从机械与电气的角度，提高线路系统抵抗舞动的能力，即抗舞措施；其三，从改变与调整导线系统的参数出发，采取各种防舞装置与措施，抑制舞动的发生，即抑舞措施。

抑舞措施是采取各种防舞装置与措施，改变与调整导线系统的参数，达到抑制舞动的发生，或减小舞动的强度，以保证线路的安全，也是防治舞动的重要方面对于已建成的线路，抑舞措施则是唯一的办法。这类措施主要是通过在线路上安装防舞装置来实现其抑制舞动的功能。

（2）常用防舞措施。

大电流溶冰。在导线中通过大电流将冰溶化，以消除致舞的不稳定因素。该方法技术复杂，费用昂贵，不便采用。

相间间隔棒。就是在相间或回路间用绝缘棒进行机械连接，制约导线的舞动，其固定处将成为波节，使舞动成为多个半波的模式使振幅变小，达到防止导线间短路的目的。另外，该装置不仅改变了系统的结构方式能抑制导线舞动，而且还可防止脱冰跳跃所引起的混线事故。随着合成绝缘子的广泛应用，该装置已从高压线路发展到超高压线路上，是比较有效的防舞动和隔离混线装置，在双回路乃至多回路上安装相间间隔棒是防治舞动的首选措施之一。

线夹回转式间隔棒。将子导线间隔棒改为可以线夹回转式间隔棒，可以有效解决线路不均匀覆冰的问题，减轻风的激励作用，提高线路的稳定性。结合双摆防舞器一起使用，取得较好的应用效果。

双摆防舞器。双摆防舞器研制始于1989年，在安装方式上采取了集中和分散相结合、宏观集中微观分散、重摆和轻摆相配合等措施。在1991年12月湖北汉江中山口大跨越500 kV线路舞动中表现出了较明显的防舞动效果。

失谐摆。是由加拿大学者尼戈尔首先提出，与Harvard等人共同研究和发展起来，并在工程实践中取得相当效果的一种防舞装置。失谐摆的设计基于扭振激发机理，用来调整扭振固有频率，使之与横向振动的高阶固有频率分离，从而防止其耦合而诱发舞动。

扰流器。扰流器可以改变导线在气流中所受到的气动力。一般的扰流防舞器是利用某种特制的线缠绕在导线上，使得导线与扰流线合成体的各个截面的形状都彼此不同，即使在覆冰后也仍然如此。这样，各个截面上的空气动力（升力、阻力与扭矩）就会互不相同，相互干扰与抵消，达到抑制舞动的目的。

4 山东500 kV线路防舞综合治理情况

4.1 500 kV线路防舞措施的制定

由于舞动的形成主要取决于三个因素，即覆冰、风激励和线路的结构与参数，因此，运行线路主要通过改变线路的结构和参数达到防舞动治理的目的。山东电力集团公司配合中国电科院、华北电科院等单位提出的线路防舞动方案，对不同的方案进行了综合比较，结合山东500 kV电网实际，并参考湖北、河南、辽宁等舞动较频繁的省公司的治理情况，提出以下治理方案：

（1）单回水平排列线路治理方案。单回水平排列的线路，由于导线上下舞动，相间间隔棒无法形成牵制作用，因此采用线夹回转式间隔棒加双摆防舞器方式。线夹回转式间隔棒代替现在的子导线间隔棒，可以使导线有一定的自由转动幅度，提高覆冰的均匀性；其结构特点是：部分线夹为普通固定线夹，部分线夹为回转线夹，回转线夹可转动角度范围为0～174°，可与普通固定线夹互换。双摆防舞器增加导线的压重，破坏形成共振的谐振条件。

线夹回转式间隔棒的次档距布置应遵循以下原则：最大次档距不大于50 m，最小次档距不大于25 m，平均次档距取45 m左右，并采取不等距、不对称的布置方式。

（2）同塔双回垂直排列线路治理方案。同塔双回垂直排列线路，采用相间间隔棒预防覆冰舞动。相间间隔棒可将电力线路中的各相导线机械地连接起来，使各导线的运动相互制约。研究表明，相间间隔棒抑制导线舞动的机理在于其拉力 （而非支撑力）的牵制作用，使各相导线的不同期强迫振动载荷（不均匀覆冰的空气动力提供）相互平衡抵消，从而抑制导线舞动。在该机理的支持下，可对传统相间间隔棒的机械特性和结构形式进行优化，可采用较细的芯棒直径和分段式结构，或改变联接方式，也可进而研制新型的柔性相间绝缘子；使其在机械上仅承担导线非同期运动时的拉力而非支撑力。从实际使用效果上看，相间间隔棒是当前防舞动效果最好、最可靠的防舞器械。

对于同塔双回垂直排列线路，主要应用相间间隔棒预防覆冰舞动。根据相间间隔棒生产技术现状和防舞功能需求，相间间隔棒采取双节联接的型式，在线路档距中的布置方式参照国家电网公司有关文件的要求执行，对不同档距相间间隔棒的安装数量及安装位置如表1所示。

表1 500 kV相导线垂直排列线路相间间隔棒布置方法

（3）铁塔螺栓紧固，同时对治理区段的耐张塔进行全部紧固。

（4）易覆冰舞动区段的确定。

舞动的形成主要取决于三个因素，即覆冰、风激励和线路的结构与参数。因此，治理措施应主要针对线路的“易覆冰舞动区段”。易覆冰舞动区段的确定，主要根据运行经验、气象部门的历史观测资料、对沿线现有输电线路及通信线路的覆冰及运行情况进行调查等。

以下地段宜定性为易覆冰舞动区：曾经发生过输电线路覆冰舞动或附近线路发生过舞动；处于重冰区或中重冰区，且覆冰季主导风向与线路走向夹角大于45°；冬季与早春气温可达到零下，有雨雪、风力在4 m/s以上的区域；输电线路的大跨越区段；符合以下典型特征的微地形、微气象区：高山分水岭型、水气增大型、地形抬升型。

4.2 2010年500 kV输电线路防舞治理开展情况

截至2010年12月10日，山东电力集团公司超高压公司已完成2010年16条500 kV输电线路治理工作，治理线路1 206档499.11 km，安装防舞相间间隔棒3 261套、线夹回转式间隔棒3 186套、双摆防舞器2 280套；超高压公司防舞治理工作历时81个工作日，参与2 954人次，共计人工17 282工日。具体防舞治理内容见表2。

表2 2010年山东500 kV输电线路防舞治理区段及措施统计表

序号 电压等级 线路名称 区段 档数 长度/km防舞治理措施相间间隔棒 回转式间隔棒 双摆防舞器 铁塔紧固11 500 黄滨Ⅰ线12 500 黄滨Ⅱ线105号～111号112号～116号117号～122号123号～128号156号～178号105号～111号112号～116号117号～122号123号～128号156号～178号42 29.059 125 21 42 29.059 125 21 13 500 寿油Ⅰ线 1号～159号 158 66.757 508 18 14 500 寿油Ⅱ线 17号～50号 33 13.091 111 18 15 500 辛聊Ⅰ线16 500 辛聊Ⅱ线140号～146号154号～199号203号～242号140号～146号154号～199号203号～242号90 34.887 546 22 90 34.887 273 11合计 1 206 458.11 3 261 3 186 2 280 429

图10 淄潍线回转式间隔棒及双摆防舞器

图11 益川Ⅰ、Ⅱ线相间间隔棒

4.3 气象及舞动监测系统

为及时掌握气象信息和线路舞动的相关数据，对调度应急处理、事故抢修、防舞动综合治理都是非常有利的，同时也是智能电网实施的一项重要内容。2010年，山东电力集团公司在500 kV电网建立了山东电网的气象及线路舞动实时监测系统。

（1）气象实时监测系统。在全省27个500 kV变电站建立小型气象监测站，实时监测风速、风向、温度、湿度、气压、雨雪等气象指标，气象数据具备统计、分析和历史存储功能。主站设在超高压，信号送至省调、应急中心、运行单位及相关管理部门。

（2）线路舞动在线监测系统。在500 kV滨油Ⅱ线、寿油Ⅰ、Ⅱ线、辛聊Ⅰ线加装线路舞动在线监测系统。该系统是今年全国电网遭受大范围舞动后的一个新研究课题，基本原理是采用附着在导线上的加速度传感器实时监测线路的舞动情况，一个档距内安装7个传感器便可描绘出导线的完整的舞动轨迹（波幅、波长、频率），并在杆塔上安装小型气象监测站，数据通过安装在铁塔的点对点微波装置传送至附近变电站，然后通过变电站的光纤通道传送至省调、应急中心和运行单位。该系统实现导线舞动的定量监测，对电网的应急处理和防舞动治理改造提供数据支持。

5 输电线路舞动事件的启示

加强输电线路舞动及防治工作研究。舞动发生具有一定的偶然性，而且概率较低，往往会被人们忽视。但偶然之中存在必然性，只要具备了起舞的三个条件，舞动的发生就是必然的。2010年前山东电网鲜有输电线路舞动记录，但2010年年初两次大范围舞动为输电防舞治理工作敲响了警钟；说明在相当大的区域范围内存在导线舞动的可能性，由于舞动的巨大破坏性，因此应对舞动研究与防治给予足够的重视。

防治工作方式转变。山东500 kV输电线路舞动问题的研究与防治必须与设计、生产、运行部门相结合，对新建、在运行、已舞动线路分别进行防治，将灾害减少到最低。同时积累舞动防治的经验，在实践中不断完善舞动防治方法。同时，必须转变观念，将单纯被动的“治理”改为“预防为主，防、治结合”的主动工作方法。

加强输电线路舞动观测和实时监测。应关注山东500 kV输电线路舞动发生的新特点，对各地区发生的舞动及时跟踪，加强对舞动观测的影像记录和舞动实时在线监测数据收集，了解舞动发生的情况和新特点，为舞动的研究和防治积累资料。

6 结束语

2011年2月27日0时30分起至15时30分，因大风雨雪覆冰天气造成山东电网潍坊、烟台地区部分线路发生舞动现象，导致500 kV东崂I线、霞昆Ⅰ线相继跳闸，其中霞昆Ⅰ线跳闸3次，强送3次。此次发生舞动线路（档段）均未安装防舞装置，安装防舞装置的线路 （档段）均未发生线路舞动故障。山东电力集团公司超高压公司2010年防舞治理中使用的线夹回转式双摆防舞器和相间间隔棒及其布置方案，在此次舞动中均起到了良好的防舞效果，虽然安装了相间间隔棒的部分档段仍有小幅整体舞动，但并未造成闪络等事故。上述情况充分说明，2010年山东电力集团公司超高压公司完成防舞一期治理工作，在本次舞动灾害中发挥了重要的防舞作用。

2011年，山东电力集团公司超高压公司将按照《输电线路舞动治理工作指导意见》和《国家电网公司输电线路防舞差异化改造技术要求》，根据舞动区域分布图和2010～2011年冬季舞动情况，制定公司2011年输电线路防舞治理计划，对2010、2011年均发生舞动 （跳闸故障或观测到舞动的线路）的线路，进行全线治理。