导线防振设计研究.doc

专题之六：

导线防振设计研究

摘要
随着国民经济的不断发展, 电力输送容量和输送距离迅速增长, 大容量、远距离的输电线路陆续投入运行, 送电电压也随之提高。导线作为输电线路电功率的载体, 是保证电力系统安全运行的重要组成部分。架空线路的振动问题是电力输送中的一个重要问题, 本文着重对架空线路的振动问题进行初步的分析并对一般的防振措施进行了归纳和总结。本题探讨了架空输电线路风振事件的因果关系, 并通过对风振故障的剖析与验证, 提出架空输电线路防振的一些对策和措施。
本专题主要成果：
导线长期处于野外露天之下, 受到自然条件( 风、雨、冰雪、雷电等) 和其他外界条件的影响, 容易发生各种事故。其中由于导线振动引发的事故最多。在风的作用下, 导线时刻处于振动状态。
根据频率和振幅的不同, 导线的振动大致可分为3 种:
1. 高频微幅的微风振动;
2. 中频中幅的次档距振动;
3. 低频大振幅的舞动；
这3种振动都会给导线和输电线路造成不同程度的破坏。其中. 导线的微风振动最为频繁, 振动持续时间较长, 常常会引起导线的疲劳断股, 甚至断线, 造成该回路的不对称运行, 这对电力系统的稳定是很不利的。

目录
1.微风振动…………………………………………………
1.1微风振动形成原理及特征………………………………
1.2 影响导、地线微风振动的因素…………………………
1.2.1 导、地线悬挂点高度的影响…………………………
1.2.2 风向的影响……………………………………………
1.2.3 地区、地理条件的影响………………………………
1.2.4 档距大小的影响………………………………………
1.2.5 架空线应力的影响……………………………………
2. 次档距振动………………………………………………
2.1 导、地线次档距振动产生原因…………………………
2.1.1振荡产生的原因…………………………………………
2.1.2 维持次档距振荡的原因…………………………………
3. 导线舞动……………………………………………………
3.1.1 覆冰………………………………………………………
3.1.2 风的激励…………………………………………………
3.1.3 线路结构参数……………………………………………

1. 微风振动( 风振动)
导线受到微风( 1~ 3 级) 吹拂时, 将产生周期性振动, 称为微风振动, 简称风振动。其特点是振幅小, 一般不超过10 mm; 频率高, 通常为5~ 100 Hz; 振型为正弦拍频波; 振动机率很大, 一般认为导线一直处于微风振动状态。线路所处地形及档距大小与微风振动关系较大。大档距跨河( 海) 线路( 通常称为大跨越导线) 振动较剧烈。这主要是由于水面开阔、平坦, 微风通过时几乎不受任何阻挡, 能保持层流状态, 给水面上的架空输电线路以最大的微风振动能量, 使导线受到严重的微风振动危害。特别是导线上线夹出口处, 由于长期处于曲折状态, 若不采取任何防振措施, 线股上将产生很大的动弯应变, 长期如此将导致疲劳断股, 影响线路安全。为减小或避免微风振动的危害, 世界各国特别是发达国家的电力科技工作者进行了长期卓有成效的研究, 取得了可喜的成果。意大利米兰大学与SAVE 公司合
作, 利用SAVE 公司性能优越的FR 型系列防振锤, 于20 世纪70 年代开发了架空输电线路防振导则的计算机防振设计。美国、加拿大、德国、日本等也相继实现了防振设计的计算机化。在防振方案设计中, 欧美较多采用防振锤; 而日本则采用阻尼线与防振锤相结合,阻尼线起主要作用, 防振锤起辅助作用。
1.1 微风振动形成原理及特征
当架空导线受到风速为0.5 一4m/s 、稳定的横向均匀风力作用时, 在导线的背面将产生上下交替变化的气流旋涡, 如图l ,( 又称卡门旋涡); 从而使导线受到一个上下交替的作用力, 当这个脉冲力的频率与导线的固有自振频率相等时, 形成有规律的上下波浪状的往复运动, 即为微风振动；微风振动是架空输电线路最常发生的, 它是危及线路安全运行最为普遍的一种振动形式。一年中, 微风振动的时间约占全年时间的30%- 50%。微风振动会使导线在悬挂点处反复拗折, 引起材料疲劳, 最后导致架空线断股、断线或使金具、绝缘子损伤, 严重的会引起歪杆、断杆、倒杆事故。

图1 卡门涡旋 示意图
1.2 影响导、地线微风振动的因素:
1.2.1 导、地线悬挂点高度的影响
导、地线悬挂点越高, 地面对风的均匀性破坏程度就越小, 引起风振动的风速范围也将较大, 因而产生振动的持续时间也较长, 振幅较大。一般情况下, 引起风振动的风速下限值为0.5m/s, 风速上限值可按以下公式求得：
VM=0.0667 h+3.33
VM—风速上限值, m/s;
h —架空线悬挂点高度,m。
1.2.2 风向的影响
风向对架空线路的振动有很大的影响。当风向与架空线路成450°～90°夹角时, 导、地线将产生稳定的振动。当风向与架空线路成30°～45°夹角时,导、地线将产生的振动是不连续且稳定性小的振动。当风向与架空线路的夹角小于20°时, 导、地线一般不会出现振动。
1.2.3 地区、地理条件的影响
当架空输电线路经过平坦、开阔地区时, 风的均匀性不易受到破坏, 最易产生持续振动。因此, 对于经过河流、湖泊、海峡、旷野的架空输电线路, 应加强防振措施。
1.2.4 档距大小的影响
档距大小对架空线的振动也有很大的影响因为风输入架空线的振动能量为:
U=(7.73·V²·d·A·λ/2)·10-8;
式中U—风每周期输入给半波长架空线的振动能量;
V—架空线发生谐振时的风速;
d—架空线的直径;
λ/2—架空线发生谐振时的半波长;
A—架空线发生谐振时的振幅。
故由上式可得知, 当档距较大时, 导线长度也较长, 这就使得振动的半波数增加了, 这时风输入架空线的振动能量也较大, 因此振动也越剧烈。一般, 当档距在75～100 m 以下时, 不需要安装防振措施。
1.2.5 架空线应力的影响
架空线的年平均运行应力的大小是影响振动的关键因素。提高架空线的年平均运行应力会导致振动频率增加, 并且会增大架空线振动的幅度, 因而也增大了材料的附加动应力, 这样一来, 容易使架空线过早疲劳而加速产生架空线的断股和断线事故。一般, 架空线平均运行应力的上限控制在架空线瞬时破坏应力的25%以内。
2. 次档距振动
在稳定横向风的作用下，空气绕过迎风侧子导线时，在其表面附近形成很薄的边界层旋涡区，并且流动将从导线后部表面分离，且有漩涡断续的从物体表面脱落。这些薄边界层或分理流涡旋区将顺流而下，在导线后形成紊乱、充满旋涡的尾流，并能保持一定的距离与速度，并对处于尾流中的其它导线产生撞击影响。根据空气动力学原理，处于尾流中的子导线受到阻力和升力的作用，并随迎风角及两根子导线靠近程度的不同而变化使处于尾流中的子导线不稳定，可能按子导线的某个或接近自然频率而开始振荡，振荡轨迹为水平运动为主加扭转形成的水平方向为长轴的椭圆形。次档距振荡经常以单波腹形式出现，如图2 所示，其振荡颇率为l~3Hz，振幅在导线直径到500 mm 之间。当风速在3m/s~22m/s、风向与线路的夹角在45o 以上时，次档距振荡都有可能发生，与导线是否覆冰无关。

图2 尾流区中的次档距振荡
2.1 导、地线次档距振动产生原因：
次档距产生的振动机理主要从以下两方面进行分析：（1）振荡产生的原因；（2）维持振荡的原因。
2.1.1振荡产生的原因：
在超高压线中，每相导线是有2 个或2 个以上子导线构成。如图3 所示，根据流体力学的理论，当一个流体质点流进一个非流线性圆柱体的前缘时，流体质点的压力就从自由压力升高到停滞压力。靠近前缘的流体高压将促使正在形成的附面层在圆柱体两侧逐渐发展。在圆柱体的最宽截面附近，附面层从圆柱体表面的两侧脱开，并形成两个在流动中间尾部拖曳的剪切层，这两个自由剪切层就构成了尾流的边界。因为剪切层的最内层与自由流最外层相比较，它的移动要慢得多，于是这些自由剪切层就倾向于卷成不连续的漩涡，从而在尾流中形成一个规则的漩涡流型，这种漩涡的流动和圆柱体的相互作用，就是诱发导线振动的根源。

图3 子导线形成漩涡流型
2.1.2 维持次档距振荡的原因
应用流体力学中的同步效应（Synchronization）概念可以很清晰地分析维持微风振动的原因。由Strouhal 公式可知，漩涡的主频率（f）和自由流体的流速（V）与圆柱体直径（d）的商成正比：
S=
式中：S — 斯特罗赫常数（Strouhal number），一般取0.185～0.2。
所谓同步效应，是指圆柱体以漩涡脱落频率或相近频率振动时，会对尾流产生很强的整流作用，以至漩涡脱落频率不再由（1）式决定而是与圆柱体的振动频率趋于一致。由产生同步效应的流体速度区间按式（1）得出的相应脱落频率区间就称为链锁频带。
当实际流速V 和对应脱落频率由式（1）确定的流速V 之比在0.83～1.37 之间时，发生同步效应。此时，交变力起到助长振动的作用，也可以说风能功率是正的。这是因为原来漩涡的脱落沿档距长方向有任意分布的性质，但是一旦导线以接近于主频率的固有频率开始振动，漩涡即与此振动频率同步发生脱落，这意味着漩涡的脱落沿档长方向的任意分布性不复存在，而是按助长方式排列起来，从而产生一定频率并且稳定地微风振动。因此，导线一旦振动起来，在风速变化的一定范围内，同步效应将使振动持续下去。
3. 导线舞动
近几年来, 导线舞动现象频繁发生, 给电网安全运行造成了不可低估的损失。
导线因覆冰而变为非圆断面, 此时在水平方向风的作用下, 将产生一定的空气动力, 在一定的条件下, 会诱发导线产生一种低频率（约0.1—3Hz）、大振幅（振幅与弧垂之比约20%—40%, 最大可达100%）的自激振荡。因其形态上下翻飞, 形如龙舞, 故称舞动。
3.1 影响导线舞动的因素
架空导线舞动产生的原因相当复杂, 是气候、地形地貌、线路自身结构状态等多方面因素综合的结果, 人类对其认识还比较肤浅。经过长期的研究表明, 架空导线舞动形成的主要原因取决于3方面的因素, 即覆冰、风的激励和线路结构参数。
3.1.1 覆冰
覆冰是架空导线发生舞动的必要条件之一。到目前为止, 除极个别现象外, 导线舞动发生时均发现导线上有覆冰。通常情况下, 导线覆冰不均匀, 形成新月形、扇形、D形等不规则形状(见图1)。冰厚从几毫米到几十毫米(最厚可达60 mm)。覆冰改变了导线呈圆形的几何形状, 使导线的一侧形成一个翼面,当强风横向吹过时, 原来的空气动力特性有所改变。风在导线上部通过的气流速度增大而压力减小, 在下部通过的气流速度减小而压力增大, 因此导线受到一个上扬力, 同时也受到一个水平力。由于上扬力与导线的重力作用, 使导线产生垂直振荡, 同时,由于导线偏心覆冰, 使导线发生扭转振荡, 当导线的垂直振荡与扭转振荡频率相祸合时, 就会产生舞动。

图1 导线覆冰情况
3.1.2 风的激励
风是引起架空导线舞动的能量来源。同样的雨淞条件下, 风速的大小将会影响成冰的形状, 进而影响空气动力状态。根据我国目前统计记载, 导线在覆冰情况下, 当风速为4-20m/s, 且风向与线路走向的夹角大于45°时, 导线易于舞动。而且该夹角越接近90°, 则舞动的可能性越大。这是因为垂直于线路走向的风的分量越大, 对不均匀覆冰后导线的激励效果越好, 对导线产生的升力也越大, 有利于线路系统能量的积累, 进而使得系统失稳, 产生舞动。舞动是自激振动, 其能量与振幅的关系可用图2 表示。

图2 导线舞动时能量一振幅关系
风的激励不仅与当地的气象条件有关, 也与线路所在地区的地形、地貌条件密切相关。据统计, 架空导线舞动多发生于平原开阔地区(如江河湖泊、平地等）或山谷风口地带。这是因为平坦开阔地带易形成相对稳定的层流风, 对导线的激励效果明显。而山地及地表有森林、建筑物等地区, 由于地表的摩擦,风速下降较多, 紊流度增加, 因此这类地区的输电线路就不易舞动。线路离地越高, 风受地表物体的影响越小, 易形成稳定的风的激励, 也易于舞动。即在冬季及初春季节里导线覆冰时, 由冷暖气流交汇引起的大风, 就容易在地势平坦、开阔及风口地带的输电线路上产生舞动。
3.1.3 线路结构参数
多分裂导线相比单分裂导线易于舞动, 因为对导线的中心线而言, 导线的覆冰一般总是偏心而朝向迎风面的, 这个偏心质量将会引起导线绕自身轴线产生扭转, 从而改变导线的迎风面。这样不断覆冰、不断扭转的结果, 使得覆冰导线的截面形状趋于圆形, 以致削弱了作用在导线上的空气动力载荷, 对舞动有一定的抑制作用。而对于分裂导线, 一般都是每隔几十米就有一个间隔棒, 将各子导线连在一起。在每一个次档距内的子导线, 其两端被间隔棒固定,扭转刚度大大高于相同截面的单导线, 在偏心覆冰后很难绕其自身轴线扭转, 偏心覆冰状况得不到缓解, 所以作用在分裂导线上的空气动力载荷自然就比单导线大得多。
大截面的导线比小截面的导线易于产生舞动。这与它们自身的扭转刚度有很大的关系。大截面导线的扭转刚度大, 在偏心覆冰后难以产生自身扭转,使得覆冰层更多的堆积在同一方向, 使导线迎风与背风面的冰层厚度差增大。覆冰导线大截面的偏心度比起小截面导线要严重的多, 因此产生舞动的可能性比小截面导线大。据1987年2月我国天津发生的一次架空导线舞动的记载, 迎风面的冰层厚度比背风面大4-5倍, 且导线越粗, 冰层越厚, 舞动越为严重, 舞幅越大。而且与导线受到的应力状态也有关, 应力低的状态易产生舞动。
线路导地线覆冰后, 由于导线有电流通过产生温升, 而地线没有温升, 故导线覆冰融化要比地线快, 在风及不均匀脱冰的作用下, 导线迅速复位导致导地线间的距离不满足放电间隙距离, 而产生导线对地线放电, 放电使地线烧损断股, 而且当大段或整档脱冰时, 由于导地线弹性储能迅速转变为导地线的动能、位能, 引起导地线向上跳跃, 导致绝缘子串及挂点处金具容易遭受动态冲击, 带动输电杆塔的瞬时强烈振动, 甚至导致杆塔塔头损伤。
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5.导、地线的防振措施
架空线路产生风振动时. 由于振动波为驻波, 故波节点的导线只有角位移, 其位置是不变的。当风速改变时, 振动的频率和波长随之改变, 但线夹出口处总是一个波节点, 所以导线在线夹出口处受拗折的机率最大, 最易发生断股断线现象。因此, 对于架空线. 主要是线夹出口处附近的防振。架空线的防振措施一般从以下三方面来着手考虑:
( 1) 尽量减弱产生振动的条件。如尽量避免线路通过开阔地带, 降低导线的年平均运行应力等措施。
( 2) 加强导线自身的耐振能力。可采用疲劳强度极限高的导线, 采用柔性横担、偏心导线, 安装护线条、预绞丝, 改善线夹结构等措施。
( 3) 吸收导线的振动能量, 降低振动强度。可在线路上加装防振装置, 如防振锤和阻尼线, 或采用自阻尼大的导线。