架空输电线路防舞设计关键问题探讨

2020-12-11窦婷婷李子扬陈仁刚

山东电力技术 2020年11期

窦婷婷，李子扬，陈仁刚，马芳

（1.山东职业学院，山东济南 250100；2.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250100；3.国网山东省电力公司检修公司，山东济南 250118）

0 引言

随着近年来超高压、特高压线路的增多，舞动现象时有发生，输电线路导、地线覆冰后如发生舞动、脱冰跳跃现场，造成电线断线、相间闪络、继电保护动作，严重时甚至造成线路跳闸断电、杆塔倾覆，给电力系统的安全、稳定运行带来极大危害，给居民用电、企业安全生产带来不利影响。所以，如何在设计阶段，采用避舞、防舞或抗舞的措施，对后续的舞动灾害防治起到事半功倍的效果，是电网建设必须重点考虑的问题。分析防舞设计的关键问题，并给出了差异化防舞设计措施，为今后其他输电线路防舞设计提供参考。

1 防舞设计依据

目前的防舞设计依据主要包括Q/GDW 1829—2012《架空输电线路防舞设计规范》［1］、国家电网十八项反措以及各个省区域的电网舞动分布图等。

架空输电线路的防舞设计流程，一是根据最新版的舞动分布图，结合已建线路的运行经验，确定线路途经区域的舞动级别；二是根据舞动的级别和防舞设计规范，在路径选择避让、提高导线、金具、杆塔及基础强度、加装防舞措施等方面，给出具体的防舞设计措施。

虽然设计规范给出了防舞设计的基本原则，但涉及具体细节，须结合工程实际、地域地形和气象特点，采取相应的防舞设计措施［1-4］。

2 舞动分布图及舞动设防等级

一般根据综合气象数据和地形起伏度数据的气象地理法进行舞动级别区域划分：根据10 年内的覆冰舞动总次数，得出基于气象数据的舞动分布图；结合地形起伏度数据，得出不同发生舞动概率的舞动分布图；结合已建线路的历史舞动数据对舞动分布图进行修正，得出区域的舞动分布图。

原则上，舞动分布图需要定期动态更新，以指导防舞设计。目前，山东电网的舞动分布图发布至2016 年版，即将更新至2020 年版。

舞动区等级由强到弱可分为3 级、2 级、1 级和0级舞动区共4 个等级。防舞设计一般根据舞动分布图的舞动区等级、线路走向、所经地形、导线结构和参数等多方面综合考虑，确定舞动设防等级［1］。

3 舞动的影响因素

造成电力线路舞动的原因很多，一般归纳为气象条件、地理位置、线路特点等方面。其中，气象条件主要是指导线的覆冰多少、风速大小与风向等；地理位置主要指电力线路所经区域的地形与地势；线路特点主要是指路径、导线和地线型号、杆塔塔头布置、金具选型等［4］。

3.1 覆冰和风速

覆冰大小是引起线路舞动的关键性原因，风激励是引起导线舞动的最主要原因。

覆冰舞动气象条件需要轻微覆冰和较大风速同时存在，覆冰厚度通常为0～10 mm，舞动风速通常为5～10 m／s，风速在15 m／s 以上时通常不会发生舞动。

3.2 地形与地势

经验表明，舞动一般多发生在平原开阔地带。地形平坦开阔，周围屏蔽物较少，风速较大且比较稳定，风向也比较固定，这种情况下更有利于线路舞动的发生。

3.3 线路走向

根据苏联研究成果，线路舞动时，大多发生在线路走向和风向的夹角大于45°。经统计，有舞动记录的输电线路中，线路走向与风向的夹角大于45°的占90%以上。根据运行单位记录和反馈，曾有位于舞动严重区域的输电线路，在与风向夹角较大（接近垂直）的区段内大部分均发生舞动现象，但相邻较近且与风向夹角较小（小于45°）的区段内却没有发生舞动，此条线路所经的地形、气象条件、导线型号等设计参数均相同，因此输电线路的路径方案对导线是否发生舞动起着关键作用。

3.4 微地形微气象区识别

线路舞动常发生在导线覆冰时，覆冰和积雪会引起输电线路的断线、倒塔、闪络等电力事故，而大风易引起线路跳闸、断线、倒塔、导线舞动等电力事故，微地形微气象常是引起输电线路覆冰加重、区域风速加强的主要原因。

微地形是小尺度地域分异的基本因素。微气候主要指地面气层的温度、湿度和风速等的综合状况，微地形主要指地形、地貌、植被分布、地质情况、线路环境。微地形与微气候息息相关，微气候的不同特点，是由于热源和湿源的湍流变换因地形的差异而造成的不同结果。根据地面不同的起伏趋势和形态的差异，微地形也分为多种。

对输电线路影响较大的气象因子是覆冰、大风及雷电。因此，在输电线路所经过地区中，易发生导线覆冰、大风、雷击的部分地段，其气象特征值超过该地区其他线路段的气象条件设计值，可能危及线路安全运行，这部分地段即为线路设计中的微地形、微气象点。在实际输电线路路径中微地形可能很复杂，既可能是单一型，也可能是复合型；有些容易辨认，有些需要结合周围地形及地理环境情况仔细观察才能辨认出来。常见微地形如表1 所示。

4 防舞装置的主要种类及主要防舞措施

4.1 防舞装置选择原则

随着运行监测手段的不断发展，对输电线路故障的记录和分析也有了改进提升，对不同原因引起的输电线路故障更容易区分。其中由舞动导致线路故障的记录越来越详细，包括舞动发生的区域、线路电压等级、路径走向、地形条件等，根据分析记录得到的结果研制出具有不同特性、适用不同线路的多种防舞装置。

现行防舞措施主要包括三类：根据气象及地形条件，避开易于形成线路舞动的覆冰区域；从杆塔塔头布置、金具选型、导地线选择等方面考虑，加强线路抵抗舞动的能力；通过加装附件，改变原有线路的设计条件，根据线路所经区域和自身特点，差异化加装各种防舞装置，从而抑制舞动的发生。防舞装置主要包括相间间隔棒、线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、动力减振器、失谐摆、偏心重锤等，对线路舞动有抑制作用［4-7］，如表2 所示。

表1 常见微地形分类

表2 防舞装置及其主要特性

4.2 山东电网220 kV 和500 kV 线路主要防舞措施

根据舞动等级的划分和相关要求，在0 级舞动区无须采取防舞措施，因此对目前山东电网220 kV和500 kV 线路在1 级、2 级和3 级舞动区主要采用的防舞措施如表3 所示。

表3 山东电网220 kV 和500 kV 线路主要防舞措施

5 安装防舞装置导致弧垂变化

目前输电线路常用的防舞装置有：线夹回转式间隔棒、相间间隔棒、双摆防舞器、失谐摆、偏心重锤及动力减振器等。

其中山东电网常用的为线夹回转式间隔棒、相间间隔棒和双摆防舞器等。线夹回转式间隔棒只有迎风侧线夹可以回旋，难以消除全部分裂导线不均匀覆冰产生的扭转，其防舞效果有限，适用于舞动不严重的1 级舞动区，其价格约为普通阻尼间隔棒的1.5 倍。相间间隔棒和双摆防舞器在国内舞动区得到广泛应用，防舞效果明显。

5.1 各种防舞装置的安装要求

Q/GDW 1829—2012《架空输电线路防舞设计规范》是目前针对线路防舞设计、改造所参考的通用现行标准。该规范明确规定了不同电压等级的线路可采用的防舞装置类型及相应安装要求。其中，“双摆防舞器+线夹回转式间隔棒”防舞组合方式是目前应用较多的防舞方案，规范中明确规定该组合方式下双摆防舞器的安装总质量应控制在档内导线总质量的7%左右，而且采取宏观集中、微观分散的方式。

5.2 防舞装置的安装导致导线弧垂的变化情况

现以常用的JL／G1A-630／45 钢芯铝绞线为例，分析输电线路加装（或预留）防舞装置后引起导线弧垂变化的影响。

加装防舞装置，增加的重量约为整档内导线重量的6.5%，即为

式中：g 为重力加速度，取9.807 m／s2；m 为导线单位重量，kg／m；M 为考虑防舞装置重量后导线单位荷载，N。

根据应力状态方程［4］和导线特性（单重按考虑防舞装置增加后）计算，在常规10 mm 轻冰区，代表档距559 m 以下时，导线应力的控制条件为年平均气温工况。气温为15 ℃，平均气温应力百分数为25%，即导线自身的平均温工况的垂直比载乘以1.065。可求得在增加防舞装置后，满足导线安全系数和平均气温应力百分数为25%时，反推出仅有导线自重比载时的相应年平均应力百分数约为23.6%。

加装防舞装置后对导线弧垂的影响如表4 所示，其中测量气温为40 ℃，代表档距为500 m。

由表4 可知，随着输电线路档距的增大，加装防舞装置后导线的弧垂也相应增大，档距在300～700 m时，加装防舞装置后导线弧垂增大数值不大于2.2 m。除考虑防舞装置自身重量引起的导线弧垂增加外，还须考虑防舞装置的高度，如双摆防舞器的摆锤长度。

表4 导线弧垂 m

因此，输电线路考虑增加防舞装置时，尤其是对已建线路，必须校验安装防舞装置之后导线的对地或其他交叉跨越物的跨越距离。加装防舞装置后在不同档距下的对地裕度建议如表5 所示。

表5 加装防舞装置后对地裕度建议值 m

6 差异化防舞设计

随着电网建设的飞速发展与极端气象条件的频繁出现，架空输电线路的舞动问题已严重威胁电网的安全运行。因此在线路设计阶段就须进行防舞设计，根据不同情况采取差异化的防舞设计方案。根据易舞动区的特征，在进行线路设计时，须进行必要的沿线舞动情况及气象、地形条件的调查，特别注意对冬春季节气象条件的调查。对冬季不可能覆冰的地区则无须考虑线路防舞设计。