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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