輸電線路導(dǎo)線覆冰舞動機(jī)理的討論與研究

彭永洪 馬強(qiáng) 田興瑞

摘 要：通過物體的流體將引起顫動、卡門渦和馳振三種振動。其中卡門渦、馳振是輸電導(dǎo)線中兩種常見的振動。其特性是由空氣中對流的速度和導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)決定。馳振在輸電導(dǎo)線中特稱舞動。

關(guān)鍵詞：輸電線路導(dǎo)線；舞動

當(dāng)流體流過物體的表面時會產(chǎn)生激勵。則會導(dǎo)致物體振動。流體的速度、性質(zhì)、流動方向、物體截面積形狀等因素將影響激勵的大小、性質(zhì)。通過物體的流體將引起顫動、卡門渦和馳振三種振動。其中卡門渦、馳振是輸電導(dǎo)線中兩種常見的振動。其特性是由空氣中對流的速度和導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)決定。馳振在輸電導(dǎo)線中特稱舞動。

1 舞動概念和形態(tài)

導(dǎo)線在風(fēng)和覆冰的條件下、形成非圓截面的覆冰，進(jìn)而形成大幅度和低頻率的振蕩，叫自激振動。通常在0.1～3HZ以內(nèi)，振幅相當(dāng)于對應(yīng)導(dǎo)線直徑的5～250倍左右。輸電導(dǎo)線的覆冰橫截面常為翼狀形，在風(fēng)和冰的激勵作用下，會產(chǎn)生低階大振幅的共振，若發(fā)生在架空高壓輸電線路上，則大跨越檔距導(dǎo)線舞動的幅度有可能會達(dá)到數(shù)十米，正是因為覆冰導(dǎo)線振動起來像龍舞，所以稱之為舞動。覆冰導(dǎo)線的舞動是一種頻率低、振動幅度大，舞動形態(tài)不規(guī)則，一般表現(xiàn)為三種：（1）橫向振動。（2）繞兩端輸電桿塔的固定點自由擺動，這個主要發(fā)生在大跨越檔間的導(dǎo)線。（3）導(dǎo)線繞著覆冰輸電線路的軸線的自我扭轉(zhuǎn)振動。

2 覆冰導(dǎo)線舞動形成因素

覆冰輸電導(dǎo)線舞動是流體耦合振動中較復(fù)雜的一種，影響導(dǎo)線舞動的因素很多，但常見的有以下三種：導(dǎo)線覆冰、風(fēng)的激勵和線路自身因素。

1）導(dǎo)線覆冰。輸電導(dǎo)線的舞動常發(fā)生在2～50mm覆冰厚度的導(dǎo)線上，導(dǎo)線覆冰形成有三個必備條件：a.空氣濕度在85%以上；b.溫度在-5～0℃之間；c.風(fēng)速大于1m/s。2）風(fēng)的激勵。穩(wěn)定的風(fēng)激勵也是形成舞動的必要因素，在冬季，冷暖氣流的交匯，較強(qiáng)的風(fēng)力，是導(dǎo)線舞動更易形成。江河、湖泊和平地等類似開闊地放和山谷、風(fēng)口地區(qū)是比較容易發(fā)生舞動的地帶，這是由于以往在風(fēng)洞實驗研究中發(fā)現(xiàn)垂直線路的風(fēng)分量越大，對覆冰導(dǎo)線的激勵效果越好，導(dǎo)線升力也越大，更易使系統(tǒng)失穩(wěn)，而產(chǎn)生舞動。3）線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)。除了以上兩個外界因素，輸電線路本身的結(jié)構(gòu)也容易導(dǎo)致導(dǎo)線舞動的發(fā)生，包括：導(dǎo)線的類型、橫截面積和檔距。a.分裂導(dǎo)線一般比單導(dǎo)線更容易發(fā)生舞動。b.截面大的導(dǎo)線更容易舞動。c.線路檔距越長其扭轉(zhuǎn)剛度越大，在風(fēng)激勵下的扭轉(zhuǎn)角要小，也易形成翼型覆冰，同樣升力也大和扭矩也越大，就增大了覆冰導(dǎo)線發(fā)生舞動的可能。

3 覆冰導(dǎo)線舞動的機(jī)理

3.1 橫向馳振機(jī)理

在冰和風(fēng)激勵下，圓截面的物體會激發(fā)頻率為ωs的渦致振動，而非圓截面的結(jié)構(gòu)物則會產(chǎn)生兩種不同類型的振動：1）振動頻率等于結(jié)構(gòu)固有頻率的馳振（流體流速較低時）；2）頻率偏離結(jié)構(gòu)固有頻率的失速顫振（流體流速較高時）。

1）橫向馳振穩(wěn)定性。截面、參數(shù)一般都來源于結(jié)構(gòu)物的風(fēng)振，和真實覆冰導(dǎo)線的截面有差距。并且覆冰導(dǎo)線的風(fēng)動參數(shù)還沒有準(zhǔn)確性，在上世紀(jì)八十年代末的湖北中山口大跨越導(dǎo)線舞動，有專家結(jié)合課題研究的需要，進(jìn)行了部分橢圓覆冰斷面和扇形的風(fēng)動模擬試驗，并得出了一部分風(fēng)動參數(shù)。這個試驗對有關(guān)研究工作有很重要的作用。另外，也有國外專家做了相關(guān)導(dǎo)線覆冰斷面的試驗，但由于覆冰的隨機(jī)、復(fù)雜情況，這些參數(shù)對舞動的研究需要有很大差距。2）橫向馳振響應(yīng)。從馳振過程的反饋機(jī)制可以看出，馳振是一個能量的積聚過程。在馳振過程，由于風(fēng)激勵對導(dǎo)線產(chǎn)生能量，并且這個能量是不斷變化的，并輸入系統(tǒng)。在舞動的過程中能量不斷增加，達(dá)到積累。這些除了一部分用于能量隨時間的耗散，剩余的能量都將增大振動的幅度。3）激發(fā)模式-鄧哈托舞動。該機(jī)理認(rèn)為：覆冰的非圓截面被風(fēng)吹向時，會有阻力和升力的合作作用于輸電線路覆冰導(dǎo)線。當(dāng)升力變化率負(fù)值小于阻力時，輸電線路覆冰導(dǎo)線截面才是穩(wěn)定的。

3.2 扭轉(zhuǎn)馳振機(jī)理

扭振是這種類型的舞動一個關(guān)鍵因素，只要可以改變系統(tǒng)的扭振特性，即ωθ≠ωy，或者是扭振自激能夠被抑制。這種舞動便可抑制，這就是尼戈爾模式。

3.3 慣性耦合激發(fā)機(jī)理

除了橫向激發(fā)模式和扭轉(zhuǎn)激發(fā)模式外，還存在第三種由于偏心慣性影響的慣性激發(fā)模式。由于在風(fēng)激勵下，慣性使攻角發(fā)生變化，木板向上運動，由相關(guān)的模型可知攻角θ會使升力F發(fā)生變化，由于升力與是同一個方向，將會增大對振動系統(tǒng)的干擾，并加劇橫向振動，在這個過程中，不斷積累能量，導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)而形成舞動。由于導(dǎo)線舞動情況的復(fù)雜，且由于環(huán)境中各個因素的不確定性，如風(fēng)速、雨量、溫度和不同的覆冰形狀和厚度，使得舞動模式存在不確定性，同一地區(qū)不同時段或不同線路也可能出現(xiàn)不同模式的舞動。在上述的三種激發(fā)模式中，其中鄧哈托模式和尼格爾模式的起舞條件不同，哪種模式的自激條件先達(dá)到，哪種舞動就先出現(xiàn)，上面的三種舞動激勵是迄今為止最主要的研究成果。

4 小結(jié)

本章對物體振動的不同類型進(jìn)行了說明，并闡述了導(dǎo)線舞動的基本概念，同時也對導(dǎo)線舞動形成的因素也做了重點分析。首先對物體振動的不同類型進(jìn)行了說明，振動分為卡門渦、顫動和馳振三種，并對這三種振動的原理進(jìn)行了分類說明；其次在由馳振的一種特殊形式引出了舞動的基本概念，也說明了導(dǎo)線舞動的三種形態(tài)及其主要的表現(xiàn)形式。再對舞動形成的主要因素做了詳細(xì)的分類說明，主要由于輸電線路由于雨雪天氣的覆冰、風(fēng)激勵和輸電線路自身的線路結(jié)構(gòu)因素。最后對導(dǎo)線舞動的機(jī)理進(jìn)行了重點分析。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 孟遂民，孔偉.架空輸電線路設(shè)計[D].北京.中國電力出版社.2007年第一版.

作者簡介：彭永洪（1987-），研究方向：變電一次檢修技術(shù)；馬強(qiáng)（1981-），研究方向：變電二次檢修技術(shù)；田興瑞（1987-），研究方向：電氣試驗。