架空输电线路导线舞动机理及防舞动研究_张鸣

架空输电线路导线舞动机理及防舞动研究
张　鸣1,陈雄波2
(1.广东电网公司佛山供电局,广东佛山　528000;2.佛山南海电力设计院,广东佛山　528200) [摘　要]　针对架空输电线路导线的舞动,介绍导线舞动产生的原因、气象条件、舞动产生的机理、导线舞动的影响因素及危害。

在对导线力学研究的基础上,提出相应的防治和相关金具的改进措施。

[关键词]　架空输电线路;导线舞动;金具
[中图分类号]T M726.3 [文献标识码]A [文章编号]1006-3986(2008)01-0043-04
G a l l o p i n g P r i n c i p l e a n d A n t i-G a l l o p i n g R e s e a r c ho f
O v e r h e a d T r a n s m i s s i o nL i n e
Z H A N GM i n g1,C H E NX i o n g-B o2
(1.G u a n g d o n gP o w e r G r i d C o r p F o s h a nP o w e r S u p p l y B u r e a u,F o s h a n528000,C h i n a;
2.F o s h a n N a n h a i E l e c t r i c p o w e r D e s i g n I n s t i t u t e F o s h a n528200,C h i n a)
[A b s t r a c t]T h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e c a u s e o f t r a n s m i s s i o n l i n e g a l l o p i n g,w e a t h e r c o n d i t i o n,g a l l o p i n g m e c h-a n i s m,i t s i n f l u e n c e a n d h a r m.B a s e d o n t h e s t u d y i f c o n d u c t o r m e c h a n i c s,t h e i m p r o v e m e n t o f h a r d w a r e f i t t i n g s a n d c o r r e s p o n d e n t p r e v e n t i v e s w e r e p u t f o r w a r d.
[K e y w o r d s]o v e r h e a d t r a n s m i s s i o n l i n e;c o n d u c t o r g a l l o p i n g;h a r d w a r e f i t t i n g s
架空线的覆冰断面常呈带翼状的筒形,此时若遇强风,架空线会产生低阶固有频率(0.2～0.5 H z)的共振,振动振幅极大,大档距中可达数十米,振动起来势如野马奔腾,成为奔马型振动,也称舞动。

导线舞动一旦形成,持续时间一般可达数小时,对高压输电线路会造成极大的破坏作用,从而威胁到输电线路的安全运行。

舞动常引起导线鞭击、烧伤、断股、断线、金具严重磨损、断裂、脱落、绝缘子钢脚断裂、杆塔倾倒、线路跳闸等,因而易造成大面积停电等严重事故,给社会带来重大的经济损失。

近年来,我国南起湖南、北抵吉林均发生过严重的舞动,其范围之广、强度之大、损失之重为我国历史罕见。

本文从理论上研究了导线舞动的形成机理,并在对导线力学研究的基础上,提出相应的防舞措施。

1　导线舞动形成及影响因素分析
1.1　导线舞动发生的气象条件
导线舞动一般在具备以下三个条件才会发生:
[收稿日期]　2007-12-02
[作者简介]　张　鸣(1974-),男,广东兴宁人,工程师。

(1)天气:覆冰、气温在-8～0℃的雨加雪天气;(2)风速:5～20m/s以上的强风;(3)风向:与线路的走向夹角大于45°。

1.2　导线舞动产生的机理
导线舞动产生的机理仍在研究中,现主要有以下几种观点:
(1)垂直舞动机理(由D e n.H a r t o n提出)
该理论认为导线产生偏心覆冰时,作用于其上的垂直的气动升力(由风力分解而来)大于导线的气动阻力时导线发生舞动。

(2)扭转舞动机理(由O.N i g o l提出)
该理论认为架空线除上下运动之外,还有扭动,当横向垂直振动频率与架空线固有扭转频率重合时,产生舞动。

(3)动力稳定性机理(由我国学者提出)
该理论把舞动看作为一种动力不稳定现象,认为只有不稳定振动才有可能产生像舞动这样大的振幅。

(4)低阻尼系统共振机理
该理论认为,舞动是输电线路系统在架空线低阻尼条件下,由风力产生的结构共振。

该理论不再把架空线两端悬点视为静止不动的固定端,而考虑
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了端点激振。

在风作用下,输电线路的各组成单元均产生不同程度的振动。

当多股绞线的结构阻尼降低时,容易引发系统共振。

舞动绝大多数发生在覆冰气象,因此有两点可以肯定:风是舞动的必要条件,冰是舞动的主要因素。

1.3　导线舞动的影响因素
(1)导线覆冰的影响
导线舞动几乎全是在导线覆冰的气象条件下发生,尤其是在下冻雨或雨转雪的天气里,此空气湿度大,水汽易在导线形成一层簿冰,导线的迎风面逐渐形成表面光滑,形状不对称,断面如机翼状的覆冰。

这一覆冰层使导线的性能发生如下改变:
(a)由于导线表面光滑,风力只能作用在导线的表面上,不能进入导线的线股里层,使导线吸收风力能量的作用大为降低,使导线的阻尼作用降低,由低阻尼系统共振机理可知,该条件如伴随大风极易产生振动。

(b)断面形成机翼形,根据空气动力学原理,导线对风力作用的敏感度就会加大,产生的振动力就会越强,从而加速导线的振动,使振动频率加快。

(2)风速风向的影响
舞动离不开风的激励。

冬季及初春季节里,冷暖气流的交汇易引起较强的风力,在地势平坦、开阔及风口地区的输电线路,此时导线覆冰,风速为5～20m/s,风向与线路走向的夹角不小于45°,导线极易发生舞动。

(3)导线结构的影响
线路的结构和参数也是形成舞动的重要因素之一。

从国内外的统计资料来看,在相同的环境、气象条件下,分裂导线要比单导线容易产生舞动,大截面导线要比常规截面导线易产生舞动。

随着用电需求的增长、电网建设力度的增强,我国电网建设已明显呈现多分裂、大截面的发展趋势,就此而言,增大了导线舞动的可能性。

2　舞动产生的力学研究
在架空线上任取一点C,取微段L o c为研究对象,受力分析如图1所示,各为:
(1)导线自身的重力G,重力的方向始终垂直向下,且具有正激励作用;
(2)导线张力T,该点切线方向,它随悬链线受力情况的变化而变化,张力T与导线弛度有关。

当仅有重力作用时,导线所承受的张力T为静态张力;当导线受重力、风力、电动力等力的作用时,导线所承受的张力T是一动态张力,是多变量函数。

图1　L o c受力分析图
(3)风荷载P,风力将大部分的能量,以风压的形式作用在导线上;当风吹动导线时,在重力的参与下,导线会产生上下方向的振动,在该力的作用下,导线振动表达式如下;
y=y m s i n2π
λ
x s i nωj t(1)式中:y为导线振动的振幅(m m);y m为导线振动的最大振幅(m m);ωj为导线振动的频率;λ为导线振动的波长(m);x为振动点至导线端点的距离(m); t为时间(s)。

(4)导线之间的电动力f d,这一振动力是以2ω的频率交替变化的,也具有正激励作用;
(5)空气的阻力f,阻力的作用方向始终与导线的运动方向相反,当导线向上方向运动时,空气则阻止其向上运动,反之空气则阻止其向下运动。

这些力同时作用在导线上,在任一瞬间,将导线上各力进行合成,成为一个合成振动力,设这个合振动力为F,合成振动力的振动频率为ωh;将振动力F 及阻力f,对时间的求微分析可得,当阻力f的变化率大于振动力F的变化率时,即:
d f
d t
>
d F
d t
(2)
导线的振动是稳定的;反之则导线的振动是不稳定。

由于导线的弧垂最低点张力垂直分量为0,导致这一点很容易地被振动力托起,形成振动(这一点,也正是德国研究舞动的专家G u n t b e r认为的易于托起的点)。

当导线在振动力F的作用下,频率ωh与电动力振动的两倍工频率2ω接近时,导线的
振动就会处于谐振状态,此时电动力f
d
对线路构成一正激励(2ω频率旋转的旋转力),使线路在急剧振动的同时,产生很强的旋转力。

在低阻尼的媒质条件下,当导线的振动力对时间的变化率大于阻力
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对时间的变化率时,导线的振动进入不稳定状态,振动急剧加速,形成强烈的共振-线路舞动。

3　防舞的理论研究及其措施
线路防舞措施一般可分为避舞、抗舞和抑舞3种,一般情况下优先采用避、抗舞,无法实施或效果不佳时才采用抑舞。

3.1　避舞措施
舞动易发生在导线易覆冰、风大而平稳的地区,故在路径选择时,应尽可能避开这些地区,同时考虑避开雨淞、湿雪频繁、冬季多风以及宽阔江河、峡谷、迎风山坡和山脊等微地形易舞动地区;此外,在选择线路走向时,应尽量使之平行于冬季主导风向。

3.2　抗舞措施
抗舞措施是在不改变舞动条件前提下,通过提高线路的电气和机械强度来抵抗导线舞动,使线路设备能在导线舞动时不被破坏并保持安全运行。

3.3　抑舞措施
抑舞措施是在舞动严重的线路上加装防舞装置,以抑制舞动的幅度,消除舞动可能造成的危害,保证线路安全运行。

从原理上,抑舞措施可分为以下类:
(1)改变系统空气动力特性:此法基于流体力学原理,通过改变导线的外形和空气动力特性,破坏舞动形成条件。

抑舞方法有:①缠绕流线、装绕流板;②安装空气动力阻尼器;③减少导线分裂数;④大电流融冰;⑤减少导线分裂数。

(2)改变系统结构特性:此种方法基于结构力学原理,可通过改变舞动系统的固有扭转振动或横向振动频率、质量分布和元件连接方式等动力学特性达到抑制舞动的目的。

抑舞方法有:①安装扭转阻尼器、失谐摆、抑扭环等;②安装压重防舞装置,这类装置包括档内集中安装防振锤、在间隔棒上加挂重锤等;③安装相间间隔棒。

(3)提高导线舞动系统的自阻尼作用,抑制舞动。

抑舞方法有:①安装吸收和消耗舞动能量的阻尼器;②安装双摆防舞器;③安装防舞动鞭。

抑舞方法改变了风力作用下导线的空气动力性形状,这时,当导线表面覆冰不严重时,导线表面出现很强的稳定性,可以有效地抑制舞动的发生。

4　输电线路防舞设计
由以上分析可知,舞动给线路带来极大的安全隐患。

线路设计中,在综合考虑线路的安全可靠、经济实用基础上,应首先考虑避舞,合理选择线路走向,尽可能避开或少穿雨淞或冻雨地带,避免横穿风口、江河湖面。

对于必须通过上述地区的线路,应提高线路的机械及电气强度。

线路机械强度指杆塔、导线、金具等各组成部件的机械强度,即杆塔、导线、金具等承受舞动荷载的能力,导线、金具的耐磨性能,铁塔螺栓的防松性能等。

这些部件的机械强度提高后,即使发生1～2次舞动,线路本身的机械强度也完全能承受,不致破坏。

电气强度是指在线路舞动时,导线相间及相对地有足够的电气间隙,以确保舞动时不致发生相间及相对地短路。

因此,舞动地区塔头设计要考虑舞动,采用特殊铁塔。

在抗舞的同时,应采取相应措施抑舞。

目前,国际上有多种防舞准则,如垂直防舞准则、失谐防舞准则等。

笔者认为,舞动归根到底是一种动力不稳定现象,因此,如能采取适当措施提高导线系统的动力稳定度,使原来不稳定的系统转化为稳定系统,则必然可以起到抑制舞动的作用。

为此,由线路综合条件估计导线系统在冰、风、防舞器等的综合作用下是否有可能舞动,具体计算步骤如下:
(1)应用专业分析计算软件确定防舞器的技术参数,如:摆角、摆长、总质量等。

(2)防舞器总质量不仅应满足稳定性条件,还应考虑对线路运行张力的影响及安全系数的改变。

(3)根据档内的总质量结合微风振动的需要确定防舞器质量和数量。

(4)防舞器沿档布置可根据“集中与分散相结合”的原则,且结合已有的布置经验进行方案设计,原则上不推荐使用对称分布。

(5)防舞器安装在间隔棒上,确保安装可靠。

设计过程中应注意,防舞方案不仅要起到防舞作用,还应兼顾安装防舞装置后不致引起导线微风振动超标。

因此,需进行微风振动校验,确保线路安全运行;防舞器数量也并非越多越好,在线路设计中,附件过多就存在更大的潜在危险。

以上防舞设计应建立在合理假设、理论计算、防舞经验等基础上,确定防舞器的数量、类型,同时给出合理的线路机械及电气强度,确保线路的安全运行。

5　防舞经验
根据多年的防舞研究,结合已有运行经验,若金具做如下改进后,可更好地起到防舞效果,且具有造
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价低、安装方便等优点。

(1)金具的夹头采用防翻转结构,阻尼关节不在分裂导线平面内,有利于吸收导线微风振动时的能量,金具的夹头中心下移,有利于防止导线翻转。

(2)相间间隔棒金具夹头结构采用绞链式结构,与导线接触处加装阻尼橡胶瓦,这样金具长期运行过程中螺栓不会松动,同时可减少金具对导线的磨损。

(3)金具阻尼关节采用了运行经验丰富的十字轴加胶豆结构,该结构阻尼效果好,其橡胶件只受压缩变形,无剪切力和撕拉应力,可提高金具阻尼元件的寿命。

(4)推荐使用双摆防舞器。

该防舞器是国家电力建设研究所根据稳定性防舞机理研制开发出来的一种可提高系统动力稳定性的一种新型防舞装置。

实践证明,双摆防舞器具有良好的防舞效果,并具有
造价较低、安装方便等优点。

6　结束语
(1)导线舞动常引起导线鞭击、金具磨损、杆塔倾倒、线路跳闸等,给社会带来重大的经济损失,严重威胁输电线路安全运行。

(2)线路防舞措施可分为避舞、抗舞和抑舞3种,一般优先采用避、抗舞,无法实施或效果不佳时才采用抑舞。

(3)导线舞动归根到底是一种动力不稳定现象,防舞就是要提高导线系统的动力稳定度,使原来不稳定的系统转化为稳定系统。

(4)改进金具,可降低磨损、延长金具、导线使用寿命,这也是常见的抑舞措施之一。

(上接第42页
)图4　整体单台结构平波电抗器
受60%～80%的电压(与对地杂散电容以及线圈本体的杂散电容大小有关),这就意味着当雷电冲击波作用在两节串联的电抗器上的时候,第一节线圈将承受绝大部分的电压,所以被击穿的可能性就比较大。

由此说明,在承受雷电冲击能力上,整体单台机构要优于双线圈串联结构。

(2)避免互感影响
如果采用双线圈串联的方案,线圈就不可避免的制作成直径较大、高度较小的形状,这也是该类电抗器设计所独有的特点。

但是这就导致两节线圈之间的互感非常大,经过计算约在10%～15%之间。

互感存在的优点是当两节线圈之间等相位串联的时候,可以节省一定量的成本,但同时不可避免的会扰乱各节线圈的谐波电流在平抗内部的分布,导致损
耗和温升大幅度增加。

而采用整体单台结构则不存在互感的问题,相对于双线圈串联的方案而言大大降低了线圈的谐波性损耗(降为原谐波性损耗的10%),降低了实际运行温升,提高了运行可靠性,延长了电抗器的寿命。

(3)方便现场安装
在工程安装上整体单台结构的平抗要比双线圈串联结构方便得多。

在高空作业时,安装步骤越烦琐,设备安装的正确性和可靠性越差,危险性越大。

将两节线圈串联安装改为单台整体安装,一步到位,减少了事故的发生,同时也降低了安装成本。

根据现场经验表明整体单台结构的平波电抗器安装一天
可以完成,而双线圈串联结构的平抗安装则需要两天。

(4)便于防雨装置的安装
由于500k V 平抗本身电压很高,经计算最大运行方式下设备两端所承受的电压在62k V 左右。

为了防止酸雨以及紫外线照射,可在其上方加装防雨装置。

实践证明,较高电压等级的电抗器在加装防雨装置后运行事故大大降低。

采用整体单台结构的平波电抗器有利于防雨装置充分发挥作用,对线圈进行保护。

而对于双线圈串联结构的平抗而言,由于其中部存在缝隙,如果只在上节加装防雨帽,根本无法达到保护下节线圈的目的。

综上所述,整体单台结构相对于双线圈串联结构的平波电抗器而言更有优势,因此推荐在以后的高压直流工程中采用整体结构的干式平波电抗器。

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