500 kV永興線松花江大跨越微風振動在線監測系統應用與研究

劉 洋，李 童，朱學成，付昱瑋，龍 珠

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

隨著電力工業的迅速發展，架空輸電線路的大量新建，架空輸電線路導線、地線和避雷線常常發生強烈的振動，以致造成導線、地線斷股、金具損壞、線間短路等事故，嚴重威脅著輸電線路的安全運行。當導線、地線張力大、懸掛點高、線路檔距長且經過地形開闊地區時，導線、地線最容易產生微風振動，經過江河、湖泊、海峽、山谷等的大跨越，其導線、地線微風振動的問題比較突出。因此，對風致架空輸電線路導線、地線振動機理及其防治方法開展深入研究，對于預防輸電線路疲勞事故，提高線路運行可靠性，減少因停電而造成巨大綜合損失等具有重要的意義[1-4]。本文通過裝設500 kV永興線松花江大跨越導線、地線微風振動在線監測裝置，實現該大跨越微風振動及微氣象遠程實時監測，對其導、地線的運行狀態進行綜合評價，對該大跨越防振體系的優化提供了依據[5-6]。

1 微風振動形成原理

導線、地線微風振動是風的激勵而引起導線、地線振動的一種現象，引起導線、地線振動的風速通常在0.5～10 m/s，振動的雙振幅一般不大于導線、地線直徑的2～3倍，振動的頻率范圍為3～150 Hz，振動的持續時間較長，一般為數小時。

當導線、地線受到穩定的橫向風均勻作用時，在被風面將形成按一定頻率上下交替出現的氣流旋渦，它的依次出現和脫離使導線、地線受到同一頻率的上下交變的沖擊力。該沖擊力的fw與風速和電線直徑有關，根據試驗可按下式計算:

式中:v為垂直于電線的風速，m/s;d為電線的直徑，mm;K 為系數，K=185～210，一般取200。

各點旋渦的脫離是隨機的，故作用在導線、地線上的力沿著電線長度上各點的相位也是隨機的。如果以某一頻率fc振動，且fc與fw相近在±20%以內，則旋渦的脫離受到導、地線振動頻率控制，同時沿導、地線各點脫離，形成同步，結果微風振動開始了，這種現象通常稱為“同步效應”。

2 在線監測系統的構成

2.1 線路概況

500 kV永興線松花江大跨越采用導線4×JLHA1/G3A-250，檔距為 1138 m，地線采用 GJ-180，光纜采用OPGW-180，導線、地線均采用阻尼線和防振錘的聯合防振措施。

2.2 系統構成

大跨越微風振動監測系統由導線、地線振動采集單元、氣象采集單元、太陽能供電系統和數據集中器組成(如圖1所示)，通過無線數據傳輸方式(GPRS/3G)或OPGW專網，將實時采集導線的彎曲振幅、頻率和線路周圍的風速、風向、氣溫、濕度等氣象環境參數。

圖1 微風振動在線監測系統示意圖

2.3 設備安裝布置方案

500 kV永興線松花江大跨越微風振動在線監測系統包括:導線振動監測儀3臺、地線振動監測儀2臺、線路監測基站1臺及氣象環境觀測站1臺。具體安裝布置方案如下:

1)安裝線路監測基站和微氣象環境監測站，位于桿塔橫擔處。

2)安裝導線、地線振動監測儀，如表1所示。

表1 導線和地線振動監測儀安裝位置

3)安裝大跨越在線監測系統。終端設立于黑龍江省電力科學研究院設備狀態評價中心，并與黑龍江省輸變電狀態監測系統集成展示。

3 監測數據分析

數據采集時間為2009年8月4日至2013年10月31日，測量周期為90 d，采集間隔為10 min。

3.1 微氣象監測數據

環境溫度是導致微風振動的一個重要因素，當氣溫較低時，導線弧垂減小，導線張力變大，較易發生微風振動。環境溫度曲線如圖2所示。圖2監測數據表明，監測期間環境溫度變化明顯，特別是進入10月后期，氣溫較低，有利于微風振動的產生。

圖2 環境溫度曲線圖

產生微風振動時的風速通常為0.5～10.0 m/s。系統記錄的風速圖(取10 min平均風速)如圖3所示，監測期間的風速多數為0.5～10.0 m/s，有利于微風振動的產生。

圖3 現場風速曲線圖

通過微氣象風向數據分析，8—9月份風向主要為南北走向(風向為5°左右)，而進入10月份以后，主要為東西走向(風向270°左右)，且500 kV永興線松花江大跨越走向為南北走向，這有利于微風振動的產生。進入10月份后的風向圖如圖4所示。

圖4 10月現場風向圖圖

3.2 微風振動監測數據及分析

各監測點在10月25日之前微風振動數值一直很平穩，穩定在±20左右，均低于導線、地線動彎應變允許值±100 με。進入10月25日以后，隨著氣溫的下降，其中1號、2號和3號阻尼線夾頭處振動最大強度分別為 ±36 με、±36 με 和 ±284 με，3 號的動彎強度已經超過允許值的2倍多。3號測點10月振動幅值如圖5所示。

圖5 3號測點10月振動幅值

3.3 分析結果

微氣象監測數據和微風振動監測數據表明，進入10月份后期，導線、地線受微風振動影響明顯。由于1號、2號測點離導線端部較近，受間隔棒及防振錘的阻尼效果明顯，微風振動影響不大，而3號監測儀安裝上相導線3號阻尼線夾頭處，離檔距端部較遠，隨著氣溫的下降，導線應力接近平均運行張力的上限，加上風速、風向等環境因素的變化，導致導線微風振動幅度過大。鑒于3號測點振動幅值過大，并即將進入冬季，建議運維部門對該大跨越導線阻尼線夾頭和防震錘等進行緊固，防止蠕變等引起握力松弛，影響防振效果。

4 結論

1)輸電線路的微風振動情況因受現場環境、氣象、設計等諸多因素的影響，目前理論分析還處于實驗室模擬階段，僅能為防振設計提供理論指導，大跨越在線監測系統是了解實際振動數據的唯一途徑。

2)隨著檢測技術、信息技術的發展，大跨越等重要輸電線路實施在線振動監測正逐步走向成熟和實用。借助于大跨越在線監測系統積累實時數據，對線路的安全運行、防振設計以及壽命評估都將起到不可替代的作用。

[1]張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊[M].北京:中國電力出版社，1999.

[2]鄭玉琪.架空輸電線微分振動[M].北京:水利電力出版社，1987.

[3]楊玉金.500kV線路大跨越微風振動在線監測[J].安徽電力，2006，23(2):29-32.

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[5]馬建國.高壓架空線路導線微風振動的監測[J].湖北電力，2000，24(4):17-19.

[6]楊立秋，李海花，高玉竹.架空輸電線路微風振動危害分析[J].中國科技信息技術，2008(12):54-55.