超特高壓輸電線路覆冰舞動機理及其防治技術

嚴翔

摘要：我國超特高壓輸電線路建設方興未艾，在新的電網(wǎng)建設形勢下輸電線架設環(huán)境將更為復雜，線路走廊將不可避免地遇到易舞的氣象環(huán)境，如何有效防治超特高壓輸電線路在覆冰環(huán)境下的舞動是亟待解決的問題。因此，在進一步完善舞動機理、提高舞動判據(jù)準確性的基礎上，深入研究超特高壓輸電線路經(jīng)濟可靠的舞動防治技術具有強烈的緊迫性和十分重要的理論、應用意義。

關鍵詞：高壓輸電線;路覆冰舞動機理;防治技術

輸電導線舞動現(xiàn)象，多發(fā)生于開闊地帶。對于輸電線路而言，大截面、多分裂導線較于大截面、單分裂導線更易舞動。舞動發(fā)生時，全檔架空線路會發(fā)生大幅度波浪式振動。長時間大幅度的舞動容易引起金具損壞、相間閃絡，導致倒塌或者線路跳閘等重大事故，從而造成重大經(jīng)濟損失。

1 舞動機理介紹

影響舞動的主要因素包括覆冰、風和線路結構。 輸電導線舞動的數(shù)學模型，通常可分為如下3 種。（1）單自由模型。這是一種與Den Hartog垂直舞動機理相對應的模型，通常只考慮輸電導線的豎向振動。（2）二自由模型（包括兩種），一是考慮輸電線路的豎向振動和水平擺動二者相互耦合的情況，二是基于 O.Nigol扭轉舞動機理，考慮豎向振動和軸向扭轉相互耦合。（3）三自由度模型。這種模型通常需考慮垂向振動、水平擺動和軸向扭轉三者相互耦合的情況。

2 覆冰舞動的防治措施

2.1 輸電線路規(guī)劃設計

2.1.1 規(guī)避舞動區(qū)域

由于每年冬春季節(jié)，南下的冷空氣與北上的暖濕氣流在東部、華北和華中地區(qū)交匯，所以形成了一條南起湖南，北至吉林的“舞動帶”。由于微地形的差異，不同區(qū)域發(fā)生舞動強度存在差異，根據(jù)舞動發(fā)生頻率法和舞動系數(shù)法對湖北、安徽、河南和遼寧的部分地區(qū)繪制了舞動地圖。舞動地圖的繪制精度是以地級市為單位，可以作為線路規(guī)劃設計和運行提供參考。在輸電線路路徑選擇時，還需要結合地形、地貌和氣象條件，避開凍雨雪頻繁的地區(qū)、易形成持續(xù)穩(wěn)定氣流的地區(qū)。

2.1.2 改變線路設計

舞動發(fā)生過程中會對金具、絕緣子、線夾等設備產(chǎn)生破壞，提高輸電線路的電氣和機械設計強度，將會減少舞動造成的電氣和物理故障。對影響舞動幅值的線路結構和參數(shù)，選擇舞動幅值較小的結構和參數(shù)。如在設計時采用導線水平排列、雙回塔改變各相排列等方式保證線間最小安全距離，可以減小危害;將分裂導線用單根導線替代;分裂導線取消間隔棒，采用垂直或水平排列。由于不可能完全繞開舞動發(fā)生區(qū)域，且設計標準的提高會降低輸電線路建造的經(jīng)濟性，輸電線路規(guī)劃設計的方法只能減少輸電線路舞動的概率，并不能從根本上避免舞動的發(fā)生。

2.2 導線舞動抑制

2.2.1 改變空氣動力特性

改變導線的外形，可以改變導線受到的空氣驅動力，從而不利于舞動的發(fā)生。主要地改變空氣動力特征的方法有： 1）氣流干擾線。在導線上安裝一段螺旋形的 干擾線，產(chǎn)生連續(xù)改變氣流的截面，破壞垂直振動或扭轉振動的發(fā)生條件。2）防舞動片。防舞動片是一塊長高比為1.5的鋁（鐵）片，其在收到風作用后會帶動導線扭轉，使防舞動片附件的導線覆冰較圓。在導線上安裝多個防舞動片，使一檔導線的覆冰形狀和升力有很大差 別，相互干擾抑制舞動。3） 氣動阻尼器。氣動阻尼器是固定在導線下，由凹形板組合成的增加受風面積的裝置。阻尼器中的凹槽使其在風的作用下具有較大的阻力，使升力曲線具有正斜率，從而抑制舞動。

2.2.2 改變線路結構特性

改變線路的結構特性可以改變導線自身的振動頻率，使不同自由度上的振動難以耦合，從而減少或防止舞動的發(fā)生。根據(jù)垂直激發(fā)和扭轉激發(fā)理論，舞動的起因是由垂直或扭轉振動引起，舞動抑制的方法也是從這兩個方面進行設計。1） 改變扭轉振動頻率。失諧擺是一個具有一定質量和臂長的重錘，當其安裝在導線下方時，將會增加導線覆冰后的轉動慣量，改變導線扭轉振動的固有頻率，并與導線垂直振動頻率分離，從而阻止扭轉振動激發(fā)舞動。 與失諧擺防舞原理類似的還有雙擺防舞器。偏心重錘是重心可以變化的重物。在安裝了偏心重錘的導線向上運動時，偏心重錘會產(chǎn)生一個向下的慣性力，這將抵消部分導線上的升力，偏心重錘隨導線的扭轉還會產(chǎn)生抑制扭轉的扭矩，抑制導線的扭轉，從而減小舞動的幅值。2） 改變垂直振動頻率。重錘是在導線上懸掛的具有一定重量的物體，針對的是舞動中的垂向振動。重錘自身具有較大重量，可以抵消風激勵產(chǎn)生的升力，并改變導線的垂直 振動固有頻率;將重錘裝在波腹或接近波腹處，可以使舞動的半波數(shù)增加，從而 減小舞動的垂直振幅。

3.3 線路除冰

線路除冰并非專門針對舞動進行研究，但在除冰后能夠有效降低覆冰舞動的可能性，本節(jié)對線路除冰技術進行簡單介紹。短路電流融冰和直流電流融冰法可以應對覆冰厚度較大的情況，都需要將線路停運，且需修改保護定值，對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較大，短路電流融冰過程中需要大量的無功率，對 500kV及以上線路不適合，直流電流融冰能夠應對所有等級線路，但其控制較為復雜;潮流融冰法可以無需斷開線路，但其無法應對覆冰較厚的情況和避雷線覆冰;高頻電壓除冰過程中會產(chǎn)生高頻電磁波，對通信產(chǎn)生影響，會產(chǎn)生諧波，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性;激光除冰受制于激光功率，在復雜地形下設備也難以到達。機械除冰方法目前只有滑輪鏟刮法在實際中得到應用，但只能針對低電壓等級停運的輸電線路。

結束語：

覆冰舞動會對輸電線路的安全穩(wěn)定運行造成嚴重影響。舞動監(jiān)測技術、除冰技術和安全穩(wěn)定防御技術可以為舞動的防治提供補充，需要對每種技術及相互協(xié)調(diào)配合方法進行研究。

參考文獻

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