輸電線路覆冰舞動原因分析和治理措施

任勝軍，任嘉浩

(1.中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120；2.北京市第十三中學，北京 100088)

輸電線路覆冰舞動原因分析和治理措施

任勝軍1，任嘉浩2

(1.中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100120；2.北京市第十三中學，北京 100088)

某220 kV線路發(fā)生覆冰舞動現(xiàn)象，引發(fā)輸電線路出現(xiàn)相間短路故障、鐵塔橫擔損壞、金具串及導線落地等嚴重事故。通過查詢事故記錄、現(xiàn)場走訪調(diào)研、理論分析等多種手段綜合分析了此次事故的誘因及機理，并據(jù)此提出了針對性的防治措施，以防止舞動災害的再次發(fā)生，保障輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

輸電線路；舞動；覆冰；防舞裝置

0 引言

舞動是輸電線路導線因覆冰形成非圓截面，在水平方向風作用下誘發(fā)產(chǎn)生的一種低頻、大振幅的自激振動。輸電線路一旦發(fā)生舞動，將造成諸多危害；如果導致線路出現(xiàn)相間故障，將引發(fā)線路跳閘、停運，嚴重時將引發(fā)導線斷股、金具損壞、塔材彎曲、基礎開裂等機械損傷。

舞動的產(chǎn)生與氣象環(huán)境息息相關，雨雪天氣明顯增加的冬季和初春時節(jié)是我國線路舞動災害頻發(fā)的高峰時期。2016-11-20，河北省某200 kV線路發(fā)生覆冰舞動現(xiàn)象，舞動持續(xù)時間超過20 h且幅值較大，導致輸電線路出現(xiàn)相間短路故障，造成線路長時間停運。

1 現(xiàn)場事故情況

2016-11-20T21:18，某線路發(fā)生故障，AB相間短路跳閘，重合閘成功。

2016-11-20T21:28，BC相間短路跳閘，重合閘不成功。

2016-11-21T10:00，經(jīng)現(xiàn)場巡視，線路仍在舞動，不具備送電條件，此時尚未發(fā)生塔材受損、橫擔脫落事故。線路附近多條500 kV，220 kV及110 kV線路亦同時發(fā)生舞動。

2016-11-21T15:00，經(jīng)現(xiàn)場巡視，發(fā)現(xiàn)47號耐張塔外角側(cè)中相導線橫擔部分斷裂；小號側(cè)中相橫擔主材斷裂落地，跳線串及小號側(cè)耐張串落地；46號直線塔右側(cè)中相橫擔扭轉(zhuǎn)變形，橫擔未落地，懸垂串傾斜。

2 線路覆冰舞動的機理

導線覆冰舞動災害是輸電領域的重要問題，迄今為止，已有多國專家學者圍繞覆冰舞動的機理和模型展開了研究。

目前，主流模型有：垂直舞動機理、扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動機理和偏心慣性耦合失穩(wěn)機理。

2.1 垂直舞動機理

垂直舞動模型忽略導線扭轉(zhuǎn)運動，只考慮導線由風激勵產(chǎn)生的升力L和阻力D，其值可表示為：

式中，P為單位長度導線的投影面積(不計覆冰厚度)；V為風速；ρ為空氣密度；CL為升力系數(shù)，可正可負；CD為阻力系數(shù)，總為正值。當出現(xiàn) CL/θ+CD＜0(θ為攻角)時，導線將產(chǎn)生自激振蕩。

2.2 扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動機理

扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動機理兼顧了垂直方向的空氣動力作用和導線的扭轉(zhuǎn)作用。當空氣扭轉(zhuǎn)阻尼是負值且大于導線扭轉(zhuǎn)固有阻尼時，導線將開始自激扭振。一旦滿足式(3)所示條件，則扭轉(zhuǎn)頻率與垂直振動頻率重合，將引發(fā)線路舞動。

式中，αk和ωk分別為導線第k階扭振腹點振幅和圓頻率，V0為與線路走向垂直的水平風速，θ0為初始攻角。

2.3 偏心慣性耦合失穩(wěn)機理

除垂直振動和扭轉(zhuǎn)振動外，覆冰導線還存在偏心慣性。它將引起攻角變化，使相應的升力對橫向振動形成正反饋，加劇橫向振動。此為偏心慣性耦合失穩(wěn)機理，是最全面的模型，分別從垂直、水平和扭轉(zhuǎn)振動3個自由度進行分析，在舞動的仿真模擬、舞動影響因素的定性分析方面具有廣泛的應用。

3 導線覆冰舞動原因分析

導線舞動是一種復雜的流固耦合振動，是多種復雜因素相互作用的結果。針對此次220 kV輸電線路事故情況，通過分析氣象條件、線路結構與參數(shù)、線路所處的地理條件，探究線路舞動的原因。

3.1 氣象條件

覆冰舞動是風和冰聯(lián)合作用后的結果。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次舞動災害發(fā)生時為雨雪大風天氣。事故線路的導線表面有新月形覆冰，覆冰改變了導線的幾何形狀，在導線的一側(cè)形成翼面。當大風來襲時，導線上部的壓力隨氣流速度的增大而減小，與導線下部產(chǎn)生壓差，使得導線同時承受上揚力和水平力的作用。上揚力與導線的自身重力作用引發(fā)導線產(chǎn)生垂直振蕩，又因?qū)Ь€偏心覆冰，進而扭轉(zhuǎn)振蕩；一旦振蕩頻率與導線固有頻率吻合，舞動隨即產(chǎn)生。

3.2 線路結構與參數(shù)

氣象條件可視為導線舞動的外因，而線路自身的結構和參數(shù)則是導線舞動的內(nèi)因。在同樣的外界工況下，輸電線路的檔距、導線分裂數(shù)和導線直徑對導線舞動發(fā)生的概率及幅值有直接影響。對于單根導線，隨著檔距的增大，導線舞動幅值先增加后減小；而對于分裂導線，隨著檔距的增大，舞動幅值隨之增大。導線分裂數(shù)越多、直徑越大，導線扭轉(zhuǎn)剛度則越大，導線上出現(xiàn)不規(guī)則覆冰的概率越大，從而更容易引發(fā)導線舞動。該220 kV輸電線路為2分裂導線，導線型號為JL/LB20A-630/45鋁包鋼芯鋁絞線。

3.3 線路所處地理環(huán)境

此次舞動發(fā)生時風向為東北方向，與線路約成80°夾角。線路所處地帶空曠且地形平緩，風速大且持續(xù)穩(wěn)定，極易形成舞動。

4 線路覆冰舞動的治理措施

此次長時間、大振幅的覆冰舞動對220 kV線路造成了嚴重破壞，因此提供以下應對措施。

4.1 提高線路設計強度

導線舞動會對導線絕緣子串及其連接金具產(chǎn)生較大的沖擊力，極易造成絕緣子及金具的損壞。提高絕緣子、金具的安全系數(shù)，使用雙聯(lián)懸垂串、雙線夾、優(yōu)選預絞式線夾，均可提高絕緣子串的抗舞動性能。

在耐張塔轉(zhuǎn)角內(nèi)外側(cè)均安裝跳線串，可抑制耐張串大幅擺動而牽連跳線的擺動，有利于減小跳線對耐張線夾的往復作用力，從而提高耐張線夾抗疲勞性能，減小跳線發(fā)生風偏放電的幾率。

根據(jù)耐張塔橫擔發(fā)生損壞的情況，橫擔加雙帽可以在舞動情況下有效防止因螺栓松動導致的桿塔破壞現(xiàn)象(事故塔除掛線節(jié)點外其他部位的螺栓未加雙帽)。

4.2 加裝防舞裝置

目前常用的防舞裝置有相間間隔棒、線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、雙擺防舞器、失諧擺及偏心重錘等。此次舞動事故持續(xù)時間長、波及范圍廣，建議加裝相間間隔棒，以減小導線舞動幅度，提高線路抗舞動能力。

4.3 提高鐵塔可靠性

目前應對線路舞動的方式主要有主動防治和被動承受2種。針對被動承受方式，應該整體考慮線路設計的安全系數(shù)。目前線路設計相關部分的安全系數(shù)最薄弱的環(huán)節(jié)往往是鐵塔；如果鐵塔受損，金具、絕緣子及導線或地線也往往會落地，必然導致絕緣子和導地線受到不同程度的損壞。另外，因鐵塔加工周期較長，鐵塔受損將會制約搶修及恢復通電時間，而金具、導線及絕緣子因有備件不限制搶修時間。故從加快恢復通電、減少因停電造成的影響角度出發(fā)，在進行防舞動設計時，應盡可能提高鐵塔的可靠性。

5 結束語

結合事故記錄情況，圍繞氣象條件、線路結構和參數(shù)、線路所處地理環(huán)境等方面分析了此次線路發(fā)生覆冰舞動的原因。依托偏心慣性耦合失穩(wěn)機理，從垂直、水平和扭轉(zhuǎn)振動3個自由度定性分析了舞動的影響因素及對線路的破壞作用力情況。為減少線路因覆冰舞動對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性的影響，從提高線路電氣和機械設計強度、加裝防舞裝置等方面探討了治理和防治措施，保障線路安全穩(wěn)定運行。

1 周四化．輸電線路防舞動治理[J]．電力安全技術，2013，15(6)：57-58.

2 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．

3 李新民，朱寬軍，李軍輝．輸電線路舞動分析及防治方法研究進展[J]．高電壓技術，2011，37(2)：484-490．

4 劉昌盛，劉和志，姜丁尤，等．輸電線路覆冰舞動研究綜述[J]．科學技術與工程，2014，24(14)：156-164．

2016-08-30。

任勝軍(1970-)，男，教授級高級工程師，主要從事輸電線路設計等工作，email：rensj@ncpe.com.cn。

任嘉浩(1999-)，男，高中生，北京市第十三中學在讀。