任勝軍，任嘉浩

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120；2.北京市第十三中學(xué)，北京 100088)

輸電線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)原因分析和治理措施

任勝軍1，任嘉浩2

(1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120；2.北京市第十三中學(xué)，北京 100088)

某220 kV線(xiàn)路發(fā)生覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象，引發(fā)輸電線(xiàn)路出現(xiàn)相間短路故障、鐵塔橫擔(dān)損壞、金具串及導(dǎo)線(xiàn)落地等嚴(yán)重事故。通過(guò)查詢(xún)事故記錄、現(xiàn)場(chǎng)走訪(fǎng)調(diào)研、理論分析等多種手段綜合分析了此次事故的誘因及機(jī)理，并據(jù)此提出了針對(duì)性的防治措施，以防止舞動(dòng)災(zāi)害的再次發(fā)生，保障輸電線(xiàn)路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

輸電線(xiàn)路；舞動(dòng)；覆冰；防舞裝置

0 引言

舞動(dòng)是輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)因覆冰形成非圓截面，在水平方向風(fēng)作用下誘發(fā)產(chǎn)生的一種低頻、大振幅的自激振動(dòng)。輸電線(xiàn)路一旦發(fā)生舞動(dòng)，將造成諸多危害；如果導(dǎo)致線(xiàn)路出現(xiàn)相間故障，將引發(fā)線(xiàn)路跳閘、停運(yùn)，嚴(yán)重時(shí)將引發(fā)導(dǎo)線(xiàn)斷股、金具損壞、塔材彎曲、基礎(chǔ)開(kāi)裂等機(jī)械損傷。

舞動(dòng)的產(chǎn)生與氣象環(huán)境息息相關(guān)，雨雪天氣明顯增加的冬季和初春時(shí)節(jié)是我國(guó)線(xiàn)路舞動(dòng)災(zāi)害頻發(fā)的高峰時(shí)期。2016-11-20，河北省某200 kV線(xiàn)路發(fā)生覆冰舞動(dòng)現(xiàn)象，舞動(dòng)持續(xù)時(shí)間超過(guò)20 h且幅值較大，導(dǎo)致輸電線(xiàn)路出現(xiàn)相間短路故障，造成線(xiàn)路長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)事故情況

2016-11-20T21:18，某線(xiàn)路發(fā)生故障，AB相間短路跳閘，重合閘成功。

2016-11-20T21:28，BC相間短路跳閘，重合閘不成功。

2016-11-21T10:00，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，線(xiàn)路仍在舞動(dòng)，不具備送電條件，此時(shí)尚未發(fā)生塔材受損、橫擔(dān)脫落事故。線(xiàn)路附近多條500 kV，220 kV及110 kV線(xiàn)路亦同時(shí)發(fā)生舞動(dòng)。

2016-11-21T15:00，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，發(fā)現(xiàn)47號(hào)耐張塔外角側(cè)中相導(dǎo)線(xiàn)橫擔(dān)部分?jǐn)嗔眩恍√?hào)側(cè)中相橫擔(dān)主材斷裂落地，跳線(xiàn)串及小號(hào)側(cè)耐張串落地；46號(hào)直線(xiàn)塔右側(cè)中相橫擔(dān)扭轉(zhuǎn)變形，橫擔(dān)未落地，懸垂串傾斜。

2 線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)的機(jī)理

導(dǎo)線(xiàn)覆冰舞動(dòng)災(zāi)害是輸電領(lǐng)域的重要問(wèn)題，迄今為止，已有多國(guó)專(zhuān)家學(xué)者圍繞覆冰舞動(dòng)的機(jī)理和模型展開(kāi)了研究。

目前，主流模型有：垂直舞動(dòng)機(jī)理、扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動(dòng)機(jī)理和偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理。

2.1 垂直舞動(dòng)機(jī)理

垂直舞動(dòng)模型忽略導(dǎo)線(xiàn)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只考慮導(dǎo)線(xiàn)由風(fēng)激勵(lì)產(chǎn)生的升力L和阻力D，其值可表示為：

式中，P為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)的投影面積(不計(jì)覆冰厚度)；V為風(fēng)速；ρ為空氣密度；CL為升力系數(shù)，可正可負(fù)；CD為阻力系數(shù)，總為正值。當(dāng)出現(xiàn) CL/θ+CD＜0(θ為攻角)時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)將產(chǎn)生自激振蕩。

2.2 扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動(dòng)機(jī)理

扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動(dòng)機(jī)理兼顧了垂直方向的空氣動(dòng)力作用和導(dǎo)線(xiàn)的扭轉(zhuǎn)作用。當(dāng)空氣扭轉(zhuǎn)阻尼是負(fù)值且大于導(dǎo)線(xiàn)扭轉(zhuǎn)固有阻尼時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)將開(kāi)始自激扭振。一旦滿(mǎn)足式(3)所示條件，則扭轉(zhuǎn)頻率與垂直振動(dòng)頻率重合，將引發(fā)線(xiàn)路舞動(dòng)。

式中，αk和ωk分別為導(dǎo)線(xiàn)第k階扭振腹點(diǎn)振幅和圓頻率，V0為與線(xiàn)路走向垂直的水平風(fēng)速，θ0為初始攻角。

2.3 偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理

除垂直振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)外，覆冰導(dǎo)線(xiàn)還存在偏心慣性。它將引起攻角變化，使相應(yīng)的升力對(duì)橫向振動(dòng)形成正反饋，加劇橫向振動(dòng)。此為偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理，是最全面的模型，分別從垂直、水平和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)3個(gè)自由度進(jìn)行分析，在舞動(dòng)的仿真模擬、舞動(dòng)影響因素的定性分析方面具有廣泛的應(yīng)用。

3 導(dǎo)線(xiàn)覆冰舞動(dòng)原因分析

導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)是一種復(fù)雜的流固耦合振動(dòng)，是多種復(fù)雜因素相互作用的結(jié)果。針對(duì)此次220 kV輸電線(xiàn)路事故情況，通過(guò)分析氣象條件、線(xiàn)路結(jié)構(gòu)與參數(shù)、線(xiàn)路所處的地理?xiàng)l件，探究線(xiàn)路舞動(dòng)的原因。

3.1 氣象條件

覆冰舞動(dòng)是風(fēng)和冰聯(lián)合作用后的結(jié)果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，此次舞動(dòng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)為雨雪大風(fēng)天氣。事故線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)表面有新月形覆冰，覆冰改變了導(dǎo)線(xiàn)的幾何形狀，在導(dǎo)線(xiàn)的一側(cè)形成翼面。當(dāng)大風(fēng)來(lái)襲時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)上部的壓力隨氣流速度的增大而減小，與導(dǎo)線(xiàn)下部產(chǎn)生壓差，使得導(dǎo)線(xiàn)同時(shí)承受上揚(yáng)力和水平力的作用。上揚(yáng)力與導(dǎo)線(xiàn)的自身重力作用引發(fā)導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生垂直振蕩，又因?qū)Ь€(xiàn)偏心覆冰，進(jìn)而扭轉(zhuǎn)振蕩；一旦振蕩頻率與導(dǎo)線(xiàn)固有頻率吻合，舞動(dòng)隨即產(chǎn)生。

3.2 線(xiàn)路結(jié)構(gòu)與參數(shù)

氣象條件可視為導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的外因，而線(xiàn)路自身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)則是導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)的內(nèi)因。在同樣的外界工況下，輸電線(xiàn)路的檔距、導(dǎo)線(xiàn)分裂數(shù)和導(dǎo)線(xiàn)直徑對(duì)導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)發(fā)生的概率及幅值有直接影響。對(duì)于單根導(dǎo)線(xiàn)，隨著檔距的增大，導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)幅值先增加后減??；而對(duì)于分裂導(dǎo)線(xiàn)，隨著檔距的增大，舞動(dòng)幅值隨之增大。導(dǎo)線(xiàn)分裂數(shù)越多、直徑越大，導(dǎo)線(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度則越大，導(dǎo)線(xiàn)上出現(xiàn)不規(guī)則覆冰的概率越大，從而更容易引發(fā)導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)。該220 kV輸電線(xiàn)路為2分裂導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)為JL/LB20A-630/45鋁包鋼芯鋁絞線(xiàn)。

3.3 線(xiàn)路所處地理環(huán)境

此次舞動(dòng)發(fā)生時(shí)風(fēng)向?yàn)闁|北方向，與線(xiàn)路約成80°夾角。線(xiàn)路所處地帶空曠且地形平緩，風(fēng)速大且持續(xù)穩(wěn)定，極易形成舞動(dòng)。

4 線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)的治理措施

此次長(zhǎng)時(shí)間、大振幅的覆冰舞動(dòng)對(duì)220 kV線(xiàn)路造成了嚴(yán)重破壞，因此提供以下應(yīng)對(duì)措施。

4.1 提高線(xiàn)路設(shè)計(jì)強(qiáng)度

導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)會(huì)對(duì)導(dǎo)線(xiàn)絕緣子串及其連接金具產(chǎn)生較大的沖擊力，極易造成絕緣子及金具的損壞。提高絕緣子、金具的安全系數(shù)，使用雙聯(lián)懸垂串、雙線(xiàn)夾、優(yōu)選預(yù)絞式線(xiàn)夾，均可提高絕緣子串的抗舞動(dòng)性能。

在耐張塔轉(zhuǎn)角內(nèi)外側(cè)均安裝跳線(xiàn)串，可抑制耐張串大幅擺動(dòng)而牽連跳線(xiàn)的擺動(dòng)，有利于減小跳線(xiàn)對(duì)耐張線(xiàn)夾的往復(fù)作用力，從而提高耐張線(xiàn)夾抗疲勞性能，減小跳線(xiàn)發(fā)生風(fēng)偏放電的幾率。

根據(jù)耐張塔橫擔(dān)發(fā)生損壞的情況，橫擔(dān)加雙帽可以在舞動(dòng)情況下有效防止因螺栓松動(dòng)導(dǎo)致的桿塔破壞現(xiàn)象(事故塔除掛線(xiàn)節(jié)點(diǎn)外其他部位的螺栓未加雙帽)。

4.2 加裝防舞裝置

目前常用的防舞裝置有相間間隔棒、線(xiàn)夾回轉(zhuǎn)式間隔棒、雙擺防舞器、失諧擺及偏心重錘等。此次舞動(dòng)事故持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波及范圍廣，建議加裝相間間隔棒，以減小導(dǎo)線(xiàn)舞動(dòng)幅度，提高線(xiàn)路抗舞動(dòng)能力。

4.3 提高鐵塔可靠性

目前應(yīng)對(duì)線(xiàn)路舞動(dòng)的方式主要有主動(dòng)防治和被動(dòng)承受2種。針對(duì)被動(dòng)承受方式，應(yīng)該整體考慮線(xiàn)路設(shè)計(jì)的安全系數(shù)。目前線(xiàn)路設(shè)計(jì)相關(guān)部分的安全系數(shù)最薄弱的環(huán)節(jié)往往是鐵塔；如果鐵塔受損，金具、絕緣子及導(dǎo)線(xiàn)或地線(xiàn)也往往會(huì)落地，必然導(dǎo)致絕緣子和導(dǎo)地線(xiàn)受到不同程度的損壞。另外，因鐵塔加工周期較長(zhǎng)，鐵塔受損將會(huì)制約搶修及恢復(fù)通電時(shí)間，而金具、導(dǎo)線(xiàn)及絕緣子因有備件不限制搶修時(shí)間。故從加快恢復(fù)通電、減少因停電造成的影響角度出發(fā)，在進(jìn)行防舞動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能提高鐵塔的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合事故記錄情況，圍繞氣象條件、線(xiàn)路結(jié)構(gòu)和參數(shù)、線(xiàn)路所處地理環(huán)境等方面分析了此次線(xiàn)路發(fā)生覆冰舞動(dòng)的原因。依托偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理，從垂直、水平和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)3個(gè)自由度定性分析了舞動(dòng)的影響因素及對(duì)線(xiàn)路的破壞作用力情況。為減少線(xiàn)路因覆冰舞動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性的影響，從提高線(xiàn)路電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)強(qiáng)度、加裝防舞裝置等方面探討了治理和防治措施，保障線(xiàn)路安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 周四化．輸電線(xiàn)路防舞動(dòng)治理[J]．電力安全技術(shù)，2013，15(6)：57-58.

2 郭應(yīng)龍，李國(guó)興，尤傳永．輸電線(xiàn)路舞動(dòng)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2003．

3 李新民，朱寬軍，李軍輝．輸電線(xiàn)路舞動(dòng)分析及防治方法研究進(jìn)展[J]．高電壓技術(shù)，2011，37(2)：484-490．

4 劉昌盛，劉和志，姜丁尤，等．輸電線(xiàn)路覆冰舞動(dòng)研究綜述[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2014，24(14)：156-164．

2016-08-30。

任勝軍(1970-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事輸電線(xiàn)路設(shè)計(jì)等工作，email：rensj@ncpe.com.cn。

任嘉浩(1999-)，男，高中生，北京市第十三中學(xué)在讀。