導(dǎo)線防振設(shè)計研究

1、專題之六：導(dǎo)線防振設(shè)計研究摘要隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 電力輸送容量和輸送距離迅速增長, 大容量、遠(yuǎn)距離的輸電線路陸續(xù)投入運(yùn)行, 送電電壓也隨之提高。導(dǎo)線作為輸電線路電功率的載體, 是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要組成部分。架空線路的振動問題是電力輸送中的一個重要問題, 本文著重對架空線路的振動問題進(jìn)行初步的分析并對一般的防振措施進(jìn)行了歸納和總結(jié)。本題探討了架空輸電線路風(fēng)振事件的因果關(guān)系, 并通過對風(fēng)振故障的剖析與驗證, 提出架空輸電線路防振的一些對策和措施。本專題主要成果：導(dǎo)線長期處于野外露天之下, 受到自然條件( 風(fēng)、雨、冰雪、雷電等) 和其他外界條件的影響, 容易發(fā)生各種事故。其中由于導(dǎo)線振

2、動引發(fā)的事故最多。在風(fēng)的作用下, 導(dǎo)線時刻處于振動狀態(tài)。根據(jù)頻率和振幅的不同, 導(dǎo)線的振動大致可分為3 種: 1. 高頻微幅的微風(fēng)振動;2. 中頻中幅的次檔距振動;3. 低頻大振幅的舞動；這3種振動都會給導(dǎo)線和輸電線路造成不同程度的破壞。其中. 導(dǎo)線的微風(fēng)振動最為頻繁, 振動持續(xù)時間較長, 常常會引起導(dǎo)線的疲勞斷股, 甚至斷線, 造成該回路的不對稱運(yùn)行, 這對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定是很不利的。目錄1.微風(fēng)振動1.1微風(fēng)振動形成原理及特征1.2 影響導(dǎo)、地線微風(fēng)振動的因素1.2.1 導(dǎo)、地線懸掛點(diǎn)高度的影響1.2.2 風(fēng)向的影響1.2.3 地區(qū)、地理條件的影響1.2.4 檔距大小的影響1.2.5 架空線

3、應(yīng)力的影響2. 次檔距振動2.1 導(dǎo)、地線次檔距振動產(chǎn)生原因振蕩產(chǎn)生的原因2.1.2 維持次檔距振蕩的原因3. 導(dǎo)線舞動3.1.1 覆冰3.1.2 風(fēng)的激勵3.1.3 線路結(jié)構(gòu)參數(shù)1. 微風(fēng)振動( 風(fēng)振動)導(dǎo)線受到微風(fēng)( 1 3 級) 吹拂時, 將產(chǎn)生周期性振動, 稱為微風(fēng)振動, 簡稱風(fēng)振動。其特點(diǎn)是振幅小, 一般不超過10 mm; 頻率高, 通常為5 100 Hz; 振型為正弦拍頻波; 振動機(jī)率很大, 一般認(rèn)為導(dǎo)線一直處于微風(fēng)振動狀態(tài)。線路所處地形及檔距大小與微風(fēng)振動關(guān)系較大。大檔距跨河( 海) 線路( 通常稱為大跨越導(dǎo)線) 振動較劇烈。這主要是由于水面開闊、平坦, 微風(fēng)通過時幾乎不受任何阻

4、擋, 能保持層流狀態(tài), 給水面上的架空輸電線路以最大的微風(fēng)振動能量, 使導(dǎo)線受到嚴(yán)重的微風(fēng)振動危害。特別是導(dǎo)線上線夾出口處, 由于長期處于曲折狀態(tài), 若不采取任何防振措施, 線股上將產(chǎn)生很大的動彎應(yīng)變, 長期如此將導(dǎo)致疲勞斷股, 影響線路安全。為減小或避免微風(fēng)振動的危害, 世界各國特別是發(fā)達(dá)國家的電力科技工作者進(jìn)行了長期卓有成效的研究, 取得了可喜的成果。意大利米蘭大學(xué)與SAVE 公司合作, 利用SAVE 公司性能優(yōu)越的FR 型系列防振錘, 于20 世紀(jì)70 年代開發(fā)了架空輸電線路防振導(dǎo)則的計算機(jī)防振設(shè)計。美國、加拿大、德國、日本等也相繼實現(xiàn)了防振設(shè)計的計算機(jī)化。在防振方案設(shè)計中, 歐美較多采

5、用防振錘; 而日本則采用阻尼線與防振錘相結(jié)合,阻尼線起主要作用, 防振錘起輔助作用。1.1微風(fēng)振動形成原理及特征當(dāng)架空導(dǎo)線受到風(fēng)速為0.5 一4m/s、穩(wěn)定的橫向均勻風(fēng)力作用時, 在導(dǎo)線的背面將產(chǎn)生上下交替變化的氣流旋渦, 如圖l ,(又稱卡門旋渦); 從而使導(dǎo)線受到一個上下交替的作用力, 當(dāng)這個脈沖力的頻率與導(dǎo)線的固有自振頻率相等時,形成有規(guī)律的上下波浪狀的往復(fù)運(yùn)動, 即為微風(fēng)振動；微風(fēng)振動是架空輸電線路最常發(fā)生的, 它是危及線路安全運(yùn)行最為普遍的一種振動形式。一年中, 微風(fēng)振動的時間約占全年時間的30%- 50%。微風(fēng)振動會使導(dǎo)線在懸掛點(diǎn)處反復(fù)拗折, 引起材料疲勞, 最后導(dǎo)致架空線斷股、斷

6、線或使金具、絕緣子損傷, 嚴(yán)重的會引起歪桿、斷桿、倒桿事故。圖1 卡門渦旋示意圖1.2 影響導(dǎo)、地線微風(fēng)振動的因素:1.2.1 導(dǎo)、地線懸掛點(diǎn)高度的影響導(dǎo)、地線懸掛點(diǎn)越高, 地面對風(fēng)的均勻性破壞程度就越小, 引起風(fēng)振動的風(fēng)速范圍也將較大, 因而產(chǎn)生振動的持續(xù)時間也較長, 振幅較大。一般情況下, 引起風(fēng)振動的風(fēng)速下限值為0.5m/s, 風(fēng)速上限值可按以下公式求得：VM=0.0667 h+3.33VM風(fēng)速上限值, m/s;h 架空線懸掛點(diǎn)高度,m。1.2.2 風(fēng)向的影響風(fēng)向?qū)芸站€路的振動有很大的影響。當(dāng)風(fēng)向與架空線路成450°90°夾角時, 導(dǎo)、地線將產(chǎn)生穩(wěn)定的振動。當(dāng)風(fēng)向與

7、架空線路成30°45°夾角時,導(dǎo)、地線將產(chǎn)生的振動是不連續(xù)且穩(wěn)定性小的振動。當(dāng)風(fēng)向與架空線路的夾角小于20°時, 導(dǎo)、地線一般不會出現(xiàn)振動。1.2.3 地區(qū)、地理條件的影響當(dāng)架空輸電線路經(jīng)過平坦、開闊地區(qū)時, 風(fēng)的均勻性不易受到破壞, 最易產(chǎn)生持續(xù)振動。因此, 對于經(jīng)過河流、湖泊、海峽、曠野的架空輸電線路, 應(yīng)加強(qiáng)防振措施。1.2.4 檔距大小的影響檔距大小對架空線的振動也有很大的影響。因為風(fēng)輸入架空線的振動能量為:U=(7.73·V²·d·A·/2)·10-8;式中U風(fēng)每周期輸入給半波長架空線的振動能量

8、;V架空線發(fā)生諧振時的風(fēng)速;d架空線的直徑;/2架空線發(fā)生諧振時的半波長;A架空線發(fā)生諧振時的振幅。故由上式可得知, 當(dāng)檔距較大時, 導(dǎo)線長度也較長, 這就使得振動的半波數(shù)增加了, 這時風(fēng)輸入架空線的振動能量也較大, 因此振動也越劇烈。一般, 當(dāng)檔距在75100 m 以下時, 不需要安裝防振措施。1.2.5 架空線應(yīng)力的影響架空線的年平均運(yùn)行應(yīng)力的大小是影響振動的關(guān)鍵因素。提高架空線的年平均運(yùn)行應(yīng)力會導(dǎo)致振動頻率增加, 并且會增大架空線振動的幅度, 因而也增大了材料的附加動應(yīng)力, 這樣一來, 容易使架空線過早疲勞而加速產(chǎn)生架空線的斷股和斷線事故。一般, 架空線平均運(yùn)行應(yīng)力的上限控制在架空線瞬時

9、破壞應(yīng)力的25%以內(nèi)。2.次檔距振動在穩(wěn)定橫向風(fēng)的作用下，空氣繞過迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線時，在其表面附近形成很薄的邊界層旋渦區(qū)，并且流動將從導(dǎo)線后部表面分離，且有漩渦斷續(xù)的從物體表面脫落。這些薄邊界層或分理流渦旋區(qū)將順流而下，在導(dǎo)線后形成紊亂、充滿旋渦的尾流，并能保持一定的距離與速度，并對處于尾流中的其它導(dǎo)線產(chǎn)生撞擊影響。根據(jù)空氣動力學(xué)原理，處于尾流中的子導(dǎo)線受到阻力和升力的作用，并隨迎風(fēng)角及兩根子導(dǎo)線靠近程度的不同而變化，使處于尾流中的子導(dǎo)線不穩(wěn)定，可能按子導(dǎo)線的某個或接近自然頻率而開始振蕩，振蕩軌跡為水平運(yùn)動為主加扭轉(zhuǎn)形成的水平方向為長軸的橢圓形。次檔距振蕩經(jīng)常以單波腹形式出現(xiàn)，如圖2 所示，其振蕩

10、頗率為l3Hz，振幅在導(dǎo)線直徑到500 mm 之間。當(dāng)風(fēng)速在3m/s22m/s、風(fēng)向與線路的夾角在45o 以上時，次檔距振蕩都有可能發(fā)生，與導(dǎo)線是否覆冰無關(guān)。圖2尾流區(qū)中的次檔距振蕩2.1 導(dǎo)、地線次檔距振動產(chǎn)生原因：次檔距產(chǎn)生的振動機(jī)理主要從以下兩方面進(jìn)行分析：（1）振蕩產(chǎn)生的原因；（2）維持振蕩的原因。振蕩產(chǎn)生的原因：在超高壓線中，每相導(dǎo)線是有2 個或2 個以上子導(dǎo)線構(gòu)成。如圖3 所示，根據(jù)流體力學(xué)的理論，當(dāng)一個流體質(zhì)點(diǎn)流進(jìn)一個非流線性圓柱體的前緣時，流體質(zhì)點(diǎn)的壓力就從自由壓力升高到停滯壓力?？拷熬壍牧黧w高壓將促使正在形成的附面層在圓柱體兩側(cè)逐漸發(fā)展。在圓柱體的最寬截面附近，附面層從圓柱

11、體表面的兩側(cè)脫開，并形成兩個在流動中間尾部拖曳的剪切層，這兩個自由剪切層就構(gòu)成了尾流的邊界。因為剪切層的最內(nèi)層與自由流最外層相比較，它的移動要慢得多，于是這些自由剪切層就傾向于卷成不連續(xù)的漩渦，從而在尾流中形成一個規(guī)則的漩渦流型，這種漩渦的流動和圓柱體的相互作用，就是誘發(fā)導(dǎo)線振動的根源。圖3 子導(dǎo)線形成漩渦流型2.1.2 維持次檔距振蕩的原因應(yīng)用流體力學(xué)中的同步效應(yīng)（Synchronization）概念可以很清晰地分析維持微風(fēng)振動的原因。由Strouhal 公式可知，漩渦的主頻率（f）和自由流體的流速（V）與圓柱體直徑（d）的商成正比：S=式中：S 斯特羅赫常數(shù)（Strouhal number

12、），一般取0.1850.2。所謂同步效應(yīng)，是指圓柱體以漩渦脫落頻率或相近頻率振動時，會對尾流產(chǎn)生很強(qiáng)的整流作用，以至漩渦脫落頻率不再由（1）式?jīng)Q定而是與圓柱體的振動頻率趨于一致。由產(chǎn)生同步效應(yīng)的流體速度區(qū)間按式（1）得出的相應(yīng)脫落頻率區(qū)間就稱為鏈鎖頻帶。當(dāng)實際流速V 和對應(yīng)脫落頻率由式（1）確定的流速V 之比在0.831.37 之間時，發(fā)生同步效應(yīng)。此時，交變力起到助長振動的作用，也可以說風(fēng)能功率是正的。這是因為原來漩渦的脫落沿檔距長方向有任意分布的性質(zhì)，但是一旦導(dǎo)線以接近于主頻率的固有頻率開始振動，漩渦即與此振動頻率同步發(fā)生脫落，這意味著漩渦的脫落沿檔長方向的任意分布性不復(fù)存在，而是按助長方

13、式排列起來，從而產(chǎn)生一定頻率并且穩(wěn)定地微風(fēng)振動。因此，導(dǎo)線一旦振動起來，在風(fēng)速變化的一定范圍內(nèi)，同步效應(yīng)將使振動持續(xù)下去。3.導(dǎo)線舞動近幾年來, 導(dǎo)線舞動現(xiàn)象頻繁發(fā)生, 給電網(wǎng)安全運(yùn)行造成了不可低估的損失。導(dǎo)線因覆冰而變?yōu)榉菆A斷面, 此時在水平方向風(fēng)的作用下, 將產(chǎn)生一定的空氣動力, 在一定的條件下, 會誘發(fā)導(dǎo)線產(chǎn)生一種低頻率（約0.13Hz）、大振幅（振幅與弧垂之比約20%40%, 最大可達(dá)100%）的自激振蕩。因其形態(tài)上下翻飛, 形如龍舞, 故稱舞動。3.1 影響導(dǎo)線舞動的因素架空導(dǎo)線舞動產(chǎn)生的原因相當(dāng)復(fù)雜, 是氣候、地形地貌、線路自身結(jié)構(gòu)狀態(tài)等多方面因素綜合的結(jié)果, 人類對其認(rèn)識還比較膚

14、淺。經(jīng)過長期的研究表明, 架空導(dǎo)線舞動形成的主要原因取決于3方面的因素, 即覆冰、風(fēng)的激勵和線路結(jié)構(gòu)參數(shù)。3.1.1 覆冰覆冰是架空導(dǎo)線發(fā)生舞動的必要條件之一。到目前為止, 除極個別現(xiàn)象外, 導(dǎo)線舞動發(fā)生時均發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線上有覆冰。通常情況下, 導(dǎo)線覆冰不均勻, 形成新月形、扇形、D形等不規(guī)則形狀(見圖1)。冰厚從幾毫米到幾十毫米(最厚可達(dá)60mm)。覆冰改變了導(dǎo)線呈圓形的幾何形狀, 使導(dǎo)線的一側(cè)形成一個翼面,當(dāng)強(qiáng)風(fēng)橫向吹過時, 原來的空氣動力特性有所改變。風(fēng)在導(dǎo)線上部通過的氣流速度增大而壓力減小, 在下部通過的氣流速度減小而壓力增大, 因此導(dǎo)線受到一個上揚(yáng)力, 同時也受到一個水平力。由于上揚(yáng)力與導(dǎo)

15、線的重力作用, 使導(dǎo)線產(chǎn)生垂直振蕩, 同時,由于導(dǎo)線偏心覆冰, 使導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)振蕩, 當(dāng)導(dǎo)線的垂直振蕩與扭轉(zhuǎn)振蕩頻率相禍合時, 就會產(chǎn)生舞動。圖1 導(dǎo)線覆冰情況3.1.2 風(fēng)的激勵風(fēng)是引起架空導(dǎo)線舞動的能量來源。同樣的雨淞條件下, 風(fēng)速的大小將會影響成冰的形狀, 進(jìn)而影響空氣動力狀態(tài)。根據(jù)我國目前統(tǒng)計記載, 導(dǎo)線在覆冰情況下, 當(dāng)風(fēng)速為4-20m/s, 且風(fēng)向與線路走向的夾角大于45°時, 導(dǎo)線易于舞動。而且該夾角越接近90°, 則舞動的可能性越大。這是因為垂直于線路走向的風(fēng)的分量越大, 對不均勻覆冰后導(dǎo)線的激勵效果越好, 對導(dǎo)線產(chǎn)生的升力也越大, 有利于線路系統(tǒng)能量的積累

16、, 進(jìn)而使得系統(tǒng)失穩(wěn), 產(chǎn)生舞動。舞動是自激振動, 其能量與振幅的關(guān)系可用圖2表示。圖2 導(dǎo)線舞動時能量一振幅關(guān)系風(fēng)的激勵不僅與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān), 也與線路所在地區(qū)的地形、地貌條件密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計, 架空導(dǎo)線舞動多發(fā)生于平原開闊地區(qū)(如江河湖泊、平地等）或山谷風(fēng)口地帶。這是因為平坦開闊地帶易形成相對穩(wěn)定的層流風(fēng), 對導(dǎo)線的激勵效果明顯。而山地及地表有森林、建筑物等地區(qū), 由于地表的摩擦,風(fēng)速下降較多, 紊流度增加, 因此這類地區(qū)的輸電線路就不易舞動。線路離地越高, 風(fēng)受地表物體的影響越小, 易形成穩(wěn)定的風(fēng)的激勵, 也易于舞動。即在冬季及初春季節(jié)里導(dǎo)線覆冰時, 由冷暖氣流交匯引起的大風(fēng), 就容

17、易在地勢平坦、開闊及風(fēng)口地帶的輸電線路上產(chǎn)生舞動。 線路結(jié)構(gòu)參數(shù)多分裂導(dǎo)線相比單分裂導(dǎo)線易于舞動, 因為對導(dǎo)線的中心線而言, 導(dǎo)線的覆冰一般總是偏心而朝向迎風(fēng)面的, 這個偏心質(zhì)量將會引起導(dǎo)線繞自身軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn), 從而改變導(dǎo)線的迎風(fēng)面。這樣不斷覆冰、不斷扭轉(zhuǎn)的結(jié)果, 使得覆冰導(dǎo)線的截面形狀趨于圓形, 以致削弱了作用在導(dǎo)線上的空氣動力載荷, 對舞動有一定的抑制作用。而對于分裂導(dǎo)線, 一般都是每隔幾十米就有一個間隔棒, 將各子導(dǎo)線連在一起。在每一個次檔距內(nèi)的子導(dǎo)線, 其兩端被間隔棒固定,扭轉(zhuǎn)剛度大大高于相同截面的單導(dǎo)線, 在偏心覆冰后很難繞其自身軸線扭轉(zhuǎn), 偏心覆冰狀況得不到緩解, 所以作用在分裂導(dǎo)

18、線上的空氣動力載荷自然就比單導(dǎo)線大得多。大截面的導(dǎo)線比小截面的導(dǎo)線易于產(chǎn)生舞動。這與它們自身的扭轉(zhuǎn)剛度有很大的關(guān)系。大截面導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)剛度大, 在偏心覆冰后難以產(chǎn)生自身扭轉(zhuǎn),使得覆冰層更多的堆積在同一方向, 使導(dǎo)線迎風(fēng)與背風(fēng)面的冰層厚度差增大。覆冰導(dǎo)線大截面的偏心度比起小截面導(dǎo)線要嚴(yán)重的多, 因此產(chǎn)生舞動的可能性比小截面導(dǎo)線大。據(jù)1987年2月我國天津發(fā)生的一次架空導(dǎo)線舞動的記載, 迎風(fēng)面的冰層厚度比背風(fēng)面大4-5倍, 且導(dǎo)線越粗, 冰層越厚, 舞動越為嚴(yán)重, 舞幅越大。而且與導(dǎo)線受到的應(yīng)力狀態(tài)也有關(guān), 應(yīng)力低的狀態(tài)易產(chǎn)生舞動。線路導(dǎo)地線覆冰后, 由于導(dǎo)線有電流通過產(chǎn)生溫升, 而地線沒有溫升, 故導(dǎo)線覆冰融化要比地線快, 在風(fēng)及不均勻脫冰的作用下, 導(dǎo)線迅速復(fù)位導(dǎo)致導(dǎo)地線間的距離不滿足放電間隙距離, 而產(chǎn)生導(dǎo)線對地線放電, 放電使地線燒損斷股, 而且當(dāng)大段或整檔脫冰時, 由于導(dǎo)地線彈性儲能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)地線的動能、位能, 引起導(dǎo)地線向上跳躍, 導(dǎo)致絕緣子串及掛點(diǎn)處金具容易遭受動態(tài)沖擊, 帶動輸電桿塔的瞬時強(qiáng)烈振動, 甚至導(dǎo)致桿塔塔頭損傷。5.導(dǎo)、地線的防振措施架空線路產(chǎn)生風(fēng)振動時. 由于振動波為駐波, 故波節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線只有角位移,