風致輸電線路故障問題分析

　　摘要：結合了我國有關抗風設計的規程規范，總結了輸電線路在風荷載的影響下，在運行過程中產生的各種故障，如微風振動、舞動、風偏故障、大風故障、次檔距振蕩和桿塔結構疲勞及破壞等。論述了風致輸電線路各種故障的形式、形成原因、以及工程中所采取的措施。
　　關鍵詞：輸電線路 振動 風故障 防護措施
　　中圖分類號:F59 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2011)10(c)-0000-00
　　
　　輸電線路作為重要生命線工程的電力設施，通常情況下，輸電線、桿塔體系具有桿塔體高、跨距大、柔性強等共同特點，其對風荷載的反應敏感，容易發生振動疲勞損傷和極端條件下的動態倒塌破壞。據統計，在各類桿塔倒塌、導線斷股等嚴重事故中，由風引起的比例約占30%。由風荷載引起的輸電線路桿塔的破壞不僅嚴重地影響人們的生產、生活，給社會和人民生命財產造成嚴重的后果，并且需要花費大量的資金和時間修復。
　　
　　1 風致輸電線路故障形式及其產生原因
　　風對線路的危害，除了大風引起倒桿、歪桿、斷線等造成架空電力線路停電事故外，還會因風在較低風速或中等風速情況下引起導線和避雷線振動，發生跳躍，造成碰線、混線閃絡事故，嚴重時會因導線振動造成斷線、倒桿、斷桿事故。工程實際中，由風所引起并造成輸電線路的故障的類型主要有：微風振動、舞動、風偏故障、大風故障、次檔距振蕩和桿塔結構疲勞及破壞等。
　　1.1 微風振動
　　 微風振動是在風速不大的情況下產生的垂直平面內的高頻低輻的振動現象。當架空導線受到風速為0.5～8m/s穩定的橫向均勻風力作用時，在導線的背面將產生上下交替變化的氣流旋渦（又稱卡門旋渦），該渦流的依次出現和脫離使導線在垂直平面內引起激烈振動。當這個交變的激勵頻率與導線的固有頻率相等時，導線將在垂直平面上發生諧振，形成有規律的一上下波浪狀的往復運動，即微風振動[2-5]。
　　微風振動是一種高頻（f=5～100Hz）低幅（A≤導線直徑，有時只有10mm左右）呈駐波型式的振動。微風振動的能量及振幅雖然都不大，但是發生振動的時間卻很長，約占全年時間的30%－50%。懸垂線夾處的導線長期處于這種反復波折的狀態，容易引起導線的耐受疲勞強度降低，導致斷線，金具磨損和桿塔部件損壞等。其所引起的線路疲勞斷股等事故，需要有一個累積時間和過程。一般發現危害是在產生疲勞斷股或防振器毀壞脫落之后，而這時線路危害較重。同時微風振動產生的破壞有一定的隱蔽性。疲勞斷股有時會從導、地線內層開始，從導線外部發現不了，這給巡線工作造成假象。
　　1.2 舞動
　　舞動是指由水平方向的風對非對稱截面線條所產生的升力而引起的一種低頻(頻率約在0.1～3Ｈｚ)、大振幅(振幅約為導線直徑的5～300倍，可達10ｍ)的自激振動。由于導線上的非回轉對稱的翼狀覆冰和不同期脫冰而導致的避雷線的空氣動力特性發生變化而引起的低頻、高振幅的振動現象也可歸結到舞動范圍內[2-3]。
　　 舞動的形成一般在氣溫t=0℃～-7℃，風速v＝5～15m/s，冬季及早春，地處風口地段或者開闊的平原，風向與線路軸向的夾角為45°～90°，海拔較低，氣壓較高的區域。氣壓較高的區域，由于導線在大氣中的比重相對較高，從而使得風易推動導線上下運動，為舞動創造條件。舞動與電壓等級關系不大，各種電壓等級的線路上均發生過舞動。其引起跳閘的次數較多，與覆冰厚度沒有顯著的相關性，與地形、檔距、導線直徑及導線張力之間有一定的關系。
　　舞動使桿塔產生很大的動荷載，危及桿塔及導線的安全。舞動嚴重時，塔身搖晃、耐張塔橫擔順線擺動、扭曲變形、近塔身處聯結螺栓會松動、損壞、脫落等。舞動可使導線相間距離縮短或碰撞而產生閃絡燒傷導線，并引起跳閘。舞動會使金具及部件受損，如間隔棒握線夾頭部松動或折斷，造成間隔棒掉落；懸垂線夾船體移動，聯結螺栓松動、損壞、脫落，防振金具鋼線疲勞、錘頭掉落等。
　　1.3 風偏故障
　　風偏是指輸電線受風力的作用偏離其垂直位置的現象。其容易造成運行線路導線相間放電，導線對桿塔（塔身、橫擔）、邊坡、樹木、凸出的巖石或其它物體放電，進而導致的線路跳閘的故障。一旦發生風偏跳閘，其重合成功率較低，造成線路停運的幾率比較大。
　　風偏故障產生的原因主要有兩個方面的原因：（1）惡劣的氣象條件是造成風偏閃絡事故的誘因，即發生風偏閃絡的本質原因。當輸電線路處于強風等惡劣環境下，此時強風使得絕緣子串向桿塔方向傾斜，減小了導線與桿塔間的空氣間隙距離，有時導線－桿塔空氣間隙之間存在異物（雨滴、冰雹、沙塵等）降低了空氣間隙的電氣強度，當該距離不能滿足絕緣強度要求時便發生放電。（2）設計參數選擇不當是造成風偏事故的根源。線路防風偏設計的主要參數是風偏角，合理選擇風偏角設計參數是保證輸電線路最小空氣間隙滿足規程要求的前提，在易于產生強風的某些微地形區，設計參數選擇不當，一旦形成某些強對流天氣，就會發生風偏故障。
　　1.4 大風故障
　　大風故障，即大風影響輸電線路的正常安全運行。通常由大風造成的故障有兩類：（1）風力超過桿塔的機械強度而發生的桿塔傾斜或歪倒所引起的事故；（2）風力過大使導線承受過大風壓，產生導線擺動以及在空氣紊流作用下導致的導線不同期擺動，從而引起導線之間相互碰撞而造成相間短路、閃絡放電以至引起停電事故。
　　產生大風故障的原因主要有：設計方面—基準設計風速考慮不太合理，設計裕度不足，設計風荷載時未考慮陣風的動力效應等。施工方面—遺留的缺陷未及時處理：如基礎未夯實，拉線夾角不符合要求等。客觀因素—客觀氣象惡劣，風速超過了設計值。運行維護方面—線路缺陷未及時發現或處理等。如塔材被盜未及時發現，基礎埋深不足，卡盤外露等。
　　1.5 次檔距振蕩
　　次檔距振蕩是在采用相分裂導線的線路，在較大風（風速v＝7～20m/s）的情況下發生的兩間隔棒間線段的振蕩現象[6]。當風橫向吹向分裂導線時，氣流速度在迎風側那根子導線的背向渦流區要降低，形成一定的尾流區域，分裂導線中一根或多根子導線就不可避免地處在迎風側子導線形成的尾流中，尾流中的子導線上下方氣流速度會不一樣，按流體動力學原理則將產生升力和阻力，阻力使該子導線作近于水平向的擺動，升力則使該子導線作垂直面上下振動，兩者疊加成橢圓形的振蕩，這就是分裂導線的次檔距振蕩，從而發生在交變的風力作用下的低頻大振幅振動。
　　次檔距振蕩振幅、頻率介于微風振動和舞動之間，一般發生在水平面上，呈橢圓形軌跡。次檔距振蕩會造成同相子導線互相碰撞和鞭擊，使導線碰傷，進而造成阻尼性能差的間隔棒松動、脫離或破斷，以至需要更換造價昂貴的導線和金具。甚至造成導線斷股、短路等惡性事故，嚴重威脅架空導線及金具的運行壽命。
　　桿塔結構疲勞及破壞
　　在風的長期作用下，輸電桿塔會產生振動，長期的風致振動引起桿塔結構疲勞，最終導致桿塔結構破壞，引發倒塔事故。同時，惡劣氣候或者極端天氣會造成輸電桿塔結構和構件的內力超過許用值，引起材料屈服，最終引發倒塔事故。
　　針對我國近些年來高壓輸電線路頻發的事故，國內的研究者做過很多研究。從目前的研究結果來看 ，我國近些年風致事故的主要原因有:(1)客觀上講，全球氣候變化是一個主要原因。由于人類的不合理開發和利用自然資源，使得全球的氣候發生了變化，災害性以及極端天氣呈現出越來越頻繁的趨勢。(2)輸電塔-線體系是一種十分復雜的空間耦聯體系，這種耦合效應使得輸電塔的動力特性和風振響應的評估十分困難、復雜，而我國架空送電線路桿塔結構設計技術規定[7]把輸電桿塔和輸電線分開考慮進行計算，輸電塔的設計僅把輸電線作為荷載考慮，沒有考慮到塔線耦合的相互影響[1]。而輸電塔-線耦聯體系的風振實際測試數據以及試驗數據的相對缺乏，使其抗風研究尚處于初期，無論是災害荷載的作用機理，還是結構體系分析方法、結構設計理論、動力學控制等均存在很多缺陷。(3)高壓輸電桿塔抗風設計標準相對國外設計標準較低。我國對大跨越輸電桿塔抗風設計的重現期為50年一遇的大風，而對于普通的高壓輸電桿塔采用的是30年作為重現周期。而在國際通用線路設計標準IEC 60826中，對于設計風速的重現周期最小都是50年，美國輸電線路結構荷載導則（1991，ASCE）對大風設計風速的重現期分別取50，100，200，400年一遇。
　　
　　
　　2 風致輸電線路故障防護措施
　　2.1 風致導線故障控制措施
　　對于微風振動，目前工程上常用的措施主要有：（1）利用線路上各組成部件本身特性或選用適宜的設計參數，達到減弱或消除導線的微風振動。（2）在導線上安裝有效的消振裝置（防振錘、阻尼線等），振動時，導線帶動消振裝置一起振動，導線的振動能量被消振裝置吸收，降低了導線的振動強度，從而起到對導線的保護作用。（3）在導線上安裝有效的保護措施（護線條、防振線夾等），以保證線路在發生微風振動時不至于引起導線的損傷。
　　對于舞動，目前工程上根據其形成的因素：覆冰及其截面形狀、風速及其風向、導線系統自身參數，著手于與此相應的防舞動措施。從氣象條件考慮，避開易于形成覆冰的區域與線路走向；從機械與電氣的角度，提高線路系統的抵抗舞動的能力；目前的防舞措施主要遵循“避舞”、“抗舞”、“抑舞”的原則。避舞，即在規劃、勘測、設計階段就要充分考慮防舞要求，預先排除舞動發生的外因，靈活機動地采取避舞措施。具體做法如：認真調查氣象資料，合理劃分舞動區，合理選擇路徑和走向，在易覆冰區采取必要的防冰措施。抗舞，即在線路設計和運行時，采取不要的措施來阻抗舞動的產生，減少舞動造成的傷害。具體做法如：合理確定導線在塔頭上布置設計；在強舞動區合理選擇導線和金具；強舞動區內普通檔距的線路可采用雙聯雙線夾以增加線夾出口處導線抗彎強度等。抑舞，即在線路設計運行時，采取必要的措施來抑制舞動的產生。具體做法如下：在線路上安裝相間間隔棒或防舞器（如失諧擺、抑制扭振型防舞器、雙擺防舞器、整體式偏心重錘等），通過改變導線特性起到抑舞的作用；通過各種防覆冰措施來達到抑制舞動的目的；提高導線的運行張力和縮短檔距也能收到抑制舞動的效果。
　　對于風偏故障，目前工程上常用的措施有：（1）優化設計參數，提高安全裕度。在設計階段高度重視微地形氣象資料的收集和區域劃分，根據實際的微地形條件合理提高局部風偏設計。對惡劣氣象頻現的事故多發地區的線路適當增加空氣間隙裕度，以減小線路投運后遇惡劣天氣時出現跳閘的可能性。對現有風偏角計算模型進行修正，考慮風向與水平面不平行與導線擺動時張力變化對風偏角及最小空氣間隙距離的影響。（2）采取針對性防風偏閃絡的措施。運行中，對發生故障的耐張塔跳線串的外角跳線加裝跳線絕緣子和重錘；對發生故障的直線塔的絕緣子串加裝重錘。單串若加重錘達不到要求，可將其改為雙串倒V型，以便加裝雙倍重錘。安裝重錘時應盡量避免在懸垂線夾附近安裝。
　　對于大風故障，目前工程上常用的措施有：（1）設計上：提高桿塔設計的安全系數，增強桿塔，導線等抗風性能。（2）運行維護方面：風季應加強巡查，及時處理線路自身缺陷。特殊地段（如風口、山頂、大檔距、大高差、河水沖刷等地區）的桿塔進行防風強化處理：如加拉線、加固基礎等。（3）嚴格竣工驗收，對施工遺留的缺陷必須及時處理。
　　對于次檔距振蕩，相對來說，國內對次檔距振蕩的研究深度不夠，理論研究也在逐漸完善中，對如何進一步有效的阻止次檔距震蕩的發生仍有很多不足。目前我國分裂導線次檔距振蕩防御主要根據國內外導線舞動的基本原理進行控制[6]，工程上一般采取增大分裂導線的間隔距離，縮短導線次檔距長度，采用不同的導線排列方式，以及采用柔性間隔棒等控制措施。
　　2.2 風致桿塔故障防護措施
　　根據目前的輸電線路運行和管理經驗，對風致輸電桿塔倒塌災害進行了分析和總結，提出以下參考對策。（1）建立相應比較完善的風事故預警體系、應急機制以及故障后快速恢復機制，加強輸電線路風的危險性分析。在已有的災害性風事故的工程數據和研究的基礎上進行全面的分析和風險評估，尤其是對臺風、颮線風等極端強風災害可能造成的輸電線路大面積癱瘓的分析和評估 [4]。（2）積極開展輸電線路的抗風研究，通過對輸電塔-線耦聯體系現場測試以及風洞試驗的相關研究，深入了解輸電線路抗風特性，以計算機輔助模擬，現場風振實測和風洞試驗的數據研究為基礎，進行輸電桿塔抗風的合理化設計方法研究。（3）研究桿塔抗風的新技術，推廣使用先進可靠的桿塔抗風的新裝備來提高輸電線路的風災防御能力。同時，加強相關科研投入力度，與氣象部門充分合作，做好輸電線路在風災發生前的預警工作，發生后的快速恢復工作。
　　
　　3 結語
　　由于近年來，極端的自然災害頻繁發生，而且隨著社會和經濟的發展，越來越多的高電壓等級的輸電線路逐步在勘察、設計、建造中。而輸電線路等級越高，其對風的敏感度就越來越強，風致輸電線路故障的問題也會越來越突出，因此，為保證輸電線路的安全穩定運行，針對各種風致輸電線路故障，要從根本抓起，從線路設計做起，在線路的施工、驗收、運行維護階段，嚴格地按照相關的規程規范進行操作，并根據近年來極端氣候頻發的態勢，進一步增大設計時的安全裕度，有效地防止風對輸電線路的危害。同時，越來越多的工程仿真軟件（如ANSYS、COMSOL等）也在逐步成熟的運用到風荷載對輸電線路的作用的仿真模擬上，對于風對塔線耦合影響的模擬，已經得了很好的效果，為工程實際提供了很重要的參考價值。總之，風致輸電線路故障越來越受到電力部門和學術、工程界的科技工作者的重視。
　　
　　參考文獻
　　[1] 中華人民共和國國家標準. 建筑結構荷載規范（GB50009—2001）北京：中國建筑工業出版社，2002.
　　[2]