浅析架空输电线路微风振动与防振

2014-05-09郑文鹏

大陆桥视野·下 2014年3期

郑文鹏

摘要自20世纪初开始大规模建设架空输电线路以来，人们发现架空线在风、冰等因素作用下具有不同特征的运动现象——各种类型的振动。本文使得我们对架空输电线路微风振动的发生机理，微风振动情况下的工况，微气象条件下风速、风向、环境温度等因素与微风振动的因果关系等问题进行科学研究，进一步提高对微风振动的认识高度。在经过充分的数据采集基础之上判定所发生的输电线路振动、疲劳、损伤、断股、断线等现象的深层原因，并且提出具有针对性地防振措施和综合解决方案，从而更好地为电网安全运行服务。

关键词输电线路微风振动防振设计电网安全

一、微风振动形成机理

微风振动是一种发生在架空导线、地线及光缆（OPGW或ADSS等）的涡流回流现象。微风振动的基本原理是稳定的层流风垂直（或可分解的垂直分量）吹过圆柱形物体（如缆线）时，在圆柱体的背风侧会产生气流漩涡，它上下交替且旋向相反，在上下交替的冲击力作用下，圆柱体会产生上下垂直于风向的正谐周期性运动。当风吹向圆柱形物体时，在它的后面分层交错的涡流形成一定的压力差，这样就使圆柱形物体在与风吹动方向相垂直的方向产生移动（称之为“卡门漩涡”）。如果涡流的频率与电线的自然频率相接近时，缆线将发生微风振动。

二、影响微风振动的主要因素

影响微风振动的因素有很多，主要有风速和风向、地形地物、架空线结构和材料、挡距大小和悬挂高度及电线使用张力等。

1.风速和风向的影响。风作用于电线上，输入一定的风能，使其发生振动。风速较小时，输入的能量不足以克服架空线系统的阻力，因此引起架空线振动的风速有一下限值，一般取0.5 m/s。当风速较大时，其不均匀性增加到一定程度时，由于卡门漩涡的稳定性受到破坏，致使架空线的振动减弱甚至停止，因此架空线振动风速有一上限值，一般取4 m/s ～6 m/s，大跨越和高塔可适当提高。如220 kV楼哈线中在“百里风区”的 300基杆塔发生断股40余处，而两侧的 500基杆塔发生了 260余处，发生几率在6倍左右。

风能否振动还与风向有关，观察到风向与电线的轴线夹角在45°～90°时容易发生振动；当在30°～45°时，振动的稳定性很小，在30°以下时，一般不发生振动。

2.地形地物的影响。风速的均匀性与方向的恒定性，是保持架空线持续振动的必要条件。当线路通过开阔的平原地区时，其地面的粗糙度较小，对空气的扰乱作用小，气流的均匀性和方向性不容易受到破坏，所以容易使架空线持续稳定的振动。若地形起伏错综崎岖，或有高低建筑，树林等，地面粗糙度加大，破坏了气流的均匀性和方向的稳定性，因而架空线不易振动，而且振动强度降低。

3.架空线结构和材料的影响。（1）架空线截面形状和表面状况的影响。当架空线是一个圆形截面的柱体时，气流在其背面形成上下交替的卡门漩涡，引起振动。若架空线的表面采用三股线制成的绞线，因这种结构破坏了卡门漩涡的稳定频率，其振动频率较为轻微，但此种绞线不适用于实际工程。而光滑型的导线，其直径与截面的比值较小，虽能减少风荷载和减少覆冰及舞动，但微风振动的幅值及延续时间则变得严重。

（2）架空线股丝、股数和直径的影响。架空线的股数多和层数多的，有较高的自阻尼作用，能消耗更多的能量，使之不易振动或降低振动强度，因此选用多股多层的架空线有利于防振。另一方面，在同样截面下，股数越多，股线直径必然越小，对于同一容许振动应力值，小股线直径可以容许较大的弯曲幅值。一般认为，在相同振幅下，直径小的，风能输入的相对功率要大些。统计资料也表明，架空线的直径越小，疲劳断股的比例越高。因此，架空线的直径越小，越需要防振。

（3）架空线材料的影响。通常，架空线材料的疲劳极限并不按其破坏强度的增大成比例的增大，二者的比例反而随破坏强度的提高而下降，如高强度钢丝，其疲劳极限约为其破坏强度的28%，而特高强度的钢丝，这个比例降到24%。因而在工程中用相同的平均运行应力安全系数，从振动看并不具有同等的安全性。

另外，架空线所用材料的重量较小，其振动越严重。这是由于风速相同，输入的两个相同直径的圆柱体的能量相同，或者说两圆柱体产生相同的上扬力，质量小的获得的加速度大，振幅必然大。

4.挡距长度和悬挂高度的影响。风输给架空线的能量与挡距成正比，即挡距越大，风能输入能量越大。同时挡距增大，半波数凑成整数的几率也增加。此外，挡距长度增大，架空线悬挂高度也随之增高，振动风速范围上限也相应提高。由于这些原因，架空线振动几率、频率及持续时间都因挡距增大而增大。

5.悬挂体系的影响。在挡距端部，架空线通过绝缘子串与杆塔横担相连，这些部件的阻尼对架空线振动的强度有很大影响。架空线振动时，绝缘子各个元件间产生相对位移和摩擦，横担产生变形，消耗掉了一部分能量，减轻了振动的危害。运行实践表明，酒杯塔的边横担和中横担相比，前者的架空线振动强度小，断股数少。美国对某一条345 kV线路实测表明，边相导线的振动强度要比中相的低10%以上；另一条水平排列的针式绝缘子线路，横担边相导线的断股为0.6%，而杆顶中相导线的断股数竟高达30%。

6.架空线张力的影响。张力越大，频率也就越高，单位时间振动次数增多了，如果以耐振次数衡量架空线疲劳极限，则其疲劳寿命短了，这是对线路长期运行是不利的。

三、防振技术方案

（1）选择路径方案时应注意避免线路方向与风向夹角较大。观察发现风向与电线的轴线夹角在45°～90°时容易发生振动；当在30°～45°时，振动的稳定性很小，在30°以下时，一般不发生振动。

（2）平坦开阔地区，气流均匀，方向稳定，微风振动较严重，应加强相应的防振措施。

（3）相同截面应采用较多股数的地线，或采用分裂数较多的导线；相同股数或分裂数时，应采用较大截面的导地线。

（4）在微风振动较严重的地区应缩小挡距、避免使用高塔。挡距越大，风能也越大，相同截面的导地线振动频率越大；同时凑成整数个半波长的几率也增加，微风振动加强。在使用高塔时，呼称高增加时，微风振动风速范围也提高，微风振动几率、频率和持续时间都增加。

（5）避免运行时张力过大。张力越大，频率也就越高，单位时间振动次数增多了，如果以耐振次数衡量架空线疲劳极限，则其疲劳寿命短了，这是对线路长期运行是不利的。

四、防振措施

在整个挡距中，不管架空线以何种波长和频率振动，都以两端固定点即线夹出口处的架空线受损最为严重，主要原因如下：

（1）线夹出口处始终是一个节点，角度位移大。

（2）线夹本身转动不灵活，在悬挂点容易形成死点，振动波不容易通过线夹传向相邻档，振动的绝大部分能量消耗在线夹出口处的架空线上。

（3）线夹出口处有较大的静态应力，使线夹出口处的导线容易疲劳破坏。因此，常用的防振措施是在线夹出口处进行防振。目前常用的防振措施是防振锤和阻尼线。