输电线路覆冰舞动治理技术

输电线路覆冰舞动治理技术

1、输电线路舞动情况概述

1.1舞动基本概念

架空输电线路在运行过程中会因自然条件的作用而发生多种灾害事故，舞动就是其中危害较为严重的一种。舞动是不均匀覆冰导线在风的作用下产生的一种低频率（约为0.1～5Hz）、大振幅（约为导线直径的20～300倍）的自激振动，在振动形态上表现为在一个档距内只有一个或少数几个半波。输电线路舞动的发生通常取决于三方面的要素：导线不均匀覆冰、风激励和线路结构参数。舞动产生的危害是多方面的，轻者会发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。舞动问题在本质上为非线性动力学问题，加之各种复杂的随机因素作用，使得彻底治理难度很大，是架空输电线路机械力学领域公认的世界性难题。随着我国电网建设的发展，近年来我国架空输电线路舞动事故发生的频率和强度明显增加，舞动已成为当前我国威胁线路安全的最主要因素之一。

1.2国外输电线路舞动情况

舞动是输电导线由于偏心覆冰改变了导线截面特性在风激励下产生的驰振不稳定现象，舞动的观测和研究是随着架空输电线路的发展而展开的，输电线路舞动研究最早源于20世纪30年代，由美国学者Den Hartog首先提出第一个舞动激发机理。

统计表明，自输电线路舞动现象被首次发现以来，全世界有输电线路舞动记录的国家达三十多个，其中舞动较严重的地区包括北美的加拿大、美国，欧洲的比利时、丹麦、瑞典、挪威、英国及俄罗斯，亚洲的日本等。

由于近些年来发达国家输电线路的发展基本处于停滞状态，因此有关线路的舞动记录基本没有新增，相关的研究工作也没有进一步的发展。

1.3 我国输电线路舞动情况

中国是舞动发生最频繁的国家之一，舞动涉及到各个电压等级的输电线路。存在一条北起黑龙江，南至湖南的漫长的传统舞动带，因为每年的冬季及初春季节（每年的11、12月份，和次年的1、2、3月份），我国西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流在我国东北部、中部（偏沿海地区）相汇，这些地区极易形成冻雨或雨凇地带使导线覆冰，并且由于风力较强，这条带状区域内的输电线路在冬季由于特殊的气象因素满足了起舞的基本要素后而诱发舞动。其中辽宁

省、湖北省、河南省是我国的传统强舞动区。

近年来，随着电网建设的发展，以及受极端气象条件频发的影响，我国架空输电线路舞动事故发生的频率和强度都明显增加，尤其是2000年后，几乎每年都发生较严重的舞动事故，造成严重的损失。2008年初河南、湖北、江西、湖南等省出现大规模舞动现象。2009年11月到2010年3月，河南、山西、湖南、江西、浙江、辽宁、河北、山东等省相继出现七次输电线路大面积覆冰舞动现象，造成多条不同电压等级线路发生机械和电气故障，给电网安全稳定运行带来巨大威胁，其中山西、浙江、江西、湖南、河北、山东、陕西、安徽、江苏等省都是首次出现大规模的舞动现象。图1给出了2000-2010年我国输电线路舞动统计情况。

图1 2000-2010年我国舞动次数统计

1.4 我国线路舞动新特点

（1）舞动区域扩大

在地域分布上，舞动区域已不仅局限在有限的范围内，而是遍及到公司电网大部分地区。以往定义为传统易舞区的湖北、河南、辽宁等仍是舞动最为严重的地区，而湖南、河北、山东、浙江、江西、山西、陕西、安徽和江苏等省份，在历史上极少有舞动记录，近几年也相继发生了大范围的舞动现象。

（2）舞动发生频率增加

在舞动发生频率上，呈现逐渐增加的趋势，例如2009-2010年短短一个冬季全网就发生了七次大范围的舞动现象，几乎是每一次大风降温、冰冻雨雪天气过程，都会有线路会发生舞动，仅河南就发生了三次大范围的线路舞动。舞动已不再是发生在个别地区、个别区段的小概率事件，当气象、覆冰、线路参数等条件满足时，各区域、各电压等级的输电线路都可能发生舞动，我们对舞动的规律还需要重新认识。

（3）舞动持续时间长、舞动强度大

近几年的舞动观测表明，线路舞动持续时间变长、破坏强度增大，例如08年河南省500kV姚邵线发生强烈舞动，持续时间达60小时，使得该线路发生5基杆塔倒塔、多基杆塔螺栓松脱、金具损坏等严重事故；江西省南乐一、二回线发生舞动达70小时，使得南乐二回一基直线塔边相导线掉串。因为长时间的舞动会导致结构件疲劳、螺栓松脱甚至倒塔的严重事故，例如2009-2010年冬季舞动共造成了600多条次的跳闸事故、130多条次机械故障。之所以舞动持续时间长是由于有利于舞动的天气条件（降水（雪）、气温、风速风向等）相对稳定引起的。

2、输电线路舞动理论研究情况

2.1 现有导线舞动激发机理

为了防止舞动对于输电线路造成的巨大危害，国内外众多学者在此方面开展了大量的研究工作，在起舞机理、舞动过程等方面取得了很多重要的成果。目前，存在四中有代表性的舞动理论，分别为Den Hartog提出的横向起舞机理、Nigol 提出的扭转振动起舞机理、偏心覆冰惯性耦合起舞机理以及我国学者提出的动力失稳起舞机理。

Den Hartog机理提出的覆冰导线起舞条件是导线横向振动的总体阻尼项出现负值，使得输入风能量在导线振动系统中出现积累，最终导致横向振动失稳，引起舞动。

Nigol提出的扭转激发舞动原理，认为导线产生偏心覆冰在不满足Den Hartog机理的条件下，因为导线自身的扭转振动和横向振动的耦合效应，由空气动力作用产生导线扭振继而引起横向的舞动现象。

惯性耦合激发机理认为在导线横向振动和扭转振动均可能处于稳定范围，只是由于覆冰引起的偏心惯性作用改变攻角，使得空气动力作用对横向振动形成正反馈，加剧了横向振动积累能量，最终形成大幅度舞动。

稳定性舞动机理认为，振动系统失稳是诱发导线类似舞动这样大幅度运动的原因。因此，若能采取适当的措施提高导线系统的动力稳定度，提高系统失稳的冰风阈值，就能达到防舞的目的，这种运用动力稳定性理论来研究舞动的方法称之为稳定性舞动机理。

分析现有的输电线路舞动激发机理，可得到如下的结论：

（1）输电线路舞动的激发是一个复杂的流固耦合问题，并且受到许多参数的影响和制约，例如导线系统参数、冰、风、雨量、气温、气压等等。因此，到目前为止仍然没有得出一个统一的普适的激发机理，现有的激发机理都是基于某种简化力学模型，重点考虑部分影响参数而得到的，故对于同一条线路，在不同