摘要：輸電線路斷線事故是電力生產(chǎn)中一類惡性事故，架空線斷股將會(huì)直接引發(fā)斷線事故。尤其是新疆境內(nèi)很多地區(qū)都屬于最大風(fēng)速為30m/s的多風(fēng)地帶，所以更容易發(fā)生架空線斷股現(xiàn)象。詳盡分析架空線斷股的原因，并提出具體預(yù)防措施。為今后的輸電線路防振設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：架空線；微風(fēng)振動(dòng)；斷股；分析

1 研究架空線斷股原因的必要性

架空線斷股不僅影響其導(dǎo)流性能，更重要的是大大降低了它的抗拉強(qiáng)度，直接威脅輸電線路的安全運(yùn)行。

據(jù)統(tǒng)計(jì)大多數(shù)斷股為架空線微風(fēng)振動(dòng)造成的疲勞破壞，常常發(fā)生在懸垂線夾、防振錘夾板內(nèi)等處，更有些在架空線內(nèi)層，線路巡視人員不易發(fā)現(xiàn)，其隱蔽性和危害性很強(qiáng)，常造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和難以預(yù)料的事故。

2 微風(fēng)振動(dòng)

架空線的微風(fēng)振動(dòng)是一種高頻低幅振動(dòng)，其振幅一般只有架空線直徑的2～3倍，而頻率可高達(dá)120Hz以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)一年中產(chǎn)生微風(fēng)振動(dòng)的時(shí)間約占全年的30～50％。

2．1 受迫振動(dòng)的產(chǎn)生和策動(dòng)力的頻率

架空線產(chǎn)生振動(dòng)的機(jī)理可以應(yīng)用流體力學(xué)的“卡門渦列”解釋。當(dāng)層流風(fēng)繞過架空線，將在其背面發(fā)生分離，產(chǎn)生兩個(gè)對(duì)稱反向的“漩渦”。當(dāng)其雷諾數(shù)(Re=Vd／γ，其中V為垂直于架空線的風(fēng)速，d是架空線的直徑，γ是風(fēng)的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù))在l00-2×105之間時(shí)，其“漩渦”表現(xiàn)為上下交替，周期性的脫落和有規(guī)則的交錯(cuò)排列，這就是“卡門渦列”(圖1)。

這些“漩渦”的周期性“脫落”，產(chǎn)生了一組周期性的策動(dòng)力，促使架空線發(fā)生周期受迫振動(dòng)。

該策動(dòng)力的頻率為fs =SV／d(1)

式中：

fs——策動(dòng)力的頻率(Hz)

V——層流風(fēng)垂直架空線的分量(m／s)

S——斯脫羅哈系數(shù)，S=0.185-0.21

d——架空線直徑(m)

2．2架空線的固有頻率：

根據(jù)理論推導(dǎo)，架空線振動(dòng)的固有頻率為：

fn-n／21 (2)

式中：

fn——架空線固有頻率(Hz)

l——檔距(m)

T——架空線水平拉力(N)

m——架空線單位質(zhì)量(kg／m)

n一半波數(shù)

可以看出，隨著n(半波數(shù))的變化，架空線的固有頻率不是一個(gè)值，而是一組值，當(dāng)作用于架空線的策動(dòng)力頻率fs與某一階架空線的固有頻率fn相等或接近時(shí)，架空線將產(chǎn)生極為劇烈的共振一微風(fēng)振動(dòng)。

2．3架空線振動(dòng)的能量平衡

在理想的無阻尼狀態(tài)下，架空線的振動(dòng)頻率即為策動(dòng)力的頻率，跟它固有的頻率無關(guān)，振動(dòng)的振幅保持恒定不變。

而在實(shí)際的架空線上，當(dāng)受迫振動(dòng)產(chǎn)生后，振動(dòng)將引起臨近線段的振動(dòng)，引發(fā)架空線波動(dòng)，使振動(dòng)的能量向四周輻射。

在這種受迫振動(dòng)中，一方面架空線因策動(dòng)力做功而獲得能量，另一方面又由于架空線自身和防振裝置的阻尼作用，而使能量損耗，振幅的大小不僅與策動(dòng)力的大小有關(guān)，而且還跟策動(dòng)力的頻率以及架空線本身的固有頻率有關(guān)。

振動(dòng)開始時(shí)，策動(dòng)力對(duì)架空線作的功往往大于阻尼損耗的能量，總的趨勢(shì)是振幅逐漸增大。

但同時(shí)阻尼損耗也隨速度而增加，所以當(dāng)振動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，阻尼損耗的能量也要增多。當(dāng)策動(dòng)力作功傳遞給架空線的能量，恰好補(bǔ)償架空線和防振裝置阻尼損耗的能量時(shí)，架空線的振動(dòng)能量保持不變，振幅保持穩(wěn)定，使架空線微風(fēng)振動(dòng)成為可能。

根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議工作組推薦的公式，風(fēng)輸入能量(即策動(dòng)力對(duì)架空線作的功)與頻率的3次方和線徑的4次方成正比。而阻尼功率(即架空線損耗的能量)根據(jù)東北電力學(xué)院的試驗(yàn)結(jié)論其與振幅的2-2.5次方成正比，與波長(zhǎng)的4-4.5次方成反比。同時(shí)，新架空線的阻尼功率較大，而運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，蠕塑伸長(zhǎng)已基本穩(wěn)定的架空線，其阻尼功率只有新線的百分之七十。

2．4 駐波和“拍頻”波的形成

在輸電線路中，耐張桿塔天然性的將架空線分割為多個(gè)獨(dú)立的振動(dòng)系統(tǒng)。在同一個(gè)耐張段內(nèi)，直線桿塔又將這個(gè)系統(tǒng)分割為多個(gè)相互聯(lián)系的振動(dòng)單元。

一般情況下，在一個(gè)耐張段(通常為3--5公里)中，層流風(fēng)的風(fēng)速變化不是很大，由于“鎖定效應(yīng)”使得各個(gè)振動(dòng)單元(振動(dòng)線段)獲得相近或一致的策動(dòng)力頻率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，架空地線斷股情況，在某一耐張段內(nèi)的斷股常集中出現(xiàn)在某一根架空線上或一根架空線上某一側(cè)的防振錘處。

當(dāng)這些振動(dòng)單元(振動(dòng)線段)沿架空線傳播振波時(shí)，在架空線懸掛點(diǎn)處振波發(fā)生反射，反射波與原振波迭加，形成駐波，使得振波振幅增大，架空線振動(dòng)能量增加。

同時(shí)，這些具有相近而不盡一致頻率的振波在同向傳播過程中，由于波的干涉作用，將產(chǎn)生“拍頻”波，合振動(dòng)的振幅發(fā)生周期性的、明顯的變化，振波也不是一個(gè)頻率而是一組頻率，這與電建所的測(cè)試結(jié)果是相符的。

3 影響微風(fēng)振動(dòng)的主要因素

根據(jù)上述對(duì)微風(fēng)振動(dòng)的機(jī)理的分析，可以看出影響微風(fēng)振動(dòng)的主要因素一般：有以下幾個(gè)方面。

3．1 風(fēng)速和風(fēng)向

風(fēng)是架空線振動(dòng)的基本因素。根據(jù)雷諾數(shù)范圍，風(fēng)速太小或過大都不產(chǎn)生“卡門渦列”。

同時(shí)架空線振動(dòng)與否，與風(fēng)向也有很大關(guān)系。當(dāng)風(fēng)向與架空線夾角為45°——_90°時(shí)，易于發(fā)生振動(dòng)，小于30°后，基本不發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)。

3．2 架空線直徑

根據(jù)式I可知，直徑較小的架空線其振動(dòng)頻率較高。根據(jù)電力部門對(duì)其高壓架空線路的實(shí)測(cè)，當(dāng)輸入風(fēng)速為5米／秒時(shí)，其架空地線振動(dòng)頻率達(dá)到115赫茲，而導(dǎo)線只有36赫茲。事實(shí)也恰恰證明了這一點(diǎn)，在有架空地線的線路上，地線斷股明顯高于導(dǎo)線。

同時(shí)根據(jù)共振條件fs=fn得出：

SV／d=n/21

即n=2SLV/d

當(dāng)在同樣的風(fēng)速情況下，直徑較小的架空線其“半波數(shù)”較多，相應(yīng)其較小的“半波長(zhǎng)”較多，對(duì)于兼顧最大和最小半波長(zhǎng)安裝的防振錘將不能很好的發(fā)揮作用，并可能導(dǎo)致其自身損壞。

3．3架空線拉力

3．3．1平均運(yùn)行應(yīng)力

架空線的自阻尼特性直接與其平均運(yùn)行應(yīng)力相關(guān)，應(yīng)力大，其自阻尼性差，反之則較好。平均運(yùn)行應(yīng)力與年平均氣溫直接相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)中合理選擇年平均氣溫和平均運(yùn)行應(yīng)力上限都很重要。

3．3．2 實(shí)際運(yùn)行應(yīng)力

輸電線路在實(shí)際運(yùn)行過程中，當(dāng)架空線應(yīng)力增大時(shí)，將使架空線振動(dòng)的半波長(zhǎng)增大，同時(shí)使最大半波長(zhǎng)出現(xiàn)的幾率明顯增多，對(duì)于兼顧最大和最小半波長(zhǎng)安裝的防振錘就不能有效抑制其振動(dòng)。

3．4防振裝置的消振效果

目前，我國(guó)采用的基本防振裝置有Stoekbridge防振錘(FG和FD系列)、阻尼線和護(hù)線條等。其中Stoekbridge防振錘是目前應(yīng)用最為廣泛的防振裝置，它能產(chǎn)生由錘頭自轉(zhuǎn)的一頻振動(dòng)和錘頭繞固定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的二頻振動(dòng)。

設(shè)計(jì)正確的防振錘，不僅能消耗架空線的振動(dòng)能量，而且由于它的加入將使架空線振動(dòng)的頻率和波形發(fā)生改變，從而達(dá)到減少架空線微風(fēng)振動(dòng)幾率的目的。

但在選用防振錘應(yīng)注意其頻率覆蓋范圍，因?yàn)榧芸站€的實(shí)際振動(dòng)是一組“拍頻”波，當(dāng)防振錘的頻率不能覆蓋架空線實(shí)際振動(dòng)頻率時(shí)，就不能有效抑制微風(fēng)振動(dòng)的破壞，甚至自身發(fā)生損壞。

4 應(yīng)力集中對(duì)架空線斷股的影響

觀察實(shí)際線股斷裂處，沒有一般型材拉斷時(shí)的“頸縮”，在斷口表面存在著兩個(gè)明顯不同的區(qū)域，即光滑區(qū)域和粗糙區(qū)域，具有明顯的疲勞破壞特征。其中，光滑區(qū)域是在裂縫擴(kuò)展過程中，線股承受突變應(yīng)力作用，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間“研磨”產(chǎn)生的。當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定程度時(shí)，線股突然斷裂就形成了粗糙區(qū)域。因此，在突變應(yīng)力下線股的疲勞破壞，實(shí)質(zhì)上就是指裂紋的發(fā)生、發(fā)展和線股最后斷裂的過程，其事先沒有明顯的征兆。根據(jù)材料力學(xué)的觀點(diǎn)，材料的疲勞持久極限與應(yīng)力集中關(guān)系很大，在突變應(yīng)力作用下，當(dāng)其他條件相同時(shí)，有應(yīng)力集中的構(gòu)件其持久極限較低，首先破壞。在懸垂線夾、防振錘夾板內(nèi)的架空線除承受軸向拉力外，線股還承受擠壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力。同時(shí)，在突變應(yīng)力作用下，線股與線夾(夾板)間相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦，造成線股表面發(fā)熱或損傷，也是影響線股材料持久極限的因素之一。

當(dāng)架空線突變應(yīng)力的大小超過一定限度后，經(jīng)過突變應(yīng)力多次交替作用后，在線股損傷或有應(yīng)力集中的部位將產(chǎn)生很細(xì)的裂紋，這就是裂紋的起源一裂紋源。在裂紋的尖端有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，因而在突變應(yīng)力的反復(fù)作用下導(dǎo)致裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展；經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間后，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，線股有效截面積不斷減少，當(dāng)截面減少到一定限度時(shí)，在一個(gè)偶然的振動(dòng)或沖擊下，線股就會(huì)沿削弱的截面發(fā)生突然斷裂。

可以看出：絕大多數(shù)架空線斷股發(fā)生在防振錘夾板或懸垂線夾內(nèi)和該處的應(yīng)力集中有很大的關(guān)系。

5 結(jié)論和建議

5．1 結(jié)論。根據(jù)上述分析得出：架空線在實(shí)際運(yùn)行過程中，首先承受架空線本身的運(yùn)行應(yīng)力。在適宜的大氣層流作用下，架空線附近形成“卡門渦列”，產(chǎn)生一組上下循環(huán)往復(fù)的策動(dòng)力，使架空線發(fā)生周期受迫振動(dòng)，當(dāng)其振動(dòng)頻率與架空線的某一階固有頻率接近時(shí)，架空線就會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)小時(shí)乃至數(shù)天)的高頻振動(dòng)一微風(fēng)振動(dòng)，導(dǎo)致架空線在靜態(tài)應(yīng)力和突變應(yīng)力的共同作用下在應(yīng)力集中的部位發(fā)生疲勞破壞一線股斷裂。

5．2 建議。對(duì)于新建線路在路徑容許的情況下，應(yīng)合理避開微風(fēng)振動(dòng)區(qū)或適當(dāng)改變線路走徑(即減小線路方向與風(fēng)向的夾角)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)架空線平均運(yùn)行應(yīng)力和最大使用應(yīng)力適當(dāng)降低。在條件容許的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用阻尼特性較好的架空線。應(yīng)根據(jù)振動(dòng)風(fēng)速上(下)限和架空線直徑，測(cè)算出架空線振動(dòng)頻率范圍，選配能夠覆蓋上述頻率的防振錘。對(duì)于鍍鋅鋼絞線，應(yīng)在防振錘安裝處預(yù)先纏繞一組護(hù)線條，以減少此處的應(yīng)力集中和增加該處鋼絞線剛度。開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，利用微風(fēng)振動(dòng)測(cè)試儀對(duì)實(shí)際運(yùn)行的架空線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定其實(shí)際振動(dòng)頻率(幅值)的范圍和概率，合理選配防振錘和選擇防振錘的安裝距離。

結(jié)語。微風(fēng)振動(dòng)是一種普遍存在和具有較強(qiáng)隱蔽性的振動(dòng)，對(duì)架空輸電線路造成的破壞是長(zhǎng)期積累性的。從二十世紀(jì)初開始，世界各國(guó)的輸電線路工作者就與之展開了斗爭(zhēng)，并取得了～系列成功的經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的結(jié)論。但實(shí)際運(yùn)行的架空線是受多種因素綜合作用，其振動(dòng)波形屬于一種非線性振動(dòng)，目前在試驗(yàn)室尚不能完全再現(xiàn)，在理論推導(dǎo)上也存在困難。因此，現(xiàn)階段輸電線路防振不能僅僅依靠現(xiàn)行設(shè)計(jì)，而是具體問題具體對(duì)待，積極開展微風(fēng)振動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，通過大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析找到一種真正有效的防振辦法。

“路漫漫兮其修遠(yuǎn)兮”，微風(fēng)振動(dòng)領(lǐng)域尚有很多研究空白需要填補(bǔ)，期望通過我們不懈的努力和科學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，為輸電線路防振工作提供一些有益的參考。

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