四川500 kV輸電線路覆冰冰型觀測及密度測量

陳 靜，林雪松，周林抒(.四川省電力工業調整試驗所，四川 成都 6007； .重慶大學工程力學系 ，重慶 400030)

四川500kV輸電線路覆冰冰型觀測及密度測量

陳 靜1，林雪松1，周林抒2
(1.四川省電力工業調整試驗所，四川 成都 610072； 2.重慶大學工程力學系 ，重慶 400030)

針對四川500kV輸電線路覆冰進行現場冰型觀測和覆冰密度測量，得到冰型和密度基礎數據，為覆冰導線舞動的深入探討和防治方法研究打下了堅實的基礎。

500kV輸電線；覆冰；冰型觀測；覆冰密度測量；覆冰導線舞動

0 引 言

輸電線路導線的舞動是一個長期困擾電網安全運行的難題，導線舞動導致的線路跳閘、傷線、斷線甚至桿塔倒塌等事故造成了重大的經濟損失和社會影響。隨著國家西部能源利用戰略的實施，超、特高壓輸電工程將大規模上馬，對500 kV超特高壓輸電線路的安全運行提出了更高的要求。

2008年年初中國發生了重大冰雪災害，致使承擔電力輸送任務的輸電線大量結冰，在覆冰導線空氣動力特性和舞動特性的雙重作用下，電力系統遭受了前所未有的嚴重破壞，嚴重影響了人民生活和經濟發展。因此對覆冰導線的舞動觀測，為其防治方法研究的深入開展就更加迫切和重要。

導線覆冰舞動問題的研究是一個復雜的系統工程，要從理論和實踐徹底解決舞動問題，還需要進行大量的工作，包括機理研究、基本參數試驗與測定以及工程實踐等。因地理環境和氣候條件的差異，各地覆冰導線的冰型和密度也不同。覆冰導線的冰型和密度的觀測 ,為覆冰導線基本參數的實驗提供必要的參數。

1 導線舞動機理

輸電導線舞動是指風激勵下導線所產生的一種低頻、大振幅的自激振動，多發生在寒冬偏心覆冰的輸電導線上。其形成主要取決于導線覆冰、風激勵及線路結構參數等[1]。

圖1 三自由度集中參數系統模型

影響覆冰導線舞動的主要因素有3個：覆冰、風和線路結構,目前被廣泛接受的舞動機理理論主要有Den Hartog垂直舞動機理[2]、Nigol扭轉舞動機理[3]和Yu的偏心慣性耦合機理[4]。覆冰導線在風激勵下，豎向振動與扭轉振動并不是孤立的，而是相互耦合的。上述3種舞動機理都可以理論上通過式(1)三自由度導線振動及扭轉振動的運動方程得出[5]。式(1)～式(3)中導線升力、阻力、扭矩系數和覆冰質量等基本參數需通過實驗得到。而這些空氣動力學參數與覆冰導線的冰型和密度密切相關，因此對覆冰導線的冰型和密度的觀測，對于研究具體工程線路導線覆冰導線舞動問題，從工程實踐上預防和防止導線舞動而言是一項必要的基礎性工作。

my··+[2mζyωy+12ρU2D?CL?θ+CD]y·+kyy

=-mircosθ0θ··-12ρu2DCy1Udzdt+12ρu2DCy?Cy?θ

(1)

mz··+2mζzωz+12ρU2DCD1Uz·+kzZ

=-mirsinθ0θ··+12ρU2D?CD?θθ

(2)

Jθ··+2Jζθωθ+12ρU2D2?CMR?θUθ·+

kθ-12ρU2D2?CM?θ-mirgsinθ0θ

=-mircosθ0y··-mirsinθ0z··-12ρU2D2CM1Uz·

(3)

式中，θ和θ0分別為扭轉角和初始凝冰角；m和mi分別為單位長度導線質量和覆冰質量；J為單位長度導線的等效轉動慣量；ζy、ζz、ζθ分別為導線豎向、橫向、扭轉方向的阻尼比；ky、kz、kθ分別為導線豎向、橫向、扭轉方向的等效彈簧剛度；ωy、ωz、ωθ分別為導線豎向、橫向、扭轉方向的振動頻率；CL、CD、CM分別為導線升力、阻力、扭矩系數；U和D分別為風速度和迎風尺寸；r為導線半徑；Cy為豎向風載荷系數；R是特征半徑。

2 導線覆冰條件及類型

導線上要形成覆冰，必須具備3個條件：(1)空氣濕度比較大，一般為85%以上，干雪不易凝結在導線上，雨凇、凍雨或雨加雪是導線覆冰常見的氣候條件；(2)合適的溫度，一般為0～-5 ℃，溫度過高或過低均不利于導線覆冰；(3)可使空氣中水滴運動的風速，一般大于1 m/s。當空氣相對濕度小或無風、風速很小時，即使空氣溫度在0 ℃以下，也不能形成覆冰。

研究表明[2]：在氣溫為-8 ℃～-11 ℃，雨量較少的情況下，由于細小水滴與試件表面一觸即凝，易形成典型的新月形覆冰，如圖2(a)所示；而當氣溫較高，雨量較大時，水滴到達試件表面時達不到一觸即凝，此時，如風速較低，則形成典型的扇形覆冰，如圖2(b)所示；若風速較低，則在水滴未凝結之前，被風推擠而形成近似D形的覆冰，如圖2(c)所示。新月形截面最容易引起導線的氣動力失穩，導致導線的低頻大幅舞動。

圖2 典型覆冰截面形狀

3 現場覆冰觀測

2008年對四川西昌市美姑縣大風頂西昌七里壩二普1線、昭覺大壩鄉瓦布村二普3線、美姑瓦侯大風頂普洪I、II回線、黃毛梗普天線、普洪I、II回線、馬邊縣和峨邊縣對普洪I、II回線路建立觀測站并安裝攝像頭，現場記錄了500 kV四分裂導線的覆冰情況并對導線覆冰密度進行了測量。

4 覆冰冰型觀測

這次冰型觀測線路為西昌七里壩二普1線、昭覺大壩鄉瓦布村二普3線、美姑瓦侯大風頂普洪I、II回線、黃毛梗普天線、普洪I、II回線、馬邊縣和峨邊縣對普洪I、II回線路7條線路，每條線路根據地貌不同分別采集樣本現場進行觀測。發現四川西昌所觀測到的500 kV覆冰冰型主要有新月形和扇形(D型)兩種。圖3樣本1所示可以視為新月形覆冰，可簡化為規則的新月形覆冰模型。圖3樣本2所示可以視為扇形覆冰，可簡化為規則的扇形覆冰模型。

樣本1 樣本2圖3 西昌地區導線覆冰冰型樣本

5 覆冰密度測量

5.1 測量步驟

2008年1月23日，項目組成員曾前往西昌美姑縣大風頂和黃毛梗對500 kV線路覆冰進行了觀測。該地區為山區，平均海拔為2 200 m，最高海拔為3 400 m。該地區濕度高，風速適宜，嚴冬期間輸電導線非常容易覆冰，屬于輸電線路中冰區，500 kV普洪I、II回輸電線路，以及普天500 kV輸電線路均經過該地區。這次重點觀測了普天500 kV四分裂線路導線覆冰情況。觀測區域線路設計覆冰厚度為20 mm，最大檔距為1 100 m，線路平均高度為20～25 m。輸電子導線采用LGJ-400/50鋼筋鋁絞線，地線采用19-13.0-1270-A-GB1200-88型號導線。間隔棒采用加拿大進口的ZL4型間隔棒。觀測該種間隔棒專用于重冰區的分裂導線，觀測時環境溫度為-10 ℃。

覆冰采樣地點：西昌市美姑縣大風頂。

采樣地海拔高度：3 000 m。

采樣和測量時間：2008年1月23日10點。

采樣時環境溫度：-10 ℃。

采樣線路：普天500 kV四分裂線路。

5.2 測量原理

為測量覆冰的密度，應先測量覆冰的體積。測量覆冰體積的實用方法是 “排液法”。即將覆冰放進與冰不相融的液體中，如四氯化碳、石油醚等。測量覆冰排出的液體體積即得覆冰的體積。覆冰的質量用高精度電子天平很容易測量，最后按下述公式即可計算出導線覆冰的密度。

ρ冰=m冰v2-v1

(4)

式中，m冰為覆冰的質量；v1為液體的原始體積；v2為放入覆冰后液體的體積。

5.3 測量結果

對該區域大風頂普洪I、II回線500 kv輸電導線覆冰截面形狀進行定量分析。測量時選取了10塊覆冰樣塊，每個樣塊分別進行了3次測量，測量結果見表1，經測量該段線路導線覆冰密度平均值為0.856 g/cm3，導線覆冰的形狀多為新月形型，屬于B型混合淞。

6 結 論

對四川西昌地區多條500 kV輸電線路的覆冰情況進行了現場調研和測量，對線路覆冰冰型和覆冰厚度進行了觀測，根據現場取樣觀測的情況，發現四川西昌所觀測到的500 kV覆冰冰型主要有新月形和扇形(D型)兩種，在導線上覆冰的分布較均勻，在地勢較寬敞平坦的地方，由于濕度和風速等比較均勻，導線上覆冰形狀相對比較規則。對覆冰的密度測量表明該區域覆冰為B型混合淞。由于新月形截面最容易引起導線的氣動力失穩，導致導線的低頻大幅舞動，該地區在線路設計上應對覆冰導線舞動的預防和防治上應重點加以考慮。同時觀測結果能夠為四分裂覆冰導線氣動特性研究提供必要的試驗參數。

表1 導線覆冰密度的平均值

[1] 郭應龍，李國興，尤傳永.輸電線路舞動[M].北京：中國電力出版社，2003.

[2] O.Nigol， P.G.Buchan. Conductor Galloping .1.Den Hartog Mechanism[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and systems，1981， 100(2):699-707.

[3] O.Nigol， P.G.Buchan. Conductor Galloping .2.Torsional Mechanism[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and systems，1981， 100(2):708-720.

[4] P.Yu，A.H.Shah，N.Popplewell. Inertially Coupled Galloping of Iced Conductors[J]. Journal of Applied Mechanics-transactions of the ASME， 1992，59(1):140-145.

[5] 夏正春.特高壓輸電線的覆冰舞動及脫冰跳躍研究[D].武漢：華中科技大學，2008.

Aiming at the ice accretion of 500 kV transmission lines in Sichuan, the on-site ice-type observation and icing density measurement are carried out, and the basic data of ice type and density are obtained, which lays a solid foundation for the further discussion on iced conductor galloping and the research on its precautionary measures.

500 kV transmission line; ice accretion; ice-type observation; icing density measurement; iced conductor galloping

TM732

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1003-6954(2015)02-0019-03

2014-12-08)