輸電導線舞動在線監測

李路 等

摘要：開展輸電導線狀態檢修工作即是現代高可靠性電網發展的必然要求，也是輸電線路管理水平不斷提高的要求，本文首先對狀態檢修進行了全面的介紹。其中在線監測是狀態檢修中的一種重要方法，本文介紹了在線監測的技術和方法以及其必要性等其系統構成。近年來，架空輸電線路的舞動在線監測技術取得了長足的發展。介紹導線舞動造成的危害、舞動的產生機理和監測方式以及導線舞動在線監測技術國內外的應用現狀和發展趨勢。

關鍵詞：狀態檢修 在線監測 舞動

0 引言

由于在一定的氣象條件下，導線舞動經常發生，世界各國都有輸電導線的記錄，因此導線舞動很早就引起人們的注意，并且對導線舞動進行深入的研究具有重大的工程及學術價值，對他的研究涉及空氣動力，懸索振動，氣固耦合，氣象研究等學科，是一門多學科的綜合課題。我國是世界上導線舞動多發區之一，根據有關資料，在我國9個典型氣象區中，其中有8個氣象區有覆冰條件。且覆冰厚度可達3mm以上，因而都有可能發生舞動。

1 狀態檢修

所謂狀態檢修是指通過監測設備的狀態，按照設備的健康狀態對設備進行檢查或維修。因此，對設備進行檢修時間與部位，通過狀態檢修根據設備的實際運行狀態進行確定，一般具有較強的針對性，并且經濟合理。其特點主要表現為：設備檢修依據設備當前的運行狀態，不是設備的使用時間；通過先進的診斷手段實施狀態監測，以及借助評價手段和壽命預測手段等，對設備的狀態進行判斷，對設備故障的早期征兆進行識別，同時判斷故障部位、嚴重程度、故障發展趨勢等，并對診斷結果進行分析，當設備性能下降或者故障將要發生之前主動實施維修。

2 輸電線路綜合在線監測及其應用

2.1 輸電線路覆冰監測與預警系統

受氣候＼微地形、微氣象等因素的影響，我國冰災事故頻繁發生，造成導線覆冰，進一步發生導線舞動。2004年12月一場歷史上罕見的天氣突襲湖南，當地電網在持續的、大強度冰凍的影響下，經受有史以來最嚴峻的考驗，電力線路冰閃跳閘和倒塔斷線事故先后多次發生：3條500kV線路因不堪重負，其中倒塔24基，變形3基；6條220kV線路倒塔18基，變形9基；其它電壓等級線路也遭到不同程度的破壞。2008年一月份我國南方地區出現大面積嚴重雪災，導致線路桿塔倒塌情況嚴重，國家電網和南方電網共有三萬條輸電線路和兩千多個變電站停運，嚴重影響了輸電網的正常運行，造成了非常重大的經濟損失和社會影響。

目前輸電線路覆冰和舞動的理論研究已經較為深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在實際應用方面，無論是設立觀測站，還是定期采集數據，都不夠及時，目前輸電線路覆冰和舞動的理論研究已經較為深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在實際應用方面，無論是設立觀測站，還是定期采集數據，都不夠及時，而且往往很不夠經濟，滿足不了輸電線在線監測系統實時性和可靠性的要求。

為了解決導線覆冰監測問題，一些研究機構和相關公司開發了覆冰監測預警系統，為防冰和除冰工作提供技術和數據支持。該系統主要通過綜合監測輸電通道微氣候狀況、導地線的張力、傾角等力學參數、導線溫度、絕緣子泄漏電流，結合現場圖像監視判斷輸電線路的覆冰狀況。當前，南方電網公司正在建設輸電線路災害（覆冰）預警系統；國家電網公司也開始著手建立區域性的輸電線路覆冰在線監測系統。

2.2 動態提高輸電線路輸送容量（DLR：Dynamic Line Rating）

目前架空輸電線路的熱容量極限值是基于惡劣的氣象條件，為維持線路對地安全距離而得出的。實際上在絕大多數氣象條件下，提高線路最大輸送容量，不會造成導線溫度超標，并且仍能維持導線對地的安全距離。DLR系統通過線路運行狀態監測實時確定線路的熱容量極限值，能夠在原有線路走廊上，利用原有桿塔，提高電網輸送能力，節約輸電走廊，提高原有線路的利用率。

目前應用的DLR技術主要基于以下幾種狀態監測量：微氣候監測；直接測量導線溫度；直接測量弧垂；導線張力測量。其中張力測量的方法監測耐張段的導線張力，反映了整個耐張段內各個檔距的弧垂和平均溫度，計算結果最為穩定和準確。美國電科院和Valley公司開發的CAT-1系統已在多條線路上運行，提高了輸電容量10%～20%，取得了很好的效果。國內華東電網公司、上海交通大學等單位也在進行動態提高輸電容量的研究，自主研發的系統已在現場安裝試運行。

3 輸電導線舞動的概念及形成因素

輸電導線發生舞動時，非圓截面導線受風的影響，進一步產生一種低頻（約為0.1～3Hz）、大振幅的自激振動，其振幅甚至可以達到導線直徑的5～300倍。在寒冬偏心覆冰的輸電線上容易發生導線舞動，通常情況下，由于振動峰值甚至超過10米，造成相間閃絡，損壞金具，進一步造成線路跳閘停電，或者造成導線燒傷、桿塔倒塌等，甚至折斷導線等，造成重大經濟損失。因此，導線舞動直接威脅到輸電線路，尤其是超高壓，大跨越線路的輸電安全。

形成舞動的因素主要包括：覆冰、導線的結構參數和風激勵。氣溫，降雨及地理環境等因素決定覆冰狀況，具有較強的隨機性，并且與風速隨機結合，進而產生諸多隨機性因素。另外，輸電導線作為一根或一組懸垂柔性體，其結構及振動狀態通常情況下表現出很強的非線性。由此可見，輸電導線舞動是一種由流體誘發的隨機的非線性振動，是一種流體與固體的耦合振動。導線舞動的形成因素如下：

3.1 導線覆冰的影響

通常情況下，在覆冰雪厚度在2.5～48mm.導線上容易發生舞動，形成覆冰需具備的條件，主要包括：①空氣濕度在90%～95%較大，干雪和雨凇，導線覆冰常見的氣候條件是凍雨或雨夾雪；②0～5攝氏度是最為合適的溫度，過高或過低的溫度都不利于導線覆冰；③空氣中水滴運動的風速一般大于1m/s。

3.2 風激勵的影響

形成舞動，一方面需要覆冰，另一方面需要穩定的層流風激勵。當舞動風速為4～20m/s，當主導風向與導線的夾角超過45度，這時導線容易發生舞動，并且夾角越接近90度，發生舞動的可能性就越大。

3.3 線路結構與參數的影響

3.3.1 導線直徑的影響

對于截面積較大的導線來說，通常情況下容易產生舞動。這時因為，導線的截面越大，其扭轉剛度就越大，進而在偏心覆冰后自身扭轉難以產生，在同一方向堆積更多的覆冰層，進一步增加了導線迎風面與背風面之間的冰層厚度差。從表1.1的數據也大致可以看出這種趨勢。

3.3.2 地形與地勢的影響

與山區或丘陵地區相比，平原開闊地區容易發生導線舞動，無論從風速還是空氣的流態來說，平原與開闊地區有利于形成舞動。

4 輸電導線舞動的危害及防舞措施

4.1 導線舞動的危害

①對于耐張塔的主材接點和橫擔來說，在舞動的影響下，容易使緊固螺栓松扣、磨損，甚至剪斷，影響鐵塔受力；②在舞動的影響下，損壞原有的內部絕緣或者導致絕緣子鋼腳發生破裂，造成停電；③損傷導線或磨損導線金具，造成導線斷線。

4.2 導線舞動成因分析

4.2.1 導線舞動使得導線迎風表面覆冰增加。造成導線外形發生改變，在風力的作用下，升力和扭距出現，進一步使導線產生更大的張力和反向扭轉，從而產生越來越大的跳動（即舞動）。

4.2.2 外界因素是覆冰、風速和一定角的風。①我國雖地域遼闊，導線舞動主要發生在秋末冬初或冬末春初。②在降雨、雨夾雪天氣，氣溫多為零上向零下變化之間容易發生導線舞動。③導線覆冰。④風速風向。⑤導線截面與舞動無關，從50～500mm，都發生過。

4.3 防舞措施

4.3.1 選擇路徑，避開容易發生導線舞動的氣象區。覆冰雪是引起導線舞動的一個基本因素，因此在選擇路徑時，應該盡量避開覆冰雪地區。

4.3.2 防止導線覆冰。第一種方法是加大導線通過的電流，以防止或融化導線上的覆冰。第二種方法是采用特殊結構導線。

4.3.3 限制導線的舞動范圍，對塔頭上的布置設計進行調整。但是，增大塔頭尺寸，線路的造價必然會提高，通過這種方法進行處理，并不能有效地避免舞動的發生，因此不是一種積極的防治舞動的方法。

4.3.4 采用機械方法防止舞動，采用相間間隔棒，自阻尼導線，阻尼器，失諧裝置，擾流線等機械方法防止導線的舞動。但由于導線舞動受多種隨機因素的影響，各種放舞技術與手段都有其一定的局限性，應當根據當地的地理環境以及輸電線路的情況等因素，根據防舞裝置的特點選擇合適的防舞措施。

5 輸電導線舞動的機理及在線監測技術

5.1 輸電導線舞動機理基礎

當流體從結構物外面流過時，通常情況下會對結構物產生一個激勵。激勵的大小和性質與結構的斷面形狀，以及流體的性質，流動的方向等因素有關。

5.2 在線監測技術

5.2.1 卡門渦（或稱漩渦脫落）振動。由于流體繞流過結構物面，在結構物的后方形成漩渦，當漩渦從結構物的兩側交替脫落時，便作用于結構物一個交變的周期激勵力，引起結構物周期性的振動。漩渦脫落的主導頻率為：

F=Sv/D

式中：f為主導頻率，Hz；v為自有流速度，m/s；D為結構物垂直于流速方向的寬度，對于輸電導線，為導線直徑；S為斯特勞哈爾數，圓柱體為0.2，對于其他斷面為0.17～1.10。

5.2.2 馳振。馳振是由于流體以較高速度流過非圓斷面的結構物表面所引起的一種自激振動。

6 存在的問題及研究方向

①實際上由于地形，地貌，地面植被，建筑物的摩擦作用，近地面的空氣流動呈湍流狀態。②目前人們就檔距對導線舞動影響持有不同觀點。③目前尚無十分完善能解釋各類舞動現象的舞動機理的提出。④許多防舞裝置的設計尚不完善，防舞效果不理想。⑤目前導線舞動的理論及舞動試驗研究工作開展不夠，許多風洞無法開展的舞動研究需要試驗線路，但建設試驗線路經費較大，目前難以實現。

參考文獻：

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[3]呂翼.覆冰導線氣動力特性的數值模擬研究[D].浙江大學，2008（05）.

作者簡介：李路（1986-），男，山西太原人，2010年畢業于太原理工大學電氣工程及其自動化專業，助理工程師；李昊陽（1988-），男，山西太原人，2010年畢業于山西大學法律專業，助理工程師。