鄭文鵬

摘 要 自20世紀(jì)初開(kāi)始大規(guī)模建設(shè)架空輸電線路以來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)架空線在風(fēng)、冰等因素作用下具有不同特征的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象——各種類型的振動(dòng)。本文使得我們對(duì)架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)的發(fā)生機(jī)理，微風(fēng)振動(dòng)情況下的工況，微氣象條件下風(fēng)速、風(fēng)向、環(huán)境溫度等因素與微風(fēng)振動(dòng)的因果關(guān)系等問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)研究，進(jìn)一步提高對(duì)微風(fēng)振動(dòng)的認(rèn)識(shí)高度。在經(jīng)過(guò)充分的數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)之上判定所發(fā)生的輸電線路振動(dòng)、疲勞、損傷、斷股、斷線等現(xiàn)象的深層原因，并且提出具有針對(duì)性地防振措施和綜合解決方案，從而更好地為電網(wǎng)安全運(yùn)行服務(wù)。

關(guān)鍵詞 輸電線路 微風(fēng)振動(dòng) 防振設(shè)計(jì) 電網(wǎng)安全

一、微風(fēng)振動(dòng)形成機(jī)理

微風(fēng)振動(dòng)是一種發(fā)生在架空導(dǎo)線、地線及光纜（OPGW或ADSS等）的渦流回流現(xiàn)象。微風(fēng)振動(dòng)的基本原理是穩(wěn)定的層流風(fēng)垂直（或可分解的垂直分量）吹過(guò)圓柱形物體（如纜線）時(shí)，在圓柱體的背風(fēng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生氣流漩渦，它上下交替且旋向相反，在上下交替的沖擊力作用下，圓柱體會(huì)產(chǎn)生上下垂直于風(fēng)向的正諧周期性運(yùn)動(dòng)。當(dāng)風(fēng)吹向圓柱形物體時(shí)，在它的后面分層交錯(cuò)的渦流形成一定的壓力差，這樣就使圓柱形物體在與風(fēng)吹動(dòng)方向相垂直的方向產(chǎn)生移動(dòng)（稱之為“卡門(mén)漩渦”）。如果渦流的頻率與電線的自然頻率相接近時(shí)，纜線將發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)。

二、影響微風(fēng)振動(dòng)的主要因素

影響微風(fēng)振動(dòng)的因素有很多，主要有風(fēng)速和風(fēng)向、地形地物、架空線結(jié)構(gòu)和材料、擋距大小和懸掛高度及電線使用張力等。

1.風(fēng)速和風(fēng)向的影響。風(fēng)作用于電線上，輸入一定的風(fēng)能，使其發(fā)生振動(dòng)。風(fēng)速較小時(shí)，輸入的能量不足以克服架空線系統(tǒng)的阻力，因此引起架空線振動(dòng)的風(fēng)速有一下限值 ，一般取0.5 m/s。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，其不均勻性增加到一定程度時(shí)，由于卡門(mén)漩渦的穩(wěn)定性受到破壞，致使架空線的振動(dòng)減弱甚至停止，因此架空線振動(dòng)風(fēng)速有一上限值，一般取4 m/s ～6 m/s，大跨越和高塔可適當(dāng)提高。如220 kV樓哈線中在“百里風(fēng)區(qū)”的 300基桿塔發(fā)生斷股40余處，而兩側(cè)的 500基桿塔發(fā)生了 260余處，發(fā)生幾率在6倍左右。

風(fēng)能否振動(dòng)還與風(fēng)向有關(guān)，觀察到風(fēng)向與電線的軸線夾角在45°～90°時(shí)容易發(fā)生振動(dòng)；當(dāng)在30°～45°時(shí)，振動(dòng)的穩(wěn)定性很小，在30°以下時(shí)，一般不發(fā)生振動(dòng)。

2.地形地物的影響。風(fēng)速的均勻性與方向的恒定性，是保持架空線持續(xù)振動(dòng)的必要條件。當(dāng)線路通過(guò)開(kāi)闊的平原地區(qū)時(shí)，其地面的粗糙度較小，對(duì)空氣的擾亂作用小，氣流的均勻性和方向性不容易受到破壞，所以容易使架空線持續(xù)穩(wěn)定的振動(dòng)。若地形起伏錯(cuò)綜崎嶇，或有高低建筑，樹(shù)林等，地面粗糙度加大，破壞了氣流的均勻性和方向的穩(wěn)定性，因而架空線不易振動(dòng)，而且振動(dòng)強(qiáng)度降低。

3.架空線結(jié)構(gòu)和材料的影響。（1）架空線截面形狀和表面狀況的影響。當(dāng)架空線是一個(gè)圓形截面的柱體時(shí)，氣流在其背面形成上下交替的卡門(mén)漩渦，引起振動(dòng)。若架空線的表面采用三股線制成的絞線，因這種結(jié)構(gòu)破壞了卡門(mén)漩渦的穩(wěn)定頻率，其振動(dòng)頻率較為輕微，但此種絞線不適用于實(shí)際工程。而光滑型的導(dǎo)線，其直徑與截面的比值較小，雖能減少風(fēng)荷載和減少覆冰及舞動(dòng)，但微風(fēng)振動(dòng)的幅值及延續(xù)時(shí)間則變得嚴(yán)重。

（2）架空線股絲、股數(shù)和直徑的影響。架空線的股數(shù)多和層數(shù)多的，有較高的自阻尼作用，能消耗更多的能量，使之不易振動(dòng)或降低振動(dòng)強(qiáng)度，因此選用多股多層的架空線有利于防振。另一方面，在同樣截面下，股數(shù)越多，股線直徑必然越小，對(duì)于同一容許振動(dòng)應(yīng)力值，小股線直徑可以容許較大的彎曲幅值。一般認(rèn)為，在相同振幅下，直徑小的，風(fēng)能輸入的相對(duì)功率要大些。統(tǒng)計(jì)資料也表明，架空線的直徑越小，疲勞斷股的比例越高。因此，架空線的直徑越小，越需要防振。

（3）架空線材料的影響。通常，架空線材料的疲勞極限并不按其破壞強(qiáng)度的增大成比例的增大，二者的比例反而隨破壞強(qiáng)度的提高而下降，如高強(qiáng)度鋼絲，其疲勞極限約為其破壞強(qiáng)度的28%，而特高強(qiáng)度的鋼絲，這個(gè)比例降到24%。因而在工程中用相同的平均運(yùn)行應(yīng)力安全系數(shù)，從振動(dòng)看并不具有同等的安全性。

另外，架空線所用材料的重量較小，其振動(dòng)越嚴(yán)重。這是由于風(fēng)速相同，輸入的兩個(gè)相同直徑的圓柱體的能量相同，或者說(shuō)兩圓柱體產(chǎn)生相同的上揚(yáng)力，質(zhì)量小的獲得的加速度大，振幅必然大。

4.擋距長(zhǎng)度和懸掛高度的影響。風(fēng)輸給架空線的能量與擋距成正比，即擋距越大，風(fēng)能輸入能量越大。同時(shí)擋距增大，半波數(shù)湊成整數(shù)的幾率也增加。此外，擋距長(zhǎng)度增大，架空線懸掛高度也隨之增高，振動(dòng)風(fēng)速范圍上限也相應(yīng)提高。由于這些原因，架空線振動(dòng)幾率、頻率及持續(xù)時(shí)間都因擋距增大而增大。

5.懸掛體系的影響。在擋距端部，架空線通過(guò)絕緣子串與桿塔橫擔(dān)相連，這些部件的阻尼對(duì)架空線振動(dòng)的強(qiáng)度有很大影響。架空線振動(dòng)時(shí)，絕緣子各個(gè)元件間產(chǎn)生相對(duì)位移和摩擦，橫擔(dān)產(chǎn)生變形，消耗掉了一部分能量，減輕了振動(dòng)的危害。運(yùn)行實(shí)踐表明，酒杯塔的邊橫擔(dān)和中橫擔(dān)相比，前者的架空線振動(dòng)強(qiáng)度小，斷股數(shù)少。美國(guó)對(duì)某一條345 kV線路實(shí)測(cè)表明，邊相導(dǎo)線的振動(dòng)強(qiáng)度要比中相的低10%以上；另一條水平排列的針式絕緣子線路，橫擔(dān)邊相導(dǎo)線的斷股為0.6%，而桿頂中相導(dǎo)線的斷股數(shù)竟高達(dá)30%。

6.架空線張力的影響。張力越大，頻率也就越高，單位時(shí)間振動(dòng)次數(shù)增多了，如果以耐振次數(shù)衡量架空線疲勞極限，則其疲勞壽命短了，這是對(duì)線路長(zhǎng)期運(yùn)行是不利的。

三、防振技術(shù)方案

（1）選擇路徑方案時(shí)應(yīng)注意避免線路方向與風(fēng)向夾角較大。觀察發(fā)現(xiàn)風(fēng)向與電線的軸線夾角在45°～90°時(shí)容易發(fā)生振動(dòng)；當(dāng)在30°～45°時(shí)，振動(dòng)的穩(wěn)定性很小，在30°以下時(shí)，一般不發(fā)生振動(dòng)。

（2）平坦開(kāi)闊地區(qū)，氣流均勻，方向穩(wěn)定，微風(fēng)振動(dòng)較嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)相應(yīng)的防振措施。

（3）相同截面應(yīng)采用較多股數(shù)的地線，或采用分裂數(shù)較多的導(dǎo)線；相同股數(shù)或分裂數(shù)時(shí)，應(yīng)采用較大截面的導(dǎo)地線。

（4）在微風(fēng)振動(dòng)較嚴(yán)重的地區(qū)應(yīng)縮小擋距、避免使用高塔。擋距越大，風(fēng)能也越大，相同截面的導(dǎo)地線振動(dòng)頻率越大；同時(shí)湊成整數(shù)個(gè)半波長(zhǎng)的幾率也增加，微風(fēng)振動(dòng)加強(qiáng)。在使用高塔時(shí)，呼稱高增加時(shí)，微風(fēng)振動(dòng)風(fēng)速范圍也提高，微風(fēng)振動(dòng)幾率、頻率和持續(xù)時(shí)間都增加 。

（5）避免運(yùn)行時(shí)張力過(guò)大。張力越大，頻率也就越高，單位時(shí)間振動(dòng)次數(shù)增多了，如果以耐振次數(shù)衡量架空線疲勞極限，則其疲勞壽命短了，這是對(duì)線路長(zhǎng)期運(yùn)行是不利的。

四、防振措施

在整個(gè)擋距中，不管架空線以何種波長(zhǎng)和頻率振動(dòng)，都以兩端固定點(diǎn)即線夾出口處的架空線受損最為嚴(yán)重，主要原因如下：

（1）線夾出口處始終是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，角度位移大。

（2）線夾本身轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，在懸掛點(diǎn)容易形成死點(diǎn)，振動(dòng)波不容易通過(guò)線夾傳向相鄰檔，振動(dòng)的絕大部分能量消耗在線夾出口處的架空線上。

（3）線夾出口處有較大的靜態(tài)應(yīng)力，使線夾出口處的導(dǎo)線容易疲勞破壞。因此，常用的防振措施是在線夾出口處進(jìn)行防振。目前常用的防振措施是防振錘和阻尼線。

五、結(jié)束語(yǔ)

架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)是高壓輸電線路振動(dòng)最普遍的形式，同時(shí)也是造成輸電線路損傷的主要原因，期望廣大電力工作者對(duì)架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)引起足夠的重視。因此，一定要透徹掌握架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)的形成機(jī)理、影響微風(fēng)振動(dòng)的主要因素以及防振技術(shù)方案與措施，才可以讓關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的輸電電網(wǎng)更加堅(jiān)強(qiáng)。

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