真型试验线路次档距振荡的观测与分析

卢明，葛亚峰，魏建林，胡文，李黎，马宁

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州市450052；2.国网合肥供电公司，合肥市230022；3.电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉市430074)

真型试验线路次档距振荡的观测与分析

卢明1，葛亚峰2，魏建林1，胡文3，李黎3，马宁3

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州市450052；2.国网合肥供电公司，合肥市230022；3.电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉市430074)

本文首先阐述了多分裂导线次档距振荡的机理，分析了影响次档距振荡发生的几个主要因素，并以河南郑州尖山的国网公司舞动防治技术重点实验室的真型试验线路为依托，开展了真型试验线路自然次档距振荡的观测与分析。试验使用拥有多种功能的线路振动监测系统，定性和定量分析分裂导线次档距振荡的规律。研究结果表明，三相导线中，迎风侧边相导线容易形成稳定的次档距振荡，由于迎风侧边相导线对气流的干扰，中相导线几乎不发生次档距振荡。另外，各相子导线以及不同档距处的振荡状态皆有所不同，振荡的幅值和频率受到风速的影响也有所变化。

分裂导线；次档距振荡；间隔棒；真型试验线路；气流

0 引 言

随着我国电力输送容量的增加，输电线路朝着多分裂、大容量、远距离方向发展成为了必然趋势。近年来，交直流特高压输电线路工程投运数量激增，超特高压输电线路一般采用六分裂和八分裂导线[1-2]。特高压输电线路容量大，在电力传送网络中具有重要作用。次档距振荡是分裂导线的特有振动现象，它属于气动不稳定引起的振动。次档距振荡的振动轨迹呈水平扁长椭圆，会造成子导线间的相互碰撞和鞭击，导线磨损，而且较大的振幅会使间隔棒线夹处导线的动弯应变增大，导致导线疲劳断股[3-6]。次档距振荡可能造成的电力系统事故将引发严重的后果，造成巨大的经济损失。因此，加强输电线路分裂导线次档距振荡的研究，不仅具有重要的理论价值，更具有显著的经济效应。

由于受次档距产生条件的限制和重现的实验成本问题，导致分裂导线次档距振荡的实验研究进展相对缓慢。对于次档距振荡的研究多集中在理论计算和数值分析方面，少见次档距振荡的实测研究[7-12]。河南尖山的舞动防治技术重点实验室是我国第一个真型输电线路综合试验基地，主要用于研究线路覆冰舞动。试验基地建有真型试验线路、在线监测系统及监测站。真型试验线路走径与地形如图1所示。该基地所处的尖山地区风速条件优越，线路极容易发生舞动。尖山真型输电线路综合试验基地的试验线路全长3 715 m，10基杆塔，分为综合试验研究段、紧凑型线路研究段和覆冰研究段，其中包括多条分裂导线线路，现场监测站设有监控中心及相关实验室。在线监测系统包括舞动、微气象、覆冰、视频、风偏及微风振动等监测设备。利用河南省尖山真型输电线路综合试验基地，开展了对真型试验线路的次档距振荡特性的观测与分析研究。

图1 真型试验线路走径与地形图Fig.1 Walking trails and topographic maps of true type test lines

1 次档距振荡的影响因素

1.1 次档距振荡的产生

次档距振荡是分裂导线特有的一种振动形式，又称为尾流驰振。超高压线路中，每相导线由2根或2根以上子导线构成1组或1束导线，并使用间隔棒将分裂导线固定成束状结构，相邻2个间隔棒之间的跨度称为次档距。当分裂导线束中的背风侧子导线落到迎风侧子导线周围所形成的旋涡气动尾流中时，分裂导线就会产生尾流驰振[13-15]，架空线背风面涡流示意图如图2所示。

图2 架空线背风面涡流示意图Fig.2 Leeward vortex of overhead lines

图3所示为尾流中导线受力示意图，将Z轴定义为垂直方向，Y轴定义为水平方向。子导线上下方气流速度不一样，会产生升力和阻力，阻力使子导线做近似垂直方向的摆动，升力使子导线做水平方向的摆动，在2个力共同作用下形成了椭圆形的振荡。一般而言，阻力比升力大1个数量级，因此，垂直方向上的振幅要比水平方向上的振幅大很多。

图3尾流中导线受力示意图Fig.3 Force diagram of conductor in wake flow

1.2 影响因素

影响分裂导线次档距振荡的因素有多个，包括气象条件、地形地貌、风与导线的夹角、子导线的数量和布置、分裂导线间距和导线的直径、导线质量、间隔棒装置的类型和位置等。

1.2.1 气象条件与地形地貌

均匀稳定的风是引起分裂导线次档距振荡的基本因素。一方面风诱发了分裂导线的振荡，另一方面，维持次档距振荡需要保持频率相对稳定。当风速不规则大幅度变化时，风速将失去均匀性，那么分裂导线将不会形成持续的振荡，甚至不发生振荡。影响风速均匀性的因素包括:风速、导线悬挂高度、档距、风向、地貌等。当导线离开地面的距离越大，风速受到地貌的影响越小，风速的均匀性越好，次档距振荡越容易发生。

1.2.2 分裂导线的间距与导线直径

运行经验表明，分裂导线的次档距振荡与分裂导线的分裂间距有关，当子导线的直径一定时，分裂间距越大，次档距振荡越弱。由次档距振荡的机理可知，分裂导线的次档距振荡主要是由于背风侧导线处于迎风侧导线的尾流之中，进而产生了次档距振荡。增加分裂导线的分裂间距，可以减少处于迎风侧子导线尾流中的子导线数目，从而可以减弱次档距振荡的发生。次档距与子导线的振幅的近似计算公式[16]如式(1)所示:

式中:X0为子导线振幅，m；l为次档距，m；v为风速，m/s；a为分裂半径，m；D为导线外径，m；T为导线张力，kN；W为导线单位质量，kg/m；E为系统对数衰减率。

通常用分裂间距对直径之比(a/D)表示分裂导线的迎风面导线至背风面导线的距离。常规设计中，a/D值在10～20之间。根据CIGRE对各会员国的咨询发现，当a/D值在15～18之间时，没有发生过严重的次档距振荡；如果a/D值小于10，则可能产生严重的振荡[17]。一般而言，增大a/D值往往会降低次档距振荡发生的可能性，但若该比值过大，从技术和经济的角度而言是不合理的。

1.2.3 次档距长度

分裂导线在1个档距中装有若干个保持子导线间距的间隔棒，进而把1个档距分成若干个次档距，安装间隔棒的位置就形成了震波传播的节点，间隔棒的安装位置对于次档距振荡的影响非常大[13]。在导线和分裂间距相同的情况下，振荡幅值与次档距长度成正比。减少次档距长度后，间隔棒可以更好地吸收能量，从而减小分裂导线的振荡能量，把次档距振荡抑制在安全限度内。但是，过度缩小次档距长度会造成经济浪费。早期工程采用的是将1个档距平均分为若干等分的方法，这种间隔棒安装方式使得相邻次档距的振荡周期一致，因此，线路有1处振荡就会导致全部次档距振荡。为了防止这种情况的发生，间隔棒应该采用不等距安装的方式。由于间隔棒的布置问题比较复杂，需要考虑的因素较多，通常没有完美的方法来设计间隔棒在档距内的安装位置，目前尚凭借运行经验或试验来确定。

2 实验线路与监测系统

2.1 六分裂试验线路的基本参数

本文的观测对象为尖山真型输电线路综合试验基地的试验3～4号段六分裂紧凑型试验线路，其为500 kV紧凑型线路的一段，档距为284 m。其中:3号塔为耐张杆塔，三相呈水平布置，4号塔为紧凑型塔，三相呈三角形布置，试验线路的现场照片如图4所示。试验线路上配置有测量微气象、视频等相关测量装置，用于对监控信号的实时采集。

3～4号段六分裂试验线路的导线型号为LGJ.300/40导线，子导线间距375 mm。3～4号段六分裂试验线路上安装11个间隔棒，间隔棒与模拟冰的现场安装如图5所示，该图为A相导线，其余两相导线类似。间隔棒采用非等间距布置，非等间距布置方案按现行输电线路设计规程确定[18]，间隔棒的具体布置位置如图6所示。

图4 3～4号段六分裂试验线路现场照片Fig.4 Field photo of 3～4 six split test lines

图5 六分裂间隔棒和模拟冰的现场安装图Fig.5 Field installation diagram of six split spacers and ice models

图6 六分裂导线子间隔棒安装位置Fig.6 Field installation diagram of six split conductor sub-spacers and ice models

2.2 输电线路舞动监测系统

本次观测实验综合了多种线路观测方式，建立了可用于观测多种导线振动形式的输电线路振动监测系统，从而为输电线路防振、次档距振荡机理分析及分裂导线的次档距振荡特征和规律等提供支撑。线路舞动监测系统的安装示意图如图7所示，微气象、高速风、视频、静张力、动张力、基于加速度传感器的舞动轨迹等的相关测量装置都安装在试验基地的杆塔上，对所监控信号进行实时采集。夜视和单目测量所采用的摄像机则安装在塔下，便于以合适的角度拍摄舞动过程的导线姿态，其中夜视装置安装在水泥杆上，可对舞动过程实时监控，而单目测量装置所需的高精度摄像机需要手动操作，因此是一种离线的测量手段。

图7 输电线路振动监测系统安装示意图Fig.7 Installation diagram of transmission line vibration monitoring system

同时，该输电线路舞动监测系统配备有光纤通信系统，以保证测试数据的可靠传输，防止由于数据大量积累所造成的装置瘫痪和数据丢失。输电线路振动监测系统的通信拓扑如图8所示，杆塔上监测装置的测试数据可以通过塔上的检测基站进行汇总，并通过光纤传送给监控中心的服务器，数据经过处理后，用户可以通过互联网对数据处理结果进行访问。

图8 输电线路振动监测系统的通信拓扑Fig.8 Communication topology of transmission line vibration monitoring system

2.3 观测方案

通过分析试验线路六分裂导线自然发生次档距振荡后，分裂导线的振幅、频率的变化，统计风速与分裂导线次档距振荡之间的关系，研究分裂导线次档距振荡的特征和规律。为了深入研究分裂导线的次档距振荡特性，试验分为定性分析和定量分析2个部分，如表1所示。定性分析需要对次档距发生时各相(极)导线的姿态、发生振荡时的风速、气象参数等进行分析；定量分析需要对次档距发生时子导线的振幅和频率进行分析。

3 试验线路次档距振荡特性分析

3.1 与风速、风向的统计关系

本文线路舞动监测系统记录了2013年全年发生的次档距振荡发生情况。将水平方向上的振幅大于0.1 m并持续30 min以上的次档距振荡视为一次稳定的振荡。在2013年全年，共发生93次稳定的次档距振荡。监测系统记录了发生稳定振荡过程中的平均风速以及方向，统计结果如图9和10所示。

表1 真型试验线路的次档距振荡观测方案Table 1 Subspan oscillation observation program of true type test line

图9 次档距振荡与风向的统计关系Fig.9 Statistical relationship between subspan oscillations and wind direction

图1 O 次档距振荡与风速的统计关系Fig.1O Statistical relationship between subspan oscillations and wind speed

从图9可以看出，发生次档距振荡时的风向主要为西南、南西南、南方向，占全年所有发生的次档距振荡的近一半。本文的真型试验线路是东西走向的，可见发生次档距振荡时的主要风向与线路的夹角都在45°以上。风速是影响次档距振荡发生的另一个重要因素。从图10的统计结果可知，发生次档距振荡时的风速主要分布在7～15 m/s，占到了总数的76%。综合以上2点统计结果，可以得出当风速在7～15 m/s且风向与线路走向的夹角在45°以上时分裂导线易发生次档距振荡。

3.2 子导线的振荡状态分析

以A相的各子导线的中点为研究对象(子导线的编号如图5所示)，分析各子导线的振荡状态。表2给出了在风速为7 m/s、风向为南西南时A相的各子导线的中点的水平振幅、垂直振幅以及振荡方向。将顺时针振荡视为正方向，逆时针视为负方向，由表中数据可见，各子导线的振幅存在一定的差异，处于迎风侧的子导线1、5和6的垂直振动幅值明显大于处于背风侧的子导线2、3和4的垂直振动幅值，但是各子导线的水平振幅没有明显的差异。这是因为背风侧的子导线2、3和4处于迎风侧的子导线1、5和6的后面，受尾流的影响，它们所受的阻力会明显变小，所以处于迎风侧的子导线1、5和6的垂直振动幅值大于处于背风侧的子导线2、3和4。另外，各子导线的振荡方向也有所不同，子导线的反向运动是导致现场观察到的“鞭击”现象的主要原因。

表2 A相各子导线中点的振荡状态Table 2 Oscillation states of midpoints of A phase split conductor

为了分析风速对次档距振荡的影响，以A相1号子导线的中点为研究对象，记录了在不同风速的南西南风时的振荡状态，数据如表3所示。从表中可以看出，无论是振荡的垂直振幅还是水平振幅，皆随着风速的增大而增大，且垂直振幅始终要大于水平振幅。振荡频率随着风速的增大，没有明显的有规律的变化趋势。在风速为12 m/s时，振荡的频率要明显大于其他风速时的振荡频率。另外，风速的大小也会改变导线的振荡方向。

同一根子导线不同次档距处的振荡有所不同。表4给出了A相1号子导线在激励为风速10 m/s的南西南风时，各次档距中点处振荡的垂直幅值。表中的序号为图6中从左到右(3到4号段)的12个次档距的中点。从表中的数据可以看出，越靠近子导线中点处的次档距振幅越大，次档距7的中点最接近于整档线路的中点，振幅最大；而越靠近子导线两端的次档距1和12的中点的振幅最小。

表3 不同风速时1号子导线的振荡状态Table 3 Oscillation states of No.1 sub-conductor with different wind speed

表4 1号子导线各次档距中点处的垂直振幅Table 4 Vertical amplitude of midpoints at each subspans of No.1 sub-conductorm

3.3 不同相导线的振荡状态分析

2013年10月9日18:30左右，3～4号段六分裂导线发生次档距振荡，发生次档距振荡的气象信息如下:激励条件风速11 m/s，风向角53°，风向为南西南。对录像资料进行处理后，得到如图11所示的系列图片，相邻2张图片的取相时间相差2 s。

通过对记录的视频资料分析可知，三相导线中处于迎风侧的边相(A相)导线有明显的次档距振荡现象，越靠近跨中部位的导线振荡幅度越大，且子导线有相互鞭打的现象；背风侧的边相(C相)导线没有明显的次档距振荡，各子导线基本没有扭转运动；中相(B相)导线基本是垂直方向的位移，几乎没有水平方向的位移，可以判断中相导线没有发生次档距振荡。三相导线迎风侧边相导线产生稳定的次档距振荡时，背风侧边相导线和中相导线几乎不发生次档距振荡。由次档距产生的机理来分析可知，形成稳定的次档距振荡需要稳定的风速。当迎风侧导线产生次档距振荡后，导线的振动会扰动来向风的风向和风速，而使得在中相导线和背风侧边相导线前方难以形成稳定的风，所以当迎风侧边相导线发生次档距振荡时，中相导线和背风侧边相导线几乎不发生次档距振荡。

图11 3～4号段试验线路次档距振荡现场图Fig.11 Subspan oscillation field photo of 3～4 test lines

为了进一步观测迎风侧(A相)分裂导线次档距振荡的运动特性，采用单目视觉分析技术对采集的视频进行了处理。为了减少子导线之间的干扰，选择A相1号子导线中点作为研究对象，频谱如图12和13所示。由水平位移时程曲线和频谱可以看出，最大振幅约为0.21 m，A相子导线的振动频率在1.21～2.2 Hz之间。

图12 A相子导线水平位移时程曲线Fig.12 Horizontal displacement-time curve of A-phase sub-conductors

4 结 论

本文在分析分裂导线次档距振荡的发生机理和影响因素的基础上，以河南省尖山真型试验线路实验室为依托开展了真型试验线路自然次档距振荡的观测与分析，得到了以下结论:

图13 A相子导线水平位移频谱Fig.13 Horizontal displacement spectrum of A-phase sub-conductor

(1)所开发的输电线路振动监测系统可用于观测多种导线振动形式，为输电线路防振、次档距振荡机理分析等提供支撑。

(2)当风速在7～15 m/s且风向与线路走向的夹角在45°以上时分裂导线易发生稳定的次档距振荡。

(3)迎风侧的子导线的振幅要明显大于背风处的。各子导线的振荡方向有所不同，所以导致子导线相互的鞭击。无论是振荡的垂直振幅还是水平振幅，皆随着风速的增大而增大，且垂直振幅始终要大于水平振幅。振荡频率随着风速的增大，没有明显的有规律的变化趋势。另外，子导线中点处的振荡幅值是最大的。

(4)三相导线中，迎风侧边相导线容易形成稳定的次档距振荡，由于迎风侧边相导线对气流的干扰，中相导线几乎不发生次档距振荡。

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(编辑：刘文莹)

Subspan Oscillation Analysis and Observation of True Type Test Lines

LU Ming1，GE Yafeng2，WEI Jianlin1，HU Wen3，LI Li3，MA Ning3
(1.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou 450052，China；2.State Grid Hefei Power Supply Company，Hefei 230022，China；3.School of Electrical and Electronic Engineering，State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology(Huazhong University of Science＆Technology)，Wuhan 430074，China)

This paper firstly described the mechanism of bundle conductor subspan oscillation，and analyzed the main factors affecting subspan oscillation.The observation and analysis of the subspan oscillation characteristics of true-type test lines were carried out based on the true type test line in the key laboratory of galloping prevention and control technology of State Grid Corporation in Jianshan，Henan province，which used the line vibration monitoring system with a variety of functions to qualitatively and quantitatively analyze the subspan oscillation law of bundle conductor.The results show that the windward-side phase conductors of three-phase conductors are easy to form a stable subspan oscillation.Due to the interference of the windward-side phase conductors on the airflow，the intermediate phase conductors almost have no subspan oscillation.In addition，the oscillation state of each phase conductor and subspan is different，and the amplitude and frequency of oscillation change with the wind speed.

bundle conductor；subspan oscillation；spacer；true type test line；air flow

TM 75

A

1000-7229(2015)11-0123-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.11.019

2015-05-02

2015-07-10

卢明(1975)，男，高级工程师，主要从事输电线路防舞动、污闪及高电压外绝缘等方面的研究工作；

葛亚峰(1990)，男，硕士，主要研究方向为高电压与绝缘技术；

魏建林(1980)，男，博士，主要从事输电线路防舞动、高电压外绝缘等方面的研究工作；

胡文(1991)，女，硕士研究生，主要从事高电压与绝缘技术的研究；

李黎(1976)，男，博士，副教授，主要从事输电线路外绝缘、电气设备故障诊断、电介质材料和脉冲功率技术的研究；

马宁(1990)，男，硕士研究生，主要从事高电压与绝缘技术的研究。

河南省电力公司科技项目(13PHC2)。