输电线路舞动的研究现状和防治方法

2014-05-11叶雨田周家戌孙伟君肖亚平

通信电源技术 2014年2期

叶雨田，周家戌，2，孙伟君，肖亚平

（1.三峡大学电气与新能源学院，湖北，宜昌443002；2.甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州730030；3.国网孝感供电公司，湖北，孝感432000）

0 引言

我国幅员辽阔，地理及气象条件复杂多变，很多地区电网在冬季易遭受线路覆冰和大风影响，导致舞动灾害。面对日益恶劣的气象环境因素，架空输电线路导线遭受覆冰舞动的概率、程度等都大为增加，舞动故障的频发已严重威胁到电网的安全稳定运行［1］。为确保大电网的长期安全稳定运行，需要安全、先进、经济、可靠的防舞动理论和方案措施作为保证。

输电线路覆冰舞动具有发生机理复杂、防治难度大和破坏力强的特点，是架空输电线路领域国际公认的难题［2］。为此，本文分析总结了导线舞动的形成因素、特点及其危害；回顾了线路舞动的研究理论，包括Den Hartog垂直舞动理论，O.Nigol扭转舞动理论，低阻尼系统共振低阻尼系统共振舞动机理，动力稳定性理论。根据线路舞动防治方法的特点，总结并归纳了“避，抗，抑”三类防治方法，并分别做出了说明，最后分析了关于线路舞动现有研究的不足，并且指出了今后的研究方向和重点。

1 线路舞动的发生条件和特点

1.1 舞动的定义及其发生条件

研究结果表明，线路舞动是由于导线发生偏心覆冰后，在风的激励作用下产生的一种低频（约0.1～3 Hz）、大振幅（大于10 m）的自激振动现象。线路舞动的形成取决于3个方面的因素，即覆冰、风的激励和线路结构参数。

1.1.1 线路覆冰的要求

线路舞动一般发生在覆冰导线上，覆冰厚度一般为2.5～48 mm［3］。导线上形成覆冰应该具有3个条件：①空气湿度较大，一般为90%～95%，此时雪不易凝结在导线上，线路覆冰的常见气候一般为冻雨或雨夹雪。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合适的风速，风速一般大于1 m／s，可使空气中水滴运动。

1.1.2 风激励的要求

稳定的风速激励是线路舞动的必要条件。风速一般为4～20 m／s，风向与线路走向夹角越接近90°，线路舞动发生的可能性就越大［4］。因此，容易形成较持久风速的开阔平原或者山谷，最易发生线路舞动灾害。

1.1.3 线路结构参数的要求

线路结构参数对线路舞动有较大影响。统计资料表明，分裂导线比单导线容易舞动［5－8］。相比单导线，分裂导线由于间隔棒的作用，导线的扭转较小，导线覆冰易形成断面。因此，多采用四分裂导线甚至多分裂导线的500 kV超高压输电线路更易发生线路舞动［9］。

根据统计资料，大截面导线比小截面更容易舞动［10］。这是由于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，在风激励作用下更易发生舞动。

1.2 复杂结构输电线路更易舞动

目前投运及建设中的输电线路，大多采用6分裂、8分裂等多分裂导线结构，网架结构复杂，杆塔平均高度较高，并大量采用同塔双回杆塔。我国能源分布特点又决定了主要输电线路网架结构都是东西走向，线路距离较长，线路走廊气候和地理条件复杂，并且线路主体部分与冬季主导风向夹角较大，这些是引起舞动的主要因素。

复杂结构输电线路由于与普通导线在结构上的差异更易发生舞动损坏，究其原因主要有：

（1）相对于常规线路，复杂结构架空线路多为分裂导线，导线截面也较大，因此更容易引起线路舞动。

（2）相比单回路杆塔，双回路杆塔外型普遍采用横担较长的鼓型和伞型。因此，双回路杆塔承受的载荷和弯矩相对较大，更易发生舞动灾害。

（3）相比单回路杆塔，由于双回路耐张塔横担螺栓较多，松脱破坏的可能性较高。因此，双回路导线更易被舞动载荷作用破坏。

1.3 输电线路舞动对电网安全的影响和危害

1.3.1 易导致电网大面积停运

线路舞动影响范围大，持续时间长，相间故障多发，容易导致电网大面积停电事故。2010年1月20日山东电网遭受线路舞动灾害，造成13条500 kV线路跳闸36条次，41条220 kV线路跳闸86条次。

1.3.2 易造成线路的机械故障

舞动不仅引起短路跳闸，长时间舞动还会导致金具、绝缘子和跳线损坏，杆塔螺栓松动、强度降低，导线断股、断线等机械损坏，抢修难度大。除此之外，线路舞动造成的元器件磨损等隐性破坏，往往难以发现，这都将成为线路安全稳定运行的潜在威胁。

2 导线舞动理论研究

自20世纪30年代起，国外学者开始对导线舞动进行了大量的试验和理论研究，提出了Den Hartog垂直舞动理论、O.Nigol扭转舞动理论等。

2.1 Den Hartog垂直舞动理论

Den Hartog垂直舞动理论［10］认为，当风吹向覆冰所致非圆截面时会产生升力和阻力，只有当升力曲线斜率的负值大于阻力时，导线截面动力不稳定，舞动才能发展。Den Hartog理论的数学表达式为：

式中，α为偏心覆冰导线迎风攻角；CD为阻力系数；CL为导线气动升力。Den Hartog所提理论忽略了导线扭转的影响，只考虑了在风的激励下偏心覆冰导线的空气动力特性。实验显示，导线舞动也会发生在升力曲线正、负斜率区域［10］，该理论不能解释此现象。

2.2 O.Nigol扭转舞动理论

O.Nigol所提出的理论［11］认为，导线自激扭转是引起舞动的主要原因。当覆冰导线的空气动力扭转阻尼为负且大于导线的固有扭转阻尼时，扭转运动成为自激振动。导线的等效扭转刚度和极惯性质量矩将决定自激振动的频率。当扭转振动频率接近垂直或水平振动频率时，横向运动受耦合力的激励产生一交变力F，在此力作用下导线发生大幅度的舞动。其数学表达式为：

式中，α0为偏心覆冰导线初始迎风攻角；θk为导线第k阶扭转振动的振幅；ωk为此阶段的角频率；U为与线路走向垂直的水平风速。该理论考虑了在风激励下偏心覆冰导线的导线扭转影响和空气动力特性，但无覆冰舞动不能用该理论解释［11］。

2.3 共振舞动机理

该机理［11］认为整个架空输电线路在风的作用下组成原件都会产生不同程度的振动。环境条件合适时导线气动及结构阻尼降低，线路会发生系统共振形成线路舞动。共振理论只能解释传统舞动原理，但对许多舞动现象，如薄、无覆冰舞动等却不能解释。

2.4 动力稳定性理论

此理论［1］认为线路舞动是由不稳定振动产生的，舞动可以被看作是一种动力不稳定现象。因此，舞动现象可以用动力稳定性理论分析。根据动力稳定性理论，能够建立垂直、扭转、水平3个方向的模型，然后根据稳定性判断方法，确定系统是否会发生舞动。

3 舞动的防治方法

为提高电网抵御自然灾害的能力，科学合理地选择防舞技术和措施，保证严重自然灾害条件下主网安全稳定运行和安全可靠供电，本文根据不同的线路防舞途径，将线路防舞措施归纳为“避、抗、抑”3种。一般应优先采用避舞、抗舞措施，无法实施或效果不佳时可采用抑舞措施。

3.1 避舞措施

避舞措施通过调研地貌、地形以及气候条件，可以实现选择合适的线路路径和走向来避舞。在覆冰频发、风大且平稳的气象区域由于易发生线路舞动，所以在选择线路路径时，应考虑尽可能避开这些舞动高发地区，主要包括冬季多风的宽阔江河、峡谷、迎风山坡以及山脊等。除了回避舞动高发地区，还要尽量使线路走向与冬季主导风向平行。同时，也应做好舞动的预防措施，主要包含三方面内容：

（1）已发生舞动的输电线路相应舞动区段应开展防舞治理；其它未舞动区段应开展舞动可能性分析，结合地形、地貌、线路走向、杆塔结构等因素，必要时开展防舞治理。

（2）与舞动线路处于同一区域的未舞动线路应开展舞动可能性分析，必要时开展防舞治理。同塔双回线路应对其中一条线路采取防舞措施。

（3）500 kV及以上电压等级和220 kV重要输电线路应结合气象条件、地形、地貌、线路走向、线路参数、杆塔结构等因素开展舞动可能性分析，必要时开展防舞治理。

3.2 抗舞措施

抗舞措施是在不破坏舞动条件前提下，通过提高线路的电气和机械强度来抵抗导线舞动，使线路设备能在导线舞动时不被破坏并保持安全运行。

3.3 抑舞措施

3.3.1 抑舞措施的分类

抑舞措施是在舞动频繁的线路上，通过加装防舞装置，达到破坏舞动形成条件的目的，由此实现抑制线路舞动的幅度，从而保证线路安全运行。从原理上包含下面几个内容：

（1）基于线路系统的空气动力特点。根据流体力学原理，线路舞动的形成条件可以通过改变导线的外形和空气动力特性而破坏。基于此原理的防护方法主要有：①绕流线缠绕导线。通过特制的绕流线缠绕导线，可以破坏导线覆冰形成断面，由此破坏舞动的形成条件。②安装空气动力阻尼器。当导线受到风的激励时，由于安装了空气动力阻尼器，导线阻力的垂直分量将大于升力的垂直分量，线路舞动因此被抑制。

（2）基于线路系统的结构特点。根据结构力学原理，线路舞动的防治工作，可以通过改变线路的固有扭转振动，质量分布和元件连接方式等动力学特性来实现。其主要方法包括：①安装扭转阻尼器、失谐摆、抑扭环等。这是基于O.Nigol扭转舞动原理，抑制舞动时的扭转运动或提高导线的扭振固有频率，使之不与横向振动频率产生谐振，抑制横向舞动；②安装压重防舞装置。此类方法是基于Den Hartog垂直舞动原理，在导线上配置一定压重以增加导线质量，使压重部位产生局部稳定成为舞动节点，以降低舞动幅值；③安装线间间隔棒。间隔棒改变了系统的结构方式能抑制舞动，可防止脱冰跳跃引起的混线事故。

（3）基于其它机理的防舞方法。①在档距两端安装吸收和消耗舞动能量的阻尼器，以提高导线舞动系统的自阻尼作用，抑制舞动；②文献［12］介绍了一种用于分裂导线的新型防舞装置TDD。其机理是将分裂导线舞动系统失谐与增加系统的扭转阻尼措施结合，在失谐摆转同时产生弹性扭力矩，增加系统的扭转阻尼，限制风能转变为系统动能。

3.3.2 防舞装置选择原则

（1）330 kV及以上电压等级输电线路［13］：① 同塔双（多）回输电线路：优先采用线夹回转式间隔棒、相间间隔棒，其次是双摆防舞器、失谐摆及偏心重锤等；②不同回路可采用不同的防舞装置；单回输电线路可采用线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、失谐摆等；③紧凑型输电线路，优先采用相间间隔棒，其次是线夹回转式间隔棒；④特高压输电线路，优先采用线夹回转式间隔棒或线夹回转式间隔棒双摆防舞器，其次是双摆防舞器等。

（2）220 kV及以下电压等级输电线路：①相导线垂直或三角排列时优先采用相间间隔棒，其次是线夹回转式间隔棒、双摆防舞器等；②相导线水平排列时优先采用线夹回转式间隔棒，其次是双摆防舞器、相间间隔棒、防舞鞭等。

在运输电线路舞动治理的主要措施是加装防舞装置或进行防舞技术改造，其中防舞装置主要包括：线夹回转式间隔棒、相间间隔棒、双摆防舞器等，上述防舞装置可组合应用。防舞技术改造包括：改善铁塔螺栓的防松性能；适当提高杆塔关键部位和相关金具的强度；适当缩小档距和耐张段长度；改变局部地区的线路走向，避开舞动地带等。

3.3.3 防舞装置的效果

通过抑舞措施能够在一定程度上提高舞动的防治效果，以舞动易发省区河南为例，对于2009～2010年冬季舞动故障，开展了防舞效果评估工作。从防舞效果分析结果来看，河南3次舞动过程共有59条500 kV线路和119条220 kV线路发生舞动，其中33条500 kV线路和40条220 kV线路跳闸，跳闸率分别为56%和34%；500 kV舞动线路中有15条安装了双摆防舞器或线夹回转式间隔棒，其中3条跳闸，跳闸率为20%；220 kV舞动线路中有17条安装了相间间隔棒，其中5条跳闸，跳闸率为29%，但跳闸的主要原因是与其交叉跨越的35 kV或10 kV线路舞动跳闸所致，而不是该线路发生舞动而导致的线路跳闸。通过对各网省公司防舞装置的防舞效果评估分析结果可知，总体来看，不同防舞装置对舞动都有作用，但是也有各自的局限性。到现在为止，还没有任何一种防舞装置可以适用于所有的线路舞动。因此，应该深入开展线路舞动的理论研究，结合试验数据，研究出可靠的防舞装置，由此增强线路抵抗舞动的能力。

4 舞动研究存在的问题及研究方向

输电线路导线舞动是一个包含随机因素与非线性特性，并涉及空气动力、悬索振动、气固耦合、气象研究等学科的复杂现象。为了有效防治舞动危害，需要系统、全面、深入地开展输电线路舞动机理、舞动数值模拟以及舞动的防治研究工作，完善现有的舞动基本理论，研究有效的防治措施和应对方案，提出合理的设计规范和标准，以切实提高输电线路抵御导线舞动的能力。线路舞动研究存在的主要问题包括以下几点：

（1）实际上，由于地形、地貌、地面植被、建筑物的摩擦作用，近地面的空气流动不均匀。现有的理论研究中，常将其看作均匀风。由此可能会导致研究失真。

（2）档距与导线舞动的关系尚不明确。伸长档距和缩短档距哪方面有利于防止舞动还无定论。因此，加大此方面的研究，有助于提高线路的防舞能力。

（3）线路舞动的理论还有待完善。当主导风向与线路夹角较小时，也曾发生过线路舞动，此类舞动现象的发生，尚无理论可以解释。同时，线路覆薄冰和不覆冰时发生的线路舞动，也没有相关理论可以解释。

（4）许多防舞装置的设计尚不完善，防舞效果不理想。在防舞装置的结构设计、参数选择以及沿线布置方面有待研究。防舞技术系统性研究和新型防舞器研制，实现线路防舞治理是舞动相关研究分析的最终目的。目前根据不同防舞机理开发的防舞装置有很多种，但现有的防舞装置特点各异，缺少系统性和通用性。在我国应用较广的双摆防舞器、线夹回转式间隔棒和相间间隔棒都有特定的适用范围，不能从根本上达到抑制舞动的功能［14］。因此，十分有必要增加防舞装置的系统研究。

（5）舞动试验研究基础薄弱。导线舞动是一种低频大振幅振动，具有很强的非线性，理论研究难度较大。冰冻雨雪天气具有随机性，使得各类模型无法全面模拟舞动的真实过程。舞动现场条件千变万化，某些局部防舞治理经验难以全面推广。目前通过理论分析完全解决其机理是不现实的，只有结合试验分析才能较全面的理解舞动机理。现在主要有真型和风洞两种试验方法。目前，我国风洞试验分析大多基于准稳态假设，同实际情况存在较大差异。而真型试验往往集中在国外的试验线路上，国内至今还没有建成一条试验线路。所以，应不断加强舞动试验的研究基础。