夏令志， 程 洋， 嚴(yán) 波， 操松元

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230601； 2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司， 安徽 合肥 230022)

0 引言

輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)是危害輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的一種嚴(yán)重災(zāi)害，舞動(dòng)是導(dǎo)線發(fā)生偏心覆冰，在風(fēng)激勵(lì)下產(chǎn)生的一種低頻、大振幅自激振動(dòng)，舞動(dòng)會(huì)造成閃絡(luò)跳閘、金具及絕緣子損壞、導(dǎo)線斷股斷線、桿塔螺栓松動(dòng)脫落、塔材損傷、基礎(chǔ)受損，甚至倒塔等嚴(yán)重事故[1,2]，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

安徽省歷年舞動(dòng)故障次數(shù)較少，典型舞動(dòng)過(guò)程為2010年2月9日～11日，淮河流域南北氣候分水嶺的淮南地區(qū)，發(fā)生了多條500 kV輸電線路舞動(dòng)跳閘，但未造成設(shè)備受損。2018年1月24日～27日，受持續(xù)凍雨天氣影響，安徽、湖北、湖南、江西等省份電網(wǎng)發(fā)生大面積輸電線路舞動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)備受損嚴(yán)重。本文對(duì)本次舞動(dòng)過(guò)程中安徽電網(wǎng)輸電線路覆冰舞動(dòng)故障規(guī)律和舞動(dòng)形成原因進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 輸電線路覆冰舞動(dòng)故障及設(shè)備受損情況

1.1 故障情況

受大范圍雨雪冰凍災(zāi)害天氣影響，安慶、池州地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)凍雨，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，2018年1月24日～27日，20多條220 kV及以上輸電線路長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)，舞動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)40 h以上，振幅達(dá)到5 m左右，共造成220 kV及以上線路跳閘11條，緊急避險(xiǎn)拉停2條，其中：±500 kV線路跳閘2條；500 kV線路跳閘4條，拉停1條；220 kV跳閘5條，拉停1條。跳閘規(guī)律統(tǒng)計(jì)如下：

(1)故障時(shí)間：舞動(dòng)故障主要發(fā)生在1月24日23∶ 00～25日06∶ 00之間，共造成線路故障12條次，占總故障次數(shù)的60%。之后故障次數(shù)逐漸減少，26日故障1條次，緊急拉停500 kV線路1條，27日因桿塔嚴(yán)重變形主動(dòng)拉停線路1條次。

(2)電壓等級(jí)：500 kV線路故障6條次，±500 kV線路故障6條次，占60%；220 kV線路故障8條次，占40%。

(3)故障類(lèi)型：相間(極間)故障次數(shù)最多，為13次，占65%。單相故障5條次，主動(dòng)拉停2條次。

(4)重合成功率：12條次故障重合不成功，占60%，重合成功率為40%。

(5)導(dǎo)線類(lèi)型：四分裂導(dǎo)線線路故障12條次，占60%；垂直排列雙分裂導(dǎo)線線路故障4條次，占20%；單導(dǎo)線故障4條次，占20%。

1.2 設(shè)備受損情況

本次舞動(dòng)過(guò)程共造成20基桿塔不同程度受損，其中500 kV桿塔19基，220 kV桿塔1基，受損設(shè)備包括：7基耐張桿塔結(jié)構(gòu)損傷，13基直線桿塔絕緣子斷串21串、瓷絕緣子破損31片，3處導(dǎo)線斷線，跳線金具嚴(yán)重磨損1處。設(shè)備受損規(guī)律統(tǒng)計(jì)如下：

(1)桿塔受損：1)桿塔結(jié)構(gòu)受損。主要發(fā)生在都山5392線(共6基)，如167#、186#、190#桿塔多處受損，主材發(fā)生變形，鐵塔部件及螺栓松動(dòng)脫落；160#、184#、180#等鐵塔零星部件及螺栓松動(dòng)、脫落。桿塔結(jié)構(gòu)受損故障現(xiàn)場(chǎng)案例如圖1所示。2)桿塔基礎(chǔ)上拔。220 kV黎武136#耐張轉(zhuǎn)角塔在舞動(dòng)和覆冰過(guò)荷載的共同作用下，塔腿主腳鋼彎曲嚴(yán)重，鐵塔抗拔腿基礎(chǔ)出現(xiàn)上拔情況。

(a)塔頭圖 (b)桿塔整體圖圖1 500 kV文官5391/都山5392線186#桿塔受損嚴(yán)重

(2)導(dǎo)線斷裂：主要發(fā)生在都山5392線和官橋5388線。如：500 kV都山5392線166#中、下相瓷棒絕緣子斷裂、導(dǎo)線斷裂；500 kV官橋5388線18#～20# 3基直線塔8根導(dǎo)線斷線。

(3)絕緣子斷串/破損：共4條線路13基直線塔絕緣子斷串21串、絕緣子破損31片，斷串故障現(xiàn)場(chǎng)案例如圖2所示。其中，都山線14支長(zhǎng)棒瓷絕緣子斷串，占斷串總數(shù)的66.7%。

(a)掉線故障現(xiàn)場(chǎng) (b)絕緣子球頭斷裂圖圖2 500 kV官瀝5365線43# C相斷串、導(dǎo)線掉線

(4)金具磨損：部分舞動(dòng)線路金具不同程度磨損。如：500 kV文官5391線167# C相跳線絕緣子串均壓環(huán)磨損后脫落，±500 kV葛南線1594#～1606#和±500 kV林楓線1711#～1724#舞動(dòng)區(qū)段內(nèi)部分引流線間隔棒出現(xiàn)輕微程度磨損。

1.3 故障及設(shè)備受損規(guī)律

(1)500 kV和±500 kV線路故障次數(shù)多，受損更加嚴(yán)重。由于本次舞動(dòng)的500 kV和±500 kV線路為四分裂及以上導(dǎo)線，沒(méi)有采用防舞措施，子導(dǎo)線在間隔棒的約束下偏心覆冰更加嚴(yán)重，扭轉(zhuǎn)剛度大，更容易激發(fā)輸電線路舞動(dòng)，且振幅更大；另一方面，500 kV及以上導(dǎo)線截面大，舞動(dòng)產(chǎn)生的能量大，對(duì)設(shè)備造成的損壞也更大。

(2)相間放電跳閘多。根據(jù)觀測(cè)，同一回、同一檔線路每相導(dǎo)線舞動(dòng)形態(tài)也不一樣，舞動(dòng)階次、振幅和頻率不同，造成各相導(dǎo)線舞動(dòng)不同步，相間距離不足造成放電。

(3)耐張塔受損嚴(yán)重。舞動(dòng)更容易造成耐張塔損壞。500 kV線路舞動(dòng)發(fā)生后，在長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)線舞動(dòng)過(guò)程中，舞動(dòng)的波傳輸?shù)侥蛷埶螅捎谀蛷埶椭本€塔結(jié)構(gòu)的差異，使得舞動(dòng)的波無(wú)法繼續(xù)傳播，導(dǎo)致耐張塔長(zhǎng)時(shí)間直接承受導(dǎo)線舞動(dòng)的巨大沖擊力而發(fā)生振動(dòng)扭曲[3]，部分螺栓脫落、塔材掉落、塔材裂紋撕裂，最終導(dǎo)致橫擔(dān)受損或桿塔變形。

(4)直線塔絕緣子斷串故障多，長(zhǎng)棒瓷絕緣子斷串問(wèn)題突出。直線絕緣子串長(zhǎng)時(shí)間舞動(dòng)的情況下，絕緣子球頭在交變載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂，雙聯(lián)絕緣子串相互碰撞，出現(xiàn)多片瓷質(zhì)絕緣子破損；長(zhǎng)棒瓷絕緣子串為三節(jié)棒瓷絕緣子單元組成，活動(dòng)鏈接點(diǎn)少，吸收能量能力較瓷絕緣子串弱，球頭斷裂問(wèn)題更嚴(yán)重。

2 舞動(dòng)形成原因分析

舞動(dòng)的形成主要取決于三方面的因素，即不均勻覆冰、風(fēng)的激勵(lì)和輸電線路的走向及導(dǎo)線參數(shù)[4-6]。1月24日～27日，線路發(fā)生的舞動(dòng)故障區(qū)域主要為樅陽(yáng)、青陽(yáng)、太湖、宿松、懷寧等縣，濕度大，地形為平坦開(kāi)闊的沿江平原和丘陵，舞動(dòng)發(fā)生位置的最大高程為100 m以內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，導(dǎo)線舞動(dòng)頻率為0.1～1 Hz，幅度1～5 m不等，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，線路各區(qū)域、各相的舞動(dòng)形態(tài)也不同。

2.1 覆冰

研究表明，覆冰可以改變導(dǎo)線的空氣動(dòng)力特性，是引起線路舞動(dòng)的必要條件，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明我國(guó)輸電線路舞動(dòng)時(shí)的覆冰厚度集中在0～10 mm。

本次舞動(dòng)發(fā)生的區(qū)域都經(jīng)歷了凍雨天氣，濕度在80%以上，日平均氣溫在-3 ℃左右。凍雨天氣產(chǎn)生需要特定的大氣溫度垂直分布，經(jīng)過(guò)氣象部門(mén)對(duì)安徽及周邊省多年凍雨氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)分析，雖然凍雨多出現(xiàn)在降雪的天氣背景下，但其大氣溫度層結(jié)不同于降雪，主要表現(xiàn)在775 hPa高度上下存在氣溫高于0 ℃的融化層，而降雪在775 hPa高度上下無(wú)明顯逆溫，氣溫低于0 ℃，無(wú)融化層，如圖3所示。

(a)凍雨 (b)降雪圖3 凍雨和降雪的垂直氣溫分布模型

根據(jù)安徽氣象部門(mén)統(tǒng)計(jì)，1月24日～27日安慶上空氣溫垂直分布與產(chǎn)生凍雨的大氣垂直結(jié)構(gòu)非常吻合，775 hPa上下出現(xiàn)0 ℃以上的融化層，高達(dá)2 ℃，而850 hPa以下氣溫低于0 ℃，925 hPa附近也就是海平面上1 km左右的高度達(dá)-6 ℃到-7 ℃，使得從融化層下來(lái)的液態(tài)水進(jìn)入低層后變成過(guò)冷卻水，降落到電線后極易凍結(jié)。

舞動(dòng)故障發(fā)生的大部分區(qū)域覆冰厚度在0～5mm之間，在發(fā)生線路覆冰舞動(dòng)跳閘現(xiàn)場(chǎng)，觀察到在北風(fēng)、東北風(fēng)作用下，凍雨附著在導(dǎo)地線上，導(dǎo)線呈不均勻覆冰，冰層堅(jiān)硬、潔凈、透明，附著力強(qiáng)，覆冰密度接近0.9 mg/cm3，導(dǎo)線表面覆冰為新月形，如圖4所示。

圖4部分導(dǎo)線脫落的覆冰

圖5 2018年凍雨過(guò)程近地面的風(fēng)向

2.2 風(fēng)速、風(fēng)向

風(fēng)是線路起舞的必要條件，研究表明，舞動(dòng)發(fā)生的頻度與風(fēng)速成正態(tài)分布關(guān)系，其中心風(fēng)速為15 m/s，其中最小風(fēng)速為4 m/s，最大為25 m/s。統(tǒng)計(jì)舞動(dòng)區(qū)域的逐小時(shí)最大風(fēng)速變化情況發(fā)現(xiàn)：24日～27日各縣的最大風(fēng)速主要分布在4～18 m/s之間，其中，24日～25日風(fēng)速較大，之后呈逐漸減小的趨勢(shì)，主導(dǎo)風(fēng)向均為東北風(fēng)，如圖5所示。

地面氣壓梯度大和近地面風(fēng)的動(dòng)量下傳是這次雨雪冰凍過(guò)程中風(fēng)力較大的主要原因，而安慶處在大別山區(qū)和皖南山區(qū)之間，凍雨區(qū)處在地形的狹管處，狹管效應(yīng)使得凍雨區(qū)的風(fēng)力進(jìn)一步加大。

2.3 線路走向與導(dǎo)線參數(shù)

根據(jù)調(diào)查，發(fā)生舞動(dòng)的線路基本為東西走向，線路與主導(dǎo)風(fēng)向夾角為45度至90度之間；分裂導(dǎo)線線路占舞動(dòng)故障線路的80%。主要原因?yàn)椋?1)當(dāng)風(fēng)向與線路走向有一定角度時(shí)，垂直于線路走向的風(fēng)力分量對(duì)導(dǎo)線的橫向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)作用，因此，角度越大，垂直于導(dǎo)線軸線方向的風(fēng)力分量也越大，從而對(duì)導(dǎo)線造成較大的橫向激勵(lì)，使得導(dǎo)線易于起舞；(2)相同地形、氣象條件下大截面導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線更易發(fā)生舞動(dòng)，因?yàn)橄啾容^而言大截面導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度較大，容易產(chǎn)生偏心覆冰。

3 結(jié)論

(1)本次線路舞動(dòng)的主要原因?yàn)椋簝鲇瓿掷m(xù)時(shí)間長(zhǎng)、溫度低、導(dǎo)線覆冰密度大、風(fēng)力大且持久；舞動(dòng)故障線路區(qū)段基本為東西走向，與風(fēng)向(東北風(fēng))夾角大于45度，在不均勻覆冰和風(fēng)力作用下容易引起線路舞動(dòng)。

(2)線路跳閘主要原因?yàn)槲鑴?dòng)引起相間距離不足放電，其次為導(dǎo)線與架空地線距離不足放電、絕緣子斷串后導(dǎo)線掉落對(duì)橫擔(dān)放電。設(shè)備受損的主要類(lèi)型為絕緣子斷串、掉線和耐張塔桿塔受損，主要原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)線舞動(dòng)造成直線塔絕緣子球頭疲勞破壞后斷裂，引發(fā)導(dǎo)線掉落，以及耐張塔長(zhǎng)時(shí)間承受動(dòng)態(tài)不平衡張力而損壞。

(3)舞動(dòng)導(dǎo)致的懸垂絕緣子串?dāng)啻恢镁谇蝾^，球頭斷裂原因?yàn)槲鑴?dòng)導(dǎo)致金具疲勞斷裂，導(dǎo)地線斷線、線夾和間隔棒損壞均為絕緣子斷串后引發(fā)的次生故障。