潘曉春

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

2010年蘇北輸電線路舞動氣象分析評估

潘曉春

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

結(jié)合2010年2月10日蘇北輸電線路導(dǎo)線舞動實(shí)例，根據(jù)常規(guī)與自動氣象站觀測資料，分析了誘發(fā)導(dǎo)線舞動的冰、風(fēng)氣象因素以及地形地勢條件，提出關(guān)于導(dǎo)線舞動原因的分析思路，并為防舞設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

導(dǎo)線舞動；不均勻覆冰；風(fēng)激勵；防舞設(shè)計(jì)

1 概述

2010年2月10日10時06分，江蘇連云港市境內(nèi)220 kV鳳香4912線兩側(cè)跳閘，現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)85#～86#檔線路A、C相碰線，導(dǎo)線表面有輕微燒傷痕跡；22時22分，連云港220 kV蘆薔2W11線跳閘，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)29#～30#檔中下線導(dǎo)線表面輕微燒傷。

同日21∶36，淮安市境內(nèi)220kV旗唐2W84線602、931保護(hù)動作跳閘，運(yùn)行部門巡線發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，58#塔A、B相磁棒斷裂，導(dǎo)線脫落。

根據(jù)現(xiàn)場氣象及線路受損等情況，運(yùn)行部門初步判定上述3條線路的故障原因?yàn)閷?dǎo)線舞動，如若屬實(shí)則為江蘇220 kV級以上線路有記錄以來的首次，因此研究故障地區(qū)導(dǎo)線舞動的成因及其規(guī)律，對故障線路及鄰近線路的防舞設(shè)計(jì)亟具意義。

2 氣象背景概述

2010年2月10日～11日及2月13日～15日，江蘇先后兩次出現(xiàn)大范圍雨雪冰凍天氣過程。2月10日～11日，全省出現(xiàn)大范圍暴雨、雷電、降雪、冰雹、雨凇和寒潮天氣。蘇北地區(qū)普遍出現(xiàn)大到暴雪，雨雪量在8.1 mm～47.3 mm，淮北地區(qū)積雪深度3 cm～9 cm，淮河以南地區(qū)在3 cm以下；連云港市區(qū)、東海、新沂、灌南、宿遷市區(qū)、淮安市區(qū)出現(xiàn)雨??；蘇北、蘇中出現(xiàn)較嚴(yán)重的道路結(jié)冰。

縱觀江蘇省有氣象記錄以來，2月單日出現(xiàn)暴雨、雷電、降雪、冰雹、雨凇復(fù)合性復(fù)雜天氣過程，在歷史上尚屬首次，其過程強(qiáng)度和范圍均突破歷史極值；單日暴雨出現(xiàn)站數(shù)之多、降水量之大也為2月歷史極值[5]。

根據(jù)連云港、淮安市氣象臺記錄，2010年2月10日夜間到11日，連云港市天氣狀況為陰有雨夾雪轉(zhuǎn)雪，雨雪量大到暴，東北風(fēng)5～6級，陣風(fēng)7級；最低氣溫-3～-4℃，最高氣溫0～-1℃；2月10日，淮安地區(qū)雨夾雪，局部有中到大雪，最低氣溫零下8度，西北風(fēng)5～6級，2月9～10日凍雨、2月11日中到大雪。

3 導(dǎo)線舞動形成因素

導(dǎo)線舞動實(shí)質(zhì)上是一種低頻大幅度振動，一般由橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動等幾種振動組成，其振東慣性與空氣動力存在耦合關(guān)系，常常由于這種耦合而誘發(fā)舞動。

形成舞動的因素非常復(fù)雜，各種因素又相互影響。據(jù)國內(nèi)外研究[1-4]，引起導(dǎo)線舞動的因素主要有三類因素，即冰風(fēng)氣象條件、地形與地勢條件以及線路走向與結(jié)構(gòu)參數(shù)等。

3.1 冰、風(fēng)氣象條件

對導(dǎo)線舞動來說，冰風(fēng)因素是主要的激勵源，具有關(guān)鍵的作用。其產(chǎn)生及其形態(tài)不僅與氣象因素密切相關(guān)，而且彼此又相互影響。

⑴不均勻覆冰

覆冰多發(fā)生在風(fēng)作用下的雨凇、霜凇及濕雪堆積于導(dǎo)線的氣候條件下，與降水形式及降水量有直接關(guān)系，而又與溫度的變化密切相關(guān)，常發(fā)生在先雨后雪，氣溫驟降的情況下，且覆冰截面不均勻或不對稱，形成新月形、扇形、D形等不規(guī)則形狀，覆冰導(dǎo)線便有了較好的空氣動力性能，在風(fēng)的激勵下會產(chǎn)生舞動。

⑵風(fēng)的激勵

除覆冰因素外，導(dǎo)線舞動還須有穩(wěn)定的層流風(fēng)的激勵。我國冬季及初春季節(jié)，冷暖氣流的交匯易引起較強(qiáng)的風(fēng)力，當(dāng)導(dǎo)線覆冰、風(fēng)速范圍一般3～20 m/s，且主導(dǎo)風(fēng)向與導(dǎo)線走向夾角不小于45°時，導(dǎo)線易舞動。

3.2 地形與地勢條件

與不規(guī)則氣流對導(dǎo)線的空氣動力載荷產(chǎn)生抵消相比，來自同一方向穩(wěn)定的層流對導(dǎo)線的空氣動力載荷有疊加效應(yīng)。在四周無屏蔽物的開闊地帶，能使均勻的風(fēng)持續(xù)吹向?qū)Ь€。因此，從風(fēng)速及空氣流態(tài)來說，平原、開闊或山谷風(fēng)口地區(qū)都更加有利于舞動的形成。

3.3 線路走向與結(jié)構(gòu)參數(shù)

如果把氣象條件、地形地勢等條件看作外因，那么，線路本身的走向與結(jié)構(gòu)參數(shù)，就是引起舞動的內(nèi)因，不利的線路走向與結(jié)構(gòu)組合易增大舞動幾率。

⑴線路走向

若風(fēng)向與物體的軸線之間有一個夾角，起激振作用的是風(fēng)的垂直分量，而平行于物體軸線的分量通常是不會起到激勵作用的?；诖?，線路舞動狀態(tài)，也取決于風(fēng)向?qū)?dǎo)線軸線的夾角。夾角越接近90°，舞動的可能性越大，反之，當(dāng)夾角為零，即風(fēng)向平行于導(dǎo)線軸線時，則引起舞動的可能性最小。

⑵導(dǎo)線類型

單導(dǎo)線覆冰時，由于扭轉(zhuǎn)剛度小，在偏心覆冰作用下導(dǎo)線易發(fā)生很大扭轉(zhuǎn)，使覆冰截面形狀趨于圓形；而分裂導(dǎo)線覆冰時，由于間隔棒的作用，每根子導(dǎo)線的相對扭轉(zhuǎn)剛度比單導(dǎo)線大得多，在偏心覆冰作用下，導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)極其微小，不能阻止導(dǎo)線覆冰的不對稱性，覆冰易形成翼形斷面。因此，對于分裂導(dǎo)線，由風(fēng)激勵產(chǎn)生的升力和扭矩遠(yuǎn)大于單導(dǎo)線。

⑶導(dǎo)線直徑

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)，使得覆冰更多的堆積在同一方向，使導(dǎo)線迎風(fēng)面與背風(fēng)面的冰層厚度差增大，導(dǎo)線覆冰截面的偏心度甚于小截面導(dǎo)線，更易形成翼形斷面，在風(fēng)激勵作用下，產(chǎn)生的升力和扭矩要大些，因此產(chǎn)生舞動的可能性比小截面導(dǎo)線大。

⑷線路檔距

關(guān)于檔距與舞動間的關(guān)系，目前存在兩種觀點(diǎn)：其一認(rèn)為，短檔距的扭振和橫向固有頻率較長檔距高，不易在低頻帶發(fā)生耦合諧振，有抑舞作用；另一認(rèn)為，短檔距的相對扭轉(zhuǎn)剛度比長檔距大，迎風(fēng)面覆冰時扭轉(zhuǎn)角小，更易形成翼形覆冰，在相同風(fēng)激勵下，升力、扭矩要大些，更易于舞動。從有關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)來看，檔距大小與舞動尚無明確關(guān)系。

隨著我國電網(wǎng)建設(shè)力度的加強(qiáng)，電網(wǎng)密度逐年增大，且呈現(xiàn)多分裂、大截面的發(fā)展趨勢，就此而言增大了導(dǎo)線舞動發(fā)生的可能性。

4 氣象要素統(tǒng)計(jì)分析

4.1 故障地氣象站概況

距離220 kV鳳香、蘆薔線和220 kV旗唐線故障地點(diǎn)最近的常規(guī)氣象站為連云港站和淮安氣象站。同時，鑒于風(fēng)易受下墊面地形地物影響，為更準(zhǔn)確描述故障地點(diǎn)風(fēng)況，引用了氣象部門于近年來設(shè)立的中尺度氣象自動站觀測統(tǒng)計(jì)。

表1 距離線路故障點(diǎn)最近的氣象站

4.2 電線結(jié)冰觀測分析

淮安氣象站有長期覆冰(氣象部門稱“電線結(jié)冰”)觀測任務(wù)。2010年2月10～11日該站南北、東西向觀冰架電線結(jié)冰的直徑與厚度均為6 mm(含4 mm電線直徑)，由雨凇形成。這說明2010年2月10日有一次雨凇覆冰過程。

4.3 氣象站冬季風(fēng)況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)連云港氣象站及開發(fā)區(qū)自動站測風(fēng)統(tǒng)計(jì)可知：①連云港氣象站累年冬季風(fēng)向主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE(頻率11%)，風(fēng)速亦以NNE向?yàn)樽畲?，達(dá)4.2 m/s。②連云港開發(fā)區(qū)自動站設(shè)站觀測時間雖較遲(2006年12月)，但其冬季主導(dǎo)風(fēng)向亦為NNE(頻率18%)，最大風(fēng)速出現(xiàn)于ENE(3.4m/s)，次大風(fēng)速出現(xiàn)于NNE(3.3 m/s)。

根據(jù)淮安氣象站及地震臺自動站測風(fēng)統(tǒng)計(jì)可知：①淮安氣象站累年冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E(頻率9%)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹、NNE和ENE(頻率均為7.7%)，風(fēng)速以NE向?yàn)樽畲?3.7 m/s)，次大風(fēng)為NNE向(3.6 m/s)；②淮安地震臺自動站設(shè)站觀測時間亦較遲(2007年12月)，其冬季主導(dǎo)風(fēng)向亦為NNE(頻率10%)，次主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE(頻率9%)，最大風(fēng)速出現(xiàn)于NE(2.5 m/s)。

4.4 故障日風(fēng)速風(fēng)向分析

根據(jù)連云港開發(fā)區(qū)、淮安地震臺氣象自動站2010年2月10日0∶00～23∶00逐時風(fēng)速風(fēng)向資料，分別繪制逐時風(fēng)矢量折線圖(圖1、圖3)和風(fēng)速過程圖(圖2、圖4)。

圖1 連云港開發(fā)區(qū)自動站2010年2月10日逐時風(fēng)矢量折線圖

圖2 連云港開發(fā)區(qū)自動站2010年2月10日逐時風(fēng)速過程

由圖1、圖2可見：①據(jù)連云港開發(fā)區(qū)自動站，2010年2月10日，NNE向風(fēng)占據(jù)主導(dǎo)，在全天24小時內(nèi)合計(jì)出現(xiàn)16個小時，持續(xù)而穩(wěn)定；②大風(fēng)亦出現(xiàn)于NNE向中，9時～10時先后出現(xiàn)8.4 m/s、8.5 m/s的當(dāng)日次大及最大風(fēng)速；③該日22時、23時最大風(fēng)速分別為7.3 m/s(N)和8.2 m/s(NNE)，即22時～23時間風(fēng)速處于增大期，至23時風(fēng)速增為24小時中的第3大風(fēng)速。

圖3 淮安地震臺自動站2010年2月10日逐時風(fēng)矢量折線圖

圖4 淮安地震臺自動站2010年2月10日逐時風(fēng)速過程

圖3、圖4顯示，據(jù)淮安地震臺自動站，2010年2月10日，NE向風(fēng)占據(jù)主導(dǎo)，在全天24小時內(nèi)合計(jì)出現(xiàn)20個小時，持續(xù)而穩(wěn)定；大風(fēng)亦出現(xiàn)于NE向中，9時出現(xiàn)7.1 m/s的當(dāng)日最大風(fēng)速。

5 線路故障原因分析

⑴受特殊天氣影響，連云港、淮安地區(qū)2010年2月10日天氣狀況惡劣，大風(fēng)伴隨雨凇，淮安氣象站測得6 mm厚(含4 mm的電線直徑)的結(jié)冰，輸電線路具備發(fā)生導(dǎo)線舞動的風(fēng)冰等基本氣象背景條件；

⑵220 kV蘆薔線29#～30#檔位于錦屏山和前云臺山間的山谷南側(cè)，220 kV鳳香線85#～86#檔位于前云臺山和中后云臺山間的山谷南側(cè)，220 kV旗唐線58#塔位于淮安、漣水兩城市之間地段，山間、城市間高聳建筑物在一定程度上擠壓了氣流，且均處于累年冬季主導(dǎo)風(fēng)的下風(fēng)側(cè)，易受氣流狹管效應(yīng)的影響，具備使局地風(fēng)速持續(xù)強(qiáng)勁的地形地物條件，有利于導(dǎo)線舞動的形成；

⑶220 kV蘆薔線29#～30#檔、220 kV鳳香線85#～86#檔線路均為NW－SE走向，與2010年2月10日主導(dǎo)風(fēng)向NNE的夾角約為67.5°；220 kV旗唐線58#塔所在耐張段線路為NNWSSE走向，與2010年2月10日主導(dǎo)風(fēng)向NE的夾角亦約67.5°。因雨凇在導(dǎo)線表面形成不均勻覆冰后，受NNE、NE向持續(xù)穩(wěn)定的大風(fēng)激勵，產(chǎn)生導(dǎo)線舞動現(xiàn)象；

⑷根據(jù)連云港開發(fā)區(qū)自動站觀測，2010年2月10日故障地NNE向風(fēng)占據(jù)主導(dǎo)，持續(xù)而穩(wěn)定；大風(fēng)亦出現(xiàn)于NNE向中，9時～10時先后出現(xiàn)當(dāng)日次大及最大風(fēng)速，這與220 kV鳳香線于10∶06跳閘故障吻合；22時～23時間風(fēng)速處于增大期，至23時增至24小時中的第3大風(fēng)速，在此期間220 kV蘆薔線(22∶22)跳閘故障。當(dāng)上、下導(dǎo)線舞動不同步時，若相間距離小于必需的電氣距離時，即發(fā)生閃絡(luò)跳閘故障；

⑸根據(jù)淮安地震臺自動站觀測，2010年2月10日故障地NE向風(fēng)占據(jù)主導(dǎo)，持續(xù)而穩(wěn)定。220 kV旗唐線持續(xù)接受風(fēng)冰影響而舞動，58#塔磁棒于21∶36斷裂導(dǎo)線脫落，而此時風(fēng)速僅約3.3～3.6 m/s，說明58#塔磁棒存在發(fā)生破裂、破裂加深并最終斷裂的發(fā)展過程，這一點(diǎn)與220 kV鳳香線、蘆薔線閃絡(luò)跳閘故障和大風(fēng)在時間上較為吻合是有區(qū)別的；

⑹220 kV蘆薔線、220 kV鳳香線以及220 kV旗唐線均為同塔雙回線，發(fā)生閃絡(luò)故障的均為單側(cè)回路，而同檔另一側(cè)回路并未發(fā)生故障，這充分說明了導(dǎo)線舞動復(fù)雜性和軌跡的高度隨機(jī)性，即蘆薔線、鳳香線故障側(cè)導(dǎo)線因舞動造成相間距離不足而閃絡(luò)，而另一側(cè)導(dǎo)線雖發(fā)生舞動，但其相間距離并未達(dá)到閃絡(luò)的極限。旗唐線故障側(cè)導(dǎo)線因舞動造成磁棒斷裂，而另一側(cè)導(dǎo)線雖發(fā)生舞動，但并未造成部件明顯受損。同樣的，同一耐張段的其它檔也有可能發(fā)生導(dǎo)線舞動，只不過舞動尚未造成閃絡(luò)故障或部件受損罷了；

⑺220 kV蘆薔線、220 kV鳳香線發(fā)生導(dǎo)線舞動的檔距分別為390 m和379 m，220 kV旗唐線58#塔兩側(cè)檔距分別為435 m和325 m，與前后檔距相比并無過大或過小現(xiàn)象，這也說明了導(dǎo)線舞動與檔距大小似無明確關(guān)系。

6 防舞設(shè)計(jì)建議

⑴線路舞動的因素比較復(fù)雜，根據(jù)國內(nèi)外線路舞動事件的統(tǒng)計(jì)研究，主要取決于當(dāng)?shù)乇L(fēng)氣象條件、地形地勢等與線路走向及其結(jié)構(gòu)參數(shù)的耦合程度；

⑵根據(jù)常規(guī)氣象站以及氣象自動站累年冬季風(fēng)速風(fēng)向統(tǒng)計(jì)，連云港地區(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE，且NNE向風(fēng)速相對較大，冬季NNE向風(fēng)強(qiáng)勁而穩(wěn)定，這與2月10日線路故障日風(fēng)速風(fēng)向是一致的?；窗驳貐^(qū)冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E、NNE，且主導(dǎo)風(fēng)向風(fēng)速相對較大，冬季NE、NNE向風(fēng)強(qiáng)勁而穩(wěn)定，這與線路故障日風(fēng)速風(fēng)向大體一致；

⑶為進(jìn)一步保證運(yùn)行安全，對于蘆薔線、鳳香線以及旗唐線故障地及其鄰近地區(qū)與NE、NNE向大致呈垂直風(fēng)向的NW－SE向、WNW－ESE向，且面對前山谷風(fēng)口的的輸電線路采取防覆冰、防舞動的技術(shù)措施是必要的，對滿足前述條件且與高速公路、鐵路、其它高壓輸電線路的重要交跨段尤應(yīng)如此；

⑷線路舞動的形成發(fā)展因素中含有如冰、風(fēng)、氣溫、降水、地形等以及線路本身等諸多隨機(jī)因素，因此線路舞動是一隨機(jī)事件，其形成發(fā)展的機(jī)理并未完全清楚，尚有待進(jìn)一步研究。

[1]王少華，等．輸電線路導(dǎo)線舞動的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J]．高電壓技術(shù)，2005，31(10)．

[2]黃經(jīng)亞．架空輸電線路導(dǎo)線舞動的分析研究[J]．中國電力，1995，28(2)．

[3]石吉漢，吳繼云．導(dǎo)線舞動的防治[J]．電力建設(shè)，2005，26(12)．

[4]朱寬軍，等．輸電線路舞動的研究與治理[J]．電力建設(shè)，2004，25(12)．

[5]江蘇省氣候中心．2009～2010年冬季氣候影響評價[R]．2010．

Meteorological Analysis and Evaluation of Transmission Lines Galloping in North Jiangsu in 2010

PAN Xiao-chun
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

Combined with galloping of transmission lines in North Jiangsu in February 10, 2010, according to meteorological observation data of conventional and automatic station. The meteorological and topographical factors of inducing galloping are analyzed. This paper puts forward the analysis thought for the cause of conductor galloping, and provides a basis for anti-galloping design.

conductor galloping; uneven iced; wind excitation; anti-galloping design.

P49

B

1671-9913(2010)06-0029-05

2010-10-14

潘曉春(1971-)，男，江蘇姜堰人，碩士，高級工程師，主要從事電力工程水文氣象勘測設(shè)計(jì)工作。