架空線斷股原因探析

摘要：輸電線路斷線事故是電力生產中一類惡性事故，架空線斷股將會直接引發斷線事故。尤其是新疆境內很多地區都屬于最大風速為30m/s的多風地帶，所以更容易發生架空線斷股現象。詳盡分析架空線斷股的原因，并提出具體預防措施。為今后的輸電線路防振設計和運行維護提供一些參考。

關鍵詞：架空線；微風振動；斷股；分析

1 研究架空線斷股原因的必要性

架空線斷股不僅影響其導流性能，更重要的是大大降低了它的抗拉強度，直接威脅輸電線路的安全運行。

據統計大多數斷股為架空線微風振動造成的疲勞破壞，常常發生在懸垂線夾、防振錘夾板內等處，更有些在架空線內層，線路巡視人員不易發現，其隱蔽性和危害性很強，常造成巨大的經濟損失和難以預料的事故。

2 微風振動

架空線的微風振動是一種高頻低幅振動，其振幅一般只有架空線直徑的2～3倍，而頻率可高達120Hz以上。據統計一年中產生微風振動的時間約占全年的30～50％。

2．1 受迫振動的產生和策動力的頻率

架空線產生振動的機理可以應用流體力學的“卡門渦列”解釋。當層流風繞過架空線，將在其背面發生分離，產生兩個對稱反向的“漩渦”。當其雷諾數(Re=Vd／γ，其中V為垂直于架空線的風速，d是架空線的直徑，γ是風的運動粘性系數)在l00-2×105之間時，其“漩渦”表現為上下交替，周期性的脫落和有規則的交錯排列，這就是“卡門渦列”(圖1)。

這些“漩渦”的周期性“脫落”，產生了一組周期性的策動力，促使架空線發生周期受迫振動。

該策動力的頻率為fs =SV／d(1)

式中：

fs——策動力的頻率(Hz)

V——層流風垂直架空線的分量(m／s)

S——斯脫羅哈系數，S=0.185-0.21

d——架空線直徑(m)

2．2架空線的固有頻率：

根據理論推導，架空線振動的固有頻率為：

fn-n／21 (2)

式中：

fn——架空線固有頻率(Hz)

l——檔距(m)

T——架空線水平拉力(N)

m——架空線單位質量(kg／m)

n一半波數

可以看出，隨著n(半波數)的變化，架空線的固有頻率不是一個值，而是一組值，當作用于架空線的策動力頻率fs與某一階架空線的固有頻率fn相等或接近時，架空線將產生極為劇烈的共振一微風振動。

2．3架空線振動的能量平衡

在理想的無阻尼狀態下，架空線的振動頻率即為策動力的頻率，跟它固有的頻率無關，振動的振幅保持恒定不變。

而在實際的架空線上，當受迫振動產生后，振動將引起臨近線段的振動，引發架空線波動，使振動的能量向四周輻射。

在這種受迫振動中，一方面架空線因策動力做功而獲得能量，另一方面又由于架空線自身和防振裝置的阻尼作用，而使能量損耗，振幅的大小不僅與策動力的大小有關，而且還跟策動力的頻率以及架空線本身的固有頻率有關。

振動開始時，策動力對架空線作的功往往大于阻尼損耗的能量，總的趨勢是振幅逐漸增大。

但同時阻尼損耗也隨速度而增加，所以當振動加強時，阻尼損耗的能量也要增多。當策動力作功傳遞給架空線的能量，恰好補償架空線和防振裝置阻尼損耗的能量時，架空線的振動能量保持不變，振幅保持穩定，使架空線微風振動成為可能。

根據國際大電網會議工作組推薦的公式，風輸入能量(即策動力對架空線作的功)與頻率的3次方和線徑的4次方成正比。而阻尼功率(即架空線損耗的能量)根據東北電力學院的試驗結論其與振幅的2-2.5次方成正比，與波長的4-4.5次方成反比。同時，新架空線的阻尼功率較大，而運行時間較長，蠕塑伸長已基本穩定的架空線，其阻尼功率只有新線的百分之七十。

2．4 駐波和“拍頻”波的形成

在輸電線路中，耐張桿塔天然性的將架空線分割為多個獨立的振動系統。在同一個耐張段內，直線桿塔又將這個系統分割為多個相互聯系的振動單元。

一般情況下，在一個耐張段(通常為3--5公里)中，層流風的風速變化不是很大，由于“鎖定效應”使得各個振動單元(振動線段)獲得相近或一致的策動力頻率。據統計，架空地線斷股情況，在某一耐張段內的斷股常集中出現在某一根架空線上或一根架空線上某一側的防振錘處。

當這些振動單元(振動線段)沿架空線傳播振波時，在架空線懸掛點處振波發生反射，反射波與原振波迭加，形成駐波，使得振波振幅增大，架空線振動能量增加。

同時，這些具有相近而不盡一致頻率的振波在同向傳播過程中，由于波的干涉作用，將產生“拍頻”波，合振動的振幅發生周期性的、明顯的變化，振波也不是一個頻率而是一組頻率，這與電建所的測試結果是相符的。

3 影響微風振動的主要因素

根據上述對微風振動的機理的分析，可以看出影響微風振動的主要因素一般：有以下幾個方面。

3．1 風速和風向

風是架空線振動的基本因素。根據雷諾數范圍，風速太小或過大都不產生“卡門渦列”。

同時架空線振動與否，與風向也有很大關系。當風向與架空線夾角為45°——_90°時，易于發生振動，小于30°后，基本不發生微風振動。

3．2 架空線直徑

根據式I可知，直徑較小的架空線其振動頻率較高。根據電力部門對其高壓架空線路的實測，當輸入風速為5米／秒時，其架空地線振動頻率達到115赫茲，而導線只有36赫茲。事實也恰恰證明了這一點，在有架空地線的線路上，地線斷股明顯高于導線。

同時根據共振條件fs=fn得出：

SV／d=n/21

即n=2SLV/d

當在同樣的風速情況下，直徑較小的架空線其“半波數”較多，相應其較小的“半波長”較多，對于兼顧最大和最小半波長安裝的防振錘將不能很好的發揮作用，并可能導致其自身損壞。

3．3架空線拉力

3．3．1平均運行應力

架空線的自阻尼特性直接與其平均運行應力相關，應力大，其自阻尼性差，反之則較好。平均運行應力與年平均氣溫直接相關，因此在設計中合理選擇年平均氣溫和平均運行應力上限都很重要。

3．3．2 實際運行應力

輸電線路在實際運行過程中，當架空線應力增大時，將使架空線振動的半波長增大，同時使最大半波長出現的幾率明顯增多，對于兼顧最大和最小半波長安裝的防振錘就不能有效抑制其振動。

3．4防振裝置的消振效果

目前，我國采用的基本防振裝置有Stoekbridge防振錘(FG和FD系列)、阻尼線和護線條等。其中Stoekbridge防振錘是目前應用最為廣泛的防振裝置，它能產生由錘頭自轉的一頻振動和錘頭繞固定點轉動的二頻振動。

設計正確的防振錘，不僅能消耗架空線的振動能量，而且由于它的加入將使架空線振動的頻率和波形發生改變，從而達到減少架空線微風振動幾率的目的。

但在選用防振錘應注意其頻率覆蓋范圍，因為架空線的實際振動是一組“拍頻”波，當防振錘的頻率不能覆蓋架空線實際振動頻率時，就不能有效抑制微風振動的破壞，甚至自身發生損壞。

4 應力集中對架空線斷股的影響

觀察實際線股斷裂處，沒有一般型材拉斷時的“頸縮”，在斷口表面存在著兩個明顯不同的區域，即光滑區域和粗糙區域，具有明顯的疲勞破壞特征。其中，光滑區域是在裂縫擴展過程中，線股承受突變應力作用，經過長時間“研磨”產生的。當裂縫擴展到一定程度時，線股突然斷裂就形成了粗糙區域。因此，在突變應力下線股的疲勞破壞，實質上就是指裂紋的發生、發展和線股最后斷裂的過程，其事先沒有明顯的征兆。根據材料力學的觀點，材料的疲勞持久極限與應力集中關系很大，在突變應力作用下，當其他條件相同時，有應力集中的構件其持久極限較低，首先破壞。在懸垂線夾、防振錘夾板內的架空線除承受軸向拉力外，線股還承受擠壓應力和剪切應力。同時，在突變應力作用下，線股與線夾(夾板)間相對滑動產生摩擦，造成線股表面發熱或損傷，也是影響線股材料持久極限的因素之一。

當架空線突變應力的大小超過一定限度后，經過突變應力多次交替作用后，在線股損傷或有應力集中的部位將產生很細的裂紋，這就是裂紋的起源一裂紋源。在裂紋的尖端有嚴重的應力集中，因而在突變應力的反復作用下導致裂紋的繼續擴展；經過長時間后，隨著裂紋的不斷擴展，線股有效截面積不斷減少，當截面減少到一定限度時，在一個偶然的振動或沖擊下，線股就會沿削弱的截面發生突然斷裂。

可以看出：絕大多數架空線斷股發生在防振錘夾板或懸垂線夾內和該處的應力集中有很大的關系。

5 結論和建議

5．1 結論。根據上述分析得出：架空線在實際運行過程中，首先承受架空線本身的運行應力。在適宜的大氣層流作用下，架空線附近形成“卡門渦列”，產生一組上下循環往復的策動力，使架空線發生周期受迫振動，當其振動頻率與架空線的某一階固有頻率接近時，架空線就會產生長時間(數小時乃至數天)的高頻振動一微風振動，導致架空線在靜態應力和突變應力的共同作用下在應力集中的部位發生疲勞破壞一線股斷裂。

5．2 建議。對于新建線路在路徑容許的情況下，應合理避開微風振動區或適當改變線路走徑(即減小線路方向與風向的夾角)。設計時應根據技術經濟比較，對架空線平均運行應力和最大使用應力適當降低。在條件容許的情況下，應優先選用阻尼特性較好的架空線。應根據振動風速上(下)限和架空線直徑，測算出架空線振動頻率范圍，選配能夠覆蓋上述頻率的防振錘。對于鍍鋅鋼絞線，應在防振錘安裝處預先纏繞一組護線條，以減少此處的應力集中和增加該處鋼絞線剛度。開展現場測試，利用微風振動測試儀對實際運行的架空線進行監測，確定其實際振動頻率(幅值)的范圍和概率，合理選配防振錘和選擇防振錘的安裝距離。

結語。微風振動是一種普遍存在和具有較強隱蔽性的振動，對架空輸電線路造成的破壞是長期積累性的。從二十世紀初開始，世界各國的輸電線路工作者就與之展開了斗爭，并取得了～系列成功的經驗和科學的結論。但實際運行的架空線是受多種因素綜合作用，其振動波形屬于一種非線性振動，目前在試驗室尚不能完全再現，在理論推導上也存在困難。因此，現階段輸電線路防振不能僅僅依靠現行設計，而是具體問題具體對待，積極開展微風振動現場測試，通過大量監測數據的統計分析找到一種真正有效的防振辦法。

“路漫漫兮其修遠兮”，微風振動領域尚有很多研究空白需要填補，期望通過我們不懈的努力和科學實踐經驗的總結，為輸電線路防振工作提供一些有益的參考。

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