500 kV永興線(xiàn)松花江大跨越微風(fēng)振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用與研究

劉 洋，李 童，朱學(xué)成，付昱瑋，龍 珠

(1.黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030;2.華北電力大學(xué)，北京102206;3.黑龍江省電力勘察設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150078)

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，架空輸電線(xiàn)路的大量新建，架空輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)和避雷線(xiàn)常常發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，以致造成導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)斷股、金具損壞、線(xiàn)間短路等事故，嚴(yán)重威脅著輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)張力大、懸掛點(diǎn)高、線(xiàn)路檔距長(zhǎng)且經(jīng)過(guò)地形開(kāi)闊地區(qū)時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)最容易產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)，經(jīng)過(guò)江河、湖泊、海峽、山谷等的大跨越，其導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)的問(wèn)題比較突出。因此，對(duì)風(fēng)致架空輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)振動(dòng)機(jī)理及其防治方法開(kāi)展深入研究，對(duì)于預(yù)防輸電線(xiàn)路疲勞事故，提高線(xiàn)路運(yùn)行可靠性，減少因停電而造成巨大綜合損失等具有重要的意義[1-4]。本文通過(guò)裝設(shè)500 kV永興線(xiàn)松花江大跨越導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)該大跨越微風(fēng)振動(dòng)及微氣象遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)其導(dǎo)、地線(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)該大跨越防振體系的優(yōu)化提供了依據(jù)[5-6]。

1 微風(fēng)振動(dòng)形成原理

導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)是風(fēng)的激勵(lì)而引起導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)振動(dòng)的一種現(xiàn)象，引起導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)振動(dòng)的風(fēng)速通常在0.5～10 m/s，振動(dòng)的雙振幅一般不大于導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)直徑的2～3倍，振動(dòng)的頻率范圍為3～150 Hz，振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般為數(shù)小時(shí)。

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)受到穩(wěn)定的橫向風(fēng)均勻作用時(shí)，在被風(fēng)面將形成按一定頻率上下交替出現(xiàn)的氣流旋渦，它的依次出現(xiàn)和脫離使導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)受到同一頻率的上下交變的沖擊力。該沖擊力的fw與風(fēng)速和電線(xiàn)直徑有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)可按下式計(jì)算:

式中:v為垂直于電線(xiàn)的風(fēng)速，m/s;d為電線(xiàn)的直徑，mm;K 為系數(shù)，K=185～210，一般取200。

各點(diǎn)旋渦的脫離是隨機(jī)的，故作用在導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)上的力沿著電線(xiàn)長(zhǎng)度上各點(diǎn)的相位也是隨機(jī)的。如果以某一頻率fc振動(dòng)，且fc與fw相近在±20%以?xún)?nèi)，則旋渦的脫離受到導(dǎo)、地線(xiàn)振動(dòng)頻率控制，同時(shí)沿導(dǎo)、地線(xiàn)各點(diǎn)脫離，形成同步，結(jié)果微風(fēng)振動(dòng)開(kāi)始了，這種現(xiàn)象通常稱(chēng)為“同步效應(yīng)”。

2 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 線(xiàn)路概況

500 kV永興線(xiàn)松花江大跨越采用導(dǎo)線(xiàn)4×JLHA1/G3A-250，檔距為 1138 m，地線(xiàn)采用 GJ-180，光纜采用OPGW-180，導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)均采用阻尼線(xiàn)和防振錘的聯(lián)合防振措施。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

大跨越微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)振動(dòng)采集單元、氣象采集單元、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)集中器組成(如圖1所示)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸方式(GPRS/3G)或OPGW專(zhuān)網(wǎng)，將實(shí)時(shí)采集導(dǎo)線(xiàn)的彎曲振幅、頻率和線(xiàn)路周?chē)娘L(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度等氣象環(huán)境參數(shù)。

圖1 微風(fēng)振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.3 設(shè)備安裝布置方案

500 kV永興線(xiàn)松花江大跨越微風(fēng)振動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括:導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀3臺(tái)、地線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀2臺(tái)、線(xiàn)路監(jiān)測(cè)基站1臺(tái)及氣象環(huán)境觀測(cè)站1臺(tái)。具體安裝布置方案如下:

1)安裝線(xiàn)路監(jiān)測(cè)基站和微氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)站，位于桿塔橫擔(dān)處。

2)安裝導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，如表1所示。

表1 導(dǎo)線(xiàn)和地線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀安裝位置

3)安裝大跨越在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。終端設(shè)立于黑龍江省電力科學(xué)研究院設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)中心，并與黑龍江省輸變電狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成展示。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2009年8月4日至2013年10月31日，測(cè)量周期為90 d，采集間隔為10 min。

3.1 微氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

環(huán)境溫度是導(dǎo)致微風(fēng)振動(dòng)的一個(gè)重要因素，當(dāng)氣溫較低時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)弧垂減小，導(dǎo)線(xiàn)張力變大，較易發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)。環(huán)境溫度曲線(xiàn)如圖2所示。圖2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，監(jiān)測(cè)期間環(huán)境溫度變化明顯，特別是進(jìn)入10月后期，氣溫較低，有利于微風(fēng)振動(dòng)的產(chǎn)生。

圖2 環(huán)境溫度曲線(xiàn)圖

產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)時(shí)的風(fēng)速通常為0.5～10.0 m/s。系統(tǒng)記錄的風(fēng)速圖(取10 min平均風(fēng)速)如圖3所示，監(jiān)測(cè)期間的風(fēng)速多數(shù)為0.5～10.0 m/s，有利于微風(fēng)振動(dòng)的產(chǎn)生。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速曲線(xiàn)圖

通過(guò)微氣象風(fēng)向數(shù)據(jù)分析，8—9月份風(fēng)向主要為南北走向(風(fēng)向?yàn)?°左右)，而進(jìn)入10月份以后，主要為東西走向(風(fēng)向270°左右)，且500 kV永興線(xiàn)松花江大跨越走向?yàn)槟媳弊呦颍@有利于微風(fēng)振動(dòng)的產(chǎn)生。進(jìn)入10月份后的風(fēng)向圖如圖4所示。

圖4 10月現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向圖圖

3.2 微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在10月25日之前微風(fēng)振動(dòng)數(shù)值一直很平穩(wěn)，穩(wěn)定在±20左右，均低于導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)動(dòng)彎應(yīng)變?cè)试S值±100 με。進(jìn)入10月25日以后，隨著氣溫的下降，其中1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)阻尼線(xiàn)夾頭處振動(dòng)最大強(qiáng)度分別為 ±36 με、±36 με 和 ±284 με，3 號(hào)的動(dòng)彎強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)允許值的2倍多。3號(hào)測(cè)點(diǎn)10月振動(dòng)幅值如圖5所示。

圖5 3號(hào)測(cè)點(diǎn)10月振動(dòng)幅值

3.3 分析結(jié)果

微氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)入10月份后期，導(dǎo)線(xiàn)、地線(xiàn)受微風(fēng)振動(dòng)影響明顯。由于1號(hào)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)離導(dǎo)線(xiàn)端部較近，受間隔棒及防振錘的阻尼效果明顯，微風(fēng)振動(dòng)影響不大，而3號(hào)監(jiān)測(cè)儀安裝上相導(dǎo)線(xiàn)3號(hào)阻尼線(xiàn)夾頭處，離檔距端部較遠(yuǎn)，隨著氣溫的下降，導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)力接近平均運(yùn)行張力的上限，加上風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境因素的變化，導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)幅度過(guò)大。鑒于3號(hào)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值過(guò)大，并即將進(jìn)入冬季，建議運(yùn)維部門(mén)對(duì)該大跨越導(dǎo)線(xiàn)阻尼線(xiàn)夾頭和防震錘等進(jìn)行緊固，防止蠕變等引起握力松弛，影響防振效果。

4 結(jié)論

1)輸電線(xiàn)路的微風(fēng)振動(dòng)情況因受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、氣象、設(shè)計(jì)等諸多因素的影響，目前理論分析還處于實(shí)驗(yàn)室模擬階段，僅能為防振設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，大跨越在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是了解實(shí)際振動(dòng)數(shù)據(jù)的唯一途徑。

2)隨著檢測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，大跨越等重要輸電線(xiàn)路實(shí)施在線(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)正逐步走向成熟和實(shí)用。借助于大跨越在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)積累實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)線(xiàn)路的安全運(yùn)行、防振設(shè)計(jì)以及壽命評(píng)估都將起到不可替代的作用。

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