基于调谐质量阻尼器的风偏角控制方法探讨

清远电力规划设计院有限公司 谭开平

高压架空输电线路由于造价低而广泛应用，超过电缆成为主要电力传输通道，是电力系统的主要基础设施。据某供电区近两年统计：管理区内的输电线路共发生350次跳闸。自然灾害共计造成254次跳闸，其中大风造成70次风偏跳闸、占20%，雷击引起的跳闸为184次、占52.57%。风偏跳闸已成为仅次于雷击的事故原因。

按照目前输电线路设计规范，线路风偏角的设计主要考虑以下因素：最大设计风速、重现期规定、风速高度换算系数、风压不均匀系数、微地形条件以及风荷载等。当它们受气候、环境变化而产生重大变化时，直接影响杆塔设计的基本原则，导致杆塔重建。

1 风偏角的设计

风偏角的设计是输电线路电气技术范畴，是输电线路的重要指标之一，合适的风偏角设计是输电线路安全运行的保证。其机理是当风力作用于架空输电线路的表面时，受到垂直于线路导线方向的风力将使导线产生横向的摇摆偏移，风力越大偏移越大。该偏移产生的角度就是所谓线路风偏角φ，所以，风偏角就是悬垂绝缘子串和导线这个共同体在一定的风速作用下，引起的导线与垂直方向所形成的角度。

风偏角的大小与风力大小、绝缘子重量及长度、导线自重等因素有关，当风偏角太大导致导线与塔身的空间距离不足，将会由于绝缘距离不够导致线路跳闸。如图1所示，杆塔设计尺寸需满足悬垂绝缘子串在工频、操作、雷电、带电作业等各种工况下风偏后的安全距离要求，因此风偏角的大小决定了杆塔塔头的尺寸，继而决定了整体线路的投资水平。

图1 线路风偏角的设计

如图1所示，风偏角就是线路绝缘子串和导线在一定的风速作用下，引起的导线与垂直方向所形成的角度：φ=tg-1((PI/2+PLH)/(GI/2+WILV))。

式中：PI为悬垂绝缘子串风压，N；GI为悬垂绝缘子串重力，N；P 为相应工况下的导线分荷载，N/m；WL为导线自重力，N/m；LH为实际条件下的杆塔水平档距，m；LV为实际条件下的杆塔垂直档距，m。显而易见风偏角不能太大，否则会造成导线与塔身的空间距离减少，当小于安全运行的要求时会产生空气击穿而放电，最后导致线路跳闸、停电。因此合理的风偏角设计是非常必要的，主要考虑以下因素。

1.1 最大设计风速

风速作用于事物表面上就是风压，设计工作中选取方法必须准确，必须严格依据气象台、站自记式风速仪的记录资料，对早期的非自记录定时观测数据进行了校正，并用于获得10分钟时距的年平均最大风速样本。值得一提的是，国内与国外在高压架空输电线路基本最大设计风速的选取方法上是一致的。但当风速仪高度与标准高度10m 不同时，使用转换风速时国内外相关计算参数选择并不一致。

以500kV 线路为例，导线平均架设高度为20m时，国内最大设计风速为30m/s，而美国和日本则分别为34.5m/s 和40.3m/s。我国计算得到的线路设计基准风速比美国和日本风速值小，主要由于国内的风速换算时距过大。结果是最大设计风速取值比其他根据国家、地区稍低。对风偏角的设计是有利的，但日后运行是安全系数低。

1.2 风压不均匀系数

风的方向总是变化不定的，电线所承受的风速在各点上也是不一样的，通常为方便计算将电线上的风压由风速的平均值所确定。为了使所选择的风速值与整个档距内跨度的风况相匹配，考虑了一个适合系数，这个系数就称为风压不均匀系数，国内与国外在风压不均匀系数的选取方法上一致。

1.3 水平档距的影响

在不同的电压等级输电线路的水平档距有相应的推荐值，水平档距越大杆塔的负荷越大，风对导线的水平作用力就大，计算得出的绝缘子串风偏角也大。减少水平档距会增加输电线路的平均耗材，所以为减少风偏角而调整输电线路的水平档距时，必须同时考虑线路耗材的经济性问题。

1.4 风速高度换算系数

当空气在地面上流动时与地面产生摩擦，从而改变了靠近地面气流的方向和速度，摩擦对气流的影响随着高度的增加而逐渐减小。因此，在低气层中风速随高度而增加且增速很快，增加至一定高度时增长逐渐减慢。风速高度换算系数决定于地形变化的复杂性，国际上美国和日本执行的风速高度换算系数值比我国的更高。国内的风速高度换算系数取值较小，对风偏角的设计是不利的，运行时安全系数较高。

2 实际运行中的存在问题

在具体的工程中，风偏角的计算必须充分考虑各种影响因素、并且留有一定裕度的，但这种裕度不能太大，因为风偏角越大需要杆塔塔头的尺寸就越大，继而提高了输电线路的整体投资水平。问题是，输电线路横跨了各种地理环境，很多外部因素使得环境变化超过了预期。例如：

微地形条件对风速的影响。研究数据显示，当大风经过人口稠密的城镇或森林覆盖的地区时，地面上的地形和地物特征会阻碍大风气流的流动，该作用的结果会使得经过其表面的风速减小；而当大风经过峡谷口、隘口、山脊、河道等地形时，由于该地形会产生气流的翻越、缩口效应，而使经过的大风的风速增大，随着许多工程建设改变了原来的微地形环境，使得通过该区的输电线路风偏角受到影响。

风速统计数据标准的影响。在气象系统中，每个国家都有一套计算风速的标准，它属于该领域中权威基础数据，在选择输电线路最大设计风速的方法上，首先根据气象站采集到的历年最大风速数据，然后根据规定的概率分布计算后得到一定重现期、观测时距和基准高度下的最大风速数值，最后根据线路实际电压等级和地理位置确定最大设计风速。根据这种计算方法，能得到工程所需的合理数据，但无可避免地漏掉了瞬时最大风速，这就是大多数台风导致跳闸的原因。

剧烈气候变化条件的影响。输电线路全年暴露在大气中，长期受到温度变化、台风、结冰及洪水的影响，严重影响电力输送安全，而台风是重要的灾害之一。热带气旋分为六个等级，即热带低压、热带风暴、强热带风暴、台风、强台风和超强台风，台风是低纬度海洋上发生的低压或干扰的总称，风速达到30～50km/s，该级别风力会影响输电线路安全运行。

面对复杂多变的外部环境，利用传统的设计方法要想保持风偏角在合理范围内，就必须增大杆塔塔头尺寸，需要时间和资金成本都很大。

3 含调谐质量阻尼器的防风偏方法

按照目前输电线路设计规范，线路风偏角的受以下因素影响较大：最大设计风速、重现期规定、风速高度换算系数、风压不均匀系数、微地形条件以及风荷载等，其中以最大设计风速为主要因素。

本文尝试避开一些易变的外部因素，从另一个角度限制风偏角的影响，因为风偏角归根到底是一种物理摆动现象，应用机械限制的方法具有针对性强、简单易行的特点，例如加装含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子。当导线发生风偏时绝缘子提供反向的支撑力，限制风偏的角度，保证导线与塔身的距离。而风的作用是具有一定频率变化的，所以这种场合的绝缘子应该具备吸振功能。

调谐质量阻尼器技术（简称TMD）最早应用在机械振动领域，整体装置称为动力吸振器，主要用于控制各种机械的振动，随后才逐渐引入到建筑结构以及海洋工程方面，后来应用范围不断扩大，用来限制风偏角的影响算是一种新的试验。如图2所示，含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子由7部分组成，分别是底座、阻尼器、辅助绝缘子、线夹、绝缘杆1、绝缘杆2、及绝缘杆3。

图2 含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子结构图

底座可直接安装在杆塔本体上，线夹用来固定导线；调谐质量阻尼器由弹簧及阻尼质量模块组成，装置的减振基本原理是：在外部压力激励作用下，带动TMD 系统一起振动，TMD 系统的相对运动产生的惯性力将反作用到施压物体上。质量模块可调谐这个惯性力，达到减小振动的目的。加装含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子后，风偏摆动距离（L）小于等于弹簧最大行程（H），所以只要控制了H，风偏角就控制好了；辅助绝缘子可增加整体设备的表面绝缘长度，保证绝缘安全；绝缘杆起到连接的作用，选用树脂绝缘材料。

实际运行中，应用调谐质量阻尼器绝缘子的方式，可方便地稳定输电线路风偏角，有效消除了各种变化引起的不利因素，具有以下优势：在不改变杆塔塔头尺寸的情况下，把含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子作为稳定风偏角的辅助手段，有效消除了各种变化引起的不利因素，节约时间和资金成本；加装含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子后，风偏角不再由风力大小决定，而是由阻尼器的自由行程决定，完全避免风偏跳闸事故；含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子是一种柔性结构，可减少相关连接金具的磨损，取得更好运行效益。

图3 含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子安装图

4 频率共振

利用含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子控制风偏，须充分考虑导致这一现象出现的主体的特性，而风这个主体是复杂多变的，结合含调谐质量阻尼器本身含有振动频率的实际情况，风频率与阻尼器频率共振的特征是个关键技术。

根据相关研究数据，常见风的频率可在0.05～10赫兹的宽广范围出现，大风的频率多数在0.05赫兹附近，小风的频率多数在0.25赫兹附近，它表示了风力连续出现的时间间隔，而微风的频率可达到10赫兹以上，但其对所作用的物体影响不大，在工程中可忽略，在一些特殊场合会被关注，如管型母线的微风振动是需要限制的。而调谐质量阻尼器的频率可调节：f=N×(K/M)/2。其中N 为结构系数，取值在0.15～0.2；K 为弹簧刚度系数；M 为质量块质量，因此实际工程中调谐质量阻尼器的频率通常为30赫兹。

当大风以0.05赫兹的频率作用于导线时，由于调谐质量阻尼器的存在，瞬时风力会分解为渐变风力，可大大减少调谐质量阻尼器整体装置的耐受刚度，从而节约材料，使产品具有更好效益。当小风以0.25赫兹的频率作用于导线时，由于调谐质量阻尼器的存在，作用与前面原理相同。但当微风以10赫兹的频率作用于导线时，调谐质量阻尼器的作用就大大减弱，如果频率发生共振时调谐质量阻尼器装置反而增加了风力，由于风力很小、属于微风级别，这种情况不会产生危害。

综上所述，具体分析风偏角产生的原因，就可理解风偏角是具有频率特征的，调谐质量阻尼器装置也是具有频率特征的，两种频率配合适当时会产生良好的效果，当两种频率失配时会产生负面的效果，应当十分注意它们之间的配合。

5 结语

从风偏角的计算公式可知影响因素很多，它们都是影响风偏角的潜在因素，而且各自所占比重是不同的。在其它条件一致情况下，风偏角大小受水平档距影响较小，受风压不均匀系数影响较大；悬垂绝缘子串重量对风偏角影响较少，而跳线串重量对其风偏角影响较大，这些都是风偏角设计需要注意的。

实际上，输电线路的周围环境是多变的、不可控的。局部环境的改变，最好能用局部改造的方法应对。要实现塔头结构不变，使用机械控制的办法是可行的，利用含调谐质量阻尼器的防风偏绝缘子控制风偏，方法直接、简单，百分百避免风偏跳闸。