架空输电线路防舞动措施

架空输电线路防舞动措施
刘瑞;刘耘成
【摘要】分析了架空输电线路导线舞动原理,研究了微风振动、驰振激发和扩展导线舞动的特点及振动频率、导线的受力情况.根据导线舞动原理,结合架空输电线路运行维护经验,分析了线路走向、地形与地势,冰风参数,线路结构参数对导线舞动的影响,提出了减弱导线振动,加强导线、金具的耐振强度、优化导线排列方式等防舞动措施,介绍了国内常用防舞动装置及其工作原理,并对今后防舞动工作提出了建议.【期刊名称】《东北电力技术》
【年(卷),期】2015(036)012
【总页数】4页(P47-50)
【关键词】架空输电线路;导线舞动;防舞动
【作者】刘瑞;刘耘成
【作者单位】国网辽宁省电力有限公司,辽宁沈阳 110006;国网沈阳供电公司,辽宁沈阳 110044
【正文语种】中文
【中图分类】TM75
随着我国社会经济的快速发展，电力需求高速增长。

我国发电能源和用电负荷分布不均衡的特点决定了建设坚强智能电网是我国电网发展的战略目标，具有长距离、大容量输电特征的架空输电线路是其坚实基础和核心环节。

根据国家电网公司“十二五”及中长期科技发展规划与特高压输电技术发展趋势，单回架空输电线路电压
等级、输送容量将不断提升。

架空输电线路舞动通常发生在冬季导线覆冰而形成非圆断面的情况下，当水平方向风吹到因覆冰而变为非圆断面输电导线时，将产生一定的空气动力，在一定条件下，将诱发导线产生一种低频（约为0.1～3 Hz）、大振幅（约为导线直径的5～300倍）的自激励振动。

根据统计，1957年至1992年初，我国共发生了44次导线舞动，波及到的线路
有161条，导线损伤66根，引发线路跳闸119次。

在辽宁地区发生舞动最多的
是沈阳、鞍山、锦州、大连、营口等地区［1］，1957年至1990年的33年中有18年发生舞动，共计25次，波及线路86条。

近几年我国电网和输电技术发展迅速，架空输电线路数量和长度不断增加，同时线路电压等级、输送容量也不断提升。

架空输电线路一旦发生舞动，将会给电网安全和社会经济造成重大损失。

因此，在建设架空输电线时有必要深入研究各类防舞动技术，采取相应的防舞动措施。

当气流从导线表面流过时，将作用于导线一个激励。

激励的大小和性质与导线的断面形状、风速、风向等因素有关。

这个激励将激发导线产生不同性质的振动。

同时，导线的振动又会反过来影响气流的运动及激励力，从而形成气流与导线之间的耦合振动，即导线舞动。

导线舞动原理可分为微风振动和驰振（俗称舞动）。

1.1 导线的微风振动
微风振动是由于气流绕过导线表面，在导线后方形成旋涡。

当旋涡从导线两侧交替脱落时，便作用于导线一个交变的周期激励力，引起导线的周期振动。

导线的这种微风振动称为涡振动。

导线微风振动频率fs（Hz）计算公式如下：
式中 U——风速，m／s；
D——导线直径，m；
S——司脱罗哈数，我国取0.2。

导线微风振动持续时间较长，可达数天。

主要危害是造成导线疲劳断股，金具、杆塔构建疲劳破损和磨损。

引起导线微风振动的风速是在0.5～10 m／s内的稳定风，其振幅的峰—峰值一般不大于导线直径的2～3倍（振幅小于5 cm），频率fs约为3～120 Hz。

架空导线可看成是两端固定的一条弦线，具有本身的固有频率，
频率计算公式如下：
式中 fd——导线的固有频率，Hz；
T——导线的张力，N；
q——导线单位长度的重力，N／m。

当固有频率为fd的导线上作用横向均匀风速时，如果风对导线产生的微风振动频
率fs与其固有频率fd相同，则会引起谐振，作用于导线上的交变冲击力变大，使导线产生较大振幅的振动，引起导线舞动。

1.2 导线的驰振
导线驰振是由于气流以较高速度流过覆冰非圆断面导线表面所产生的空气动力引起的一种自激励振动。

由于空气动力与导线回复力相比弱很多，因此导线振动的频率与导线的固有频率接近。

为便于导线舞动研究，结合运行经验，将覆冰情况下的导线断面设为椭圆形。

设椭圆长轴与风向水平，即夹角α＝0°，风速为V，导线以速度u向上运动。

此时导线受力情况如图1（a）所示，相对于导线风具有水平方向速度V和向下速度u，相
当于速度为Vr的风与导线长轴夹角Δα的方向吹过，根据机翼原理不难看出空气
动力产生的推力L的方向向下，抑制导线的运动。

反之，当导线向下运动时，空
气动力产生的推力L的方向向上，同样抑制导线的运动。

当椭圆长轴与风向垂直，即α＝90°。

此时导线向上运动时，导线受力情况如图1（b）所示。

相对于导线风具有水平方向速度V和向下速度u，相当于速度为Vr
的风与导线短轴夹角Δα的方向吹过，根据机翼原理不难看出空气动力产生的推力L的方向向上，助长导线运动。

反之，当导线向下运动时，空气动力产生的推力L
的方向向下，同样助长导线运动。

这时导线不稳定，不论多小的扰动，风总是使导线运动振幅增加，从而引起导线舞动［2－3］。

形成导线舞动的因素非常复杂，而各种因素又互相作用，构成了导线舞动激发和扩展。

根据实际架空输电线路的运行维护经验，对导线舞动的激发和扩展起作用的因素有线路的走向、地形与地势，冰风参数，线路结构参数。

2.1 线路走向的影响
架空输电线路导线舞动原理分析是按照风向垂直于线路方向进行的。

只有风向垂直于线路方向时，导线所承受的空气动力最大，所表现出的微风振动和驰振最典型和突出。

如果风向与线路之间有一个夹角，真正起作用的是风相对线路的垂直分量，而平行与线路的分量通常是不会起到激励作用的。

因此，一段线路舞动的大小与状态，主要取决于风向与线路方向的夹角。

当夹角为90°时，对导线舞动的影响最大，当夹角为0°时，即风向平行于线路方向，则引起舞动的可能性最小。

根据辽宁省
架空输电线路运行经验，当风向与线路方向夹角为45°～90°时，易发生导线舞动［4］。

风向是随机的，但导线舞动是由覆冰和风的联合作用产生的，只有冬季才有可能发生覆冰现象。

冬季，尤其是冰雪天气，以北风居多。

因此，在架空输电线路设计时一般按照北风考虑线路防舞动设计。

2.2 地形与地势的影响
由于地表的摩擦，越接近地面，风速相对较低，只有离地面300 m以上时［5］，才可以认为风速不再受地表的影响。

我国东北地区电压等级为500 kV、220 kV、66 kV，这3个电压等级的架空输电线路导线高度一般都低于40 m。

因此，地形
和地势对导线舞动有一定的影响。

在架空输电线路设计中，平均风速沿高度变化的规律可用如下公式计算：
式中 u、z——分别为任意高度的平均风速和离地高度；
zs、us——分别为标准高度和该处的平均风速；
a——地面粗糙度系数，地面越粗超，其值越大，通常采用的数值如表1所示。

只有冬季风才有可能激发导线舞动，冬季风是季风，在同一地区若忽略地面粗糙度系数的影响，其风速基本相同，即在300 m以上高度风速相同。

设某地区300 m 高度处的风速为40 km／h。

根据《110 kV～750 kV架空输电线路设计规程》（GB 50545—2010）架空输电线路设计基本风速应取离地面高度10 m。

根据式（3），开阔平原地区线路设计基本风速为22～26 km／h，而森林地区设计基本风速只有17 km／h。

可知平原开阔地区架空输电线路易发生导线舞动，这符合运行经验。

2.3 冰风参数的影响
对于导线舞动来说，冰风因素是主要的激励来源，具有关键作用。

其产生及形态不仅与气象因素密切相关，且彼此又互相影响［6］。

显然，这些问题具有很大的随机性，在导线舞动研究和进行防舞动设计时，通常向运行维护单位收资或根据统计数据来确定覆冰厚度和设计基本风速。

2.4 线路结构参数的影响
根据导线舞动原理，除风向、风速、覆冰、地形及地势等外在因素外，导线本身的结构参数，通过气动力大小、导线回复力、导线固有频率等因素影响导线舞动的激发和扩展。

导线结构参数主要包括：导线类型、张力、弧垂、档距、导线直径、导线比载等特性和参数。

根据运行经验，上述因素对导线舞动的影响可分为导线分裂形式的影响和导线直径的影响。

通常分裂导线相对单导线易发生舞动，大直径导线相对小直径导线易发生舞动。

影响架空输电线路导线舞动的因素较多，不仅受线路参数和外界作用的影响，还受
许多随机因素的影响。

目前，还不能完全避免导线舞动的发生，但在架空输电线路设计、建设阶段采取适当的防舞动措施可减小其规模，减轻其危害。

3.1 减弱导线的振动
振动是导线舞动激发和扩展的根本原因，只要设法从根本上消除引起导线振动的条件，就能有效防止导线的舞动。

如线路路径避开易振区，年平均应力选定在不易发生振动的应力值区间内，采用柔性横担、偏心导线、防振线夹等提高导线本身的阻尼作用。

但这些措施在实际工程中往往受到投资效益的限制，不易实现。

3.2 加强导线、金具的耐振强度
导线舞动将造成导线、金具的疲劳损伤，因此，加强导线、金具的耐振强度可有效减小或避免导线舞动造成的危害。

加强导线耐振强度的措施主要是通过在导线与金具连接处加装护线条或打背线，加强线夹出口处附近导线的刚度和耐振强度，减小弯曲应力、挤压应力和磨损，对导线起一定阻尼作用。

钢芯铝绞线常用的护线条形式有锥形护线条和预绞丝护线条。

打背线是用一段与导线材料相同的线材同导线一起安装于线夹中，并在两端与导线帮扎在一起。

加强线夹耐振性能主要是提高线夹转动的灵活性，使线夹随导线上下振动而灵活转动，减小导线在线夹出口处的弯曲应力。

3.3 优化导线排列方式
导线舞动轨迹垂直于导线轴线，成椭圆形，椭圆长轴与铅锤方向夹角一般在15°左右，长轴与短轴长度比一般为2∶1到5∶1，长轴长度可达到1倍弧垂或更长。

当导线发生大幅度舞动时，2根运动的上下导线可能产生碰线闪弧，引起导线烧伤和短路跳闸。

为避免此类事故的发生，除了采取防舞动措施控制幅度之外，可以在输电塔塔头设计上采取相应的措施加大不同相导线间的垂直、水平距离，防止导线间碰线。

如果条件允许，可采用导线水平布置的方式。

在实际工程中由于受到地形、线路走向及投资效益的限制，上述措施无法实现或不
能有效防止导线舞动，因此，有必要加装相应的防舞动装置。

4.1 防振锤
防振锤是防止微风振动及其扩大的常用装置。

实质上是一个动力减振器，一般由钢绞线把2个重锤连接在一起构成，钢绞线中部装1个线夹，用来把防振锤固定在导线上。

防振锤一般安装在靠近线夹振动波的波腹处，其自振频率与导线相近，当导线振动时2个重锤有较大的甩动，有效吸收导线的振动能量，减小线夹及导线的疲劳损伤。

防振锤的重量应和导线的型号相适应，通常导线截面越大，防振锤重量越大。

如钢芯铝绞线截面为240 mm2时防振锤重量为5.6 kg，截面为400 mm2时重量为7.2 kg。

4.2 相间间隔棒
相间间隔棒是在相间或回路之间使用的具有绝缘性能和机械强度的间隔棒，将各导线机械地连接起来，使各导线的运动相互制约，达到抑制舞动的目的。

由于相间间隔棒握住2根间隔较大的导线或多根子导线，因此，相间间隔棒承受导线舞动、冰雪跳跃或短路所引起的冲击力及两端连接导线的悬垂度之差、风压和覆冰不平衡所引起的荷载，并通过其线夹将荷载传给相间间隔棒线夹处导线，造成导线疲劳损伤或直接断股、断线。

相间间隔棒在保证一定机械强度的同时，其线夹要采取防止导线磨损的措施，如加装橡胶内衬等。

此外还有扰流防舞器、双摆防舞器、防舞鞭、整体式偏心重锤等多种防舞动装置，在架空输电线路建设过程中应综合考虑气象、地形、导线形式及型号等实际情况，合理选择防舞动装置［7］。

近年来，由于导线舞动引起的架空输电线路故障频发，应加大力度研究导线舞动。

本文对导线舞动原理及其影响导线舞动的因素进行了分析，并对架空输电线路的防舞动工作提出了建议。

目前采用的一些防舞动措施和装置还不能完全满足实际架空输电线路防舞动要求，应采取理论与实践相结合的方法，研究出成熟、实用的防舞
动技术，为保证架空输电线路及电网安全稳定运行提供技术支持。

刘瑞（1986—），男，学士，助理工程师，从事输变电工程建设技术管理工作。

【相关文献】
［1］张巍，王飞，张忠瑞.辽宁电网输电线路舞动区域划分及舞动分布图绘制的研究［J］.东北电力技术，2011，32（11）：9－12，22.
［2］郭应龙.输电线路舞动［M］.北京：中国电力出版社，2002.
［3］张忠亭.架空输电线路设计原理［M］.北京：中国电力出版社，2010.
［4］张巍，王飞，杨铁军.2009～2010年冬季辽宁电网输电线路舞动分析［J］.东北电力技术，2010，31（8）：14－18.
［5］孔齐.风荷载对输电线路舞动的影响及防舞动措施［J］.广东电力，2011，24（4）：9－12. ［6］郎振国，刘良，徐宝臣.通辽地区输电线路发生覆冰舞动原因及对策［J］.东北电力技术，2006，27（11）：48－52.
［7］单晓峰，李勇，翟国利.500 kV输电线路防舞动治理措施分析［J］.宿州学院学报，2013，28（5）：83－84.。