鄭建欣 呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院 河南南陽 473000）

1 引言

導線微風振動是由于風的激勵而引起導線振動的一種現(xiàn)象。在0.5～10 m/s的穩(wěn)定風速作用下，導線背風側(cè)產(chǎn)生上下交替的漩渦，引起上下交變的力作用于導線上產(chǎn)生振動。當漩渦頻率與導線固有頻率一致時，在諧振下產(chǎn)生較大振幅的持續(xù)振動。其中導線的振幅一般不大于導線直徑的2～3倍，振動的頻率范圍為3～120 Hz。振動持續(xù)時間較長，一般為數(shù)小時，有時可達數(shù)天。

風從垂直于架空線的軸線方向吹過時，會在架空線背后產(chǎn)生氣流漩渦。最早闡明漩渦理論的是科學家 T.V.卡門（Th.Von.Karnan），故這種氣流漩渦又稱為卡門漩渦（馮卡門漩渦Von Karman vortices），通常稱為卡門渦街，是流體力學中重要的現(xiàn)象，在自然界中常可遇到，在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側(cè)會周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，由于非線性作用，形成“馮卡門漩渦”,如水流過橋墩，風吹過高塔、煙囪、電線等都會形成,如圖1所示。

漩渦在架空線路的上下方交替發(fā)生和交替脫離遠去，造成架空線路上下方氣流流線的不對稱，結(jié)果便產(chǎn)生一個周期性的交變作用力施加給架空線路，引起架空線路在垂直方向上產(chǎn)生振動，其振動頻率為3～120 Hz，幅值為架空線路直徑的數(shù)量級。引起這種振動的風速通常在0.5～10 m/s的范圍內(nèi)，故稱為微風振動。超過允許幅值的微風振動容易導致架空線路疲勞斷股、金具及桿塔構件磨損或疲勞破壞等現(xiàn)象的發(fā)生，甚至造成架空線路的斷線事故，嚴重威脅輸電線路的安全運行。

2 微風振動強度及其影響因素

振動強度是指振動幅值及其振動延續(xù)時間的多少，是衡量架空線在壽命期內(nèi)是否產(chǎn)生振動疲勞斷股的重要判據(jù)。影響架空線路微風振動強度的因素主要有風速及風向、地形及地物、檔距長度、導線張力、導線規(guī)格及結(jié)構等。

2.1 風速及風向的影響

維持架空線振動的下限風速一般取0.5m/s。風速增大以后，與地面的摩擦阻力破壞了氣流的層流性或均勻性，使之不能出現(xiàn)卡門氣流漩渦，風速上限值隨架空線懸掛點離地面高度的增加而提高，通常達到 8～10m/s。架空線能否產(chǎn)生穩(wěn)定振動還與風向有關，風向與導線軸線夾角在 45°～90°時，易產(chǎn)生穩(wěn)定振動。在 30°～45°時，振動的穩(wěn)定性小。在20°以下時，一般不出現(xiàn)振動。

2.2 地形及地物的影響

地形、地物（合稱地區(qū)條件）對振動強度有顯著地影響。產(chǎn)生振動的必要條件是氣流的均勻性即風向的恒定性。平坦、開闊地區(qū)有利于氣流的均勻流動，易于形成振動條件。地形交錯起伏或線路附近有建筑物、樹林等地物，對氣流產(chǎn)生摩擦，破壞氣流的均勻性，不易形成振動條件。

風傳輸給架空線路的振動能量要與架空線體系消耗的能量平衡。據(jù)此可以求得最大的振幅值。由于風傳輸給導線的能量受到地形（平地、丘陵地區(qū)及山區(qū)等）及地物（水面、草地、樹木及建筑物等）的影響，實際的振動幅值往往小于計算得出的最大振幅。在實際工程中一般采用“地形系數(shù)”或“振幅系數(shù)”予以修正。例如，當線路通過地形平坦又臨近大型水面（河流或湖、海）的地區(qū)，地形系數(shù)取0.8～1.0。當線路通過有些樹木的平坦地帶，地形系數(shù)取為0.15～0.2。

2.3 檔距長度的影響

微風振動以一個檔距為獨立的振動單元。建立穩(wěn)定振動的條件之一是檔距長度等于半波長的整數(shù)倍。檔距越大，能滿足半波數(shù)為整數(shù)倍的微風振動頻率值也就越密集，建立穩(wěn)定振動的概率越大。另外，風傳給架空線的振動能量與檔距長度成正比，檔距越大，防振動難度越大。

2.4 架空線張力的影響

為了說明架空線張力對振動的影響，引入了平均運行應力（通常用EDS表示）的概念，它是指年平均氣溫及無外荷載條件下的架空線水平應力，習慣上將此時架空線張力值用架空線極限強度（通常用UTS表示）的百分數(shù)來表示。提高架空線張力不僅會增加振動強度（振幅和振動次數(shù)），而且會降低架空線的疲勞極限。架空線路張力提高之后，其自阻尼作用下降，振幅增大，振動頻率延續(xù)時間也隨之增加，振動次數(shù)增多。

2.5 架空線規(guī)格及結(jié)構的影響

風能輸入隨導線直徑的增大而增大，振動頻率又隨直徑增大而降低，而低頻范圍的導線自阻尼水平又相對較低。這使得大直徑導線振動嚴重，增加防振難度。為此，可采用分裂導線來降低振動強度。由于在分裂導線上安裝間隔棒以后，構成了一種新的振動體系。間隔棒阻尼作用及其在各子導線間的牽扯作用使得分裂導線的振動次數(shù)及動彎力均比單根導線減小，每相分裂的根數(shù)越多則減小也越多。大直徑導線層數(shù)和股數(shù)增多，其自阻尼能力隨之增強。但對于擴芯導線，截面與重量比相對較小，則易于振動。間隙型導線層間存在微小間隙，在振動時層間碰撞會消耗一定耗量，其阻尼性能優(yōu)于普通導線，相同條件下振動強度要低。

3 微風振動防治措施研究

3.1 架空線路微風振動容許值

架空線的振動疲勞斷股是振動積累作用的結(jié)果，架空線的振動強度一般都用動彎應變來衡量。通常認為，當應變不超過某一定數(shù)值時，架空線路在整個使用壽命周期內(nèi)不會發(fā)生斷股，這個數(shù)值就是彎曲應變?nèi)菰S值。

3.2 防振裝置

防振裝置也稱阻尼器或防振器，是專門為防止微風振動引起導線疲勞斷股，而在導線上安裝的一種防振部件。大多數(shù)防振裝置的防振原理是將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能或聲能而發(fā)散掉，從而降低導線的振幅。還有一些防振裝置是通過增加導線剛度或提高導線阻尼作用達到防振的目的。常用的防振裝置主要有防振錘、護線條、阻尼線、防振鞭等。

1）防振錘

防振錘是懸掛在架空線上，靠近檔距端部，用以抑制或減小微風振動的錘狀裝置，是目前應用最為廣泛的防振裝置。防振錘通常由重錘、鋼絞線、線夾三部分組成。防振錘的阻尼性能主要取決于高強度鋼絞線的彈性及重錘質(zhì)量、錨接工藝等。架空線發(fā)生微風振動時，帶動防振錘的兩個重錘振動，進而使鋼絞線股間相對滑移而產(chǎn)生摩擦阻尼，實現(xiàn)對架空線振動能量的消耗。防振錘重錘的運動形式包括自身回轉(zhuǎn)和上下擺動兩種形式，通過改變重錘形狀及對稱性可以獲得2～5個諧振頻率，且在諧振頻率附近振動時消耗的功率最大。防振錘的特性與重錘重量、偏心距、鋼絞線直徑和長度有關，故應該根據(jù)架空線路的規(guī)格選配不同的防振錘。當架空線截面、質(zhì)量增加時，振動的危險頻率移至較低頻譜段，故應對較重架空線采用諧振頻率低、質(zhì)量較大的防振錘，而對較輕的架空線則相反。1925年，G.H.Stockbridge在吸收貝特阻尼器功能的基礎上，發(fā)明了第一只防振錘。后來，按照這個原理設計的防振錘，統(tǒng)稱為司托克布里奇（Stockbridge）防振錘。防振錘按重錘位置對稱與否可分為FD（對稱）型和FR（非對稱）型，線夾形式包括夾板式、鉸鏈式和預絞式，錘頭形狀包括圓桶形，音叉形、狗骨形、L型等。通過重錘形狀、對稱形式和線夾類型的不同組合，可以形成多種形式的防振錘。

2）護線條

用鋁合金等金屬材料制成螺旋形的預絞絲，纏繞在架空線外圈，主要作用是增加線夾出口附近的架空線剛度和分擔架空線張力，減少彎曲應力及線夾處受到的擠壓應力和磨損等，并使架空線在懸垂線夾中集中現(xiàn)象得到改善。護線條可使導線振動時受到的動彎應力減少20%～50%。護線條的減振效果不如防振錘顯著，故在振動強烈及平均運行張力高的線路上不能單獨使用護線條。

護線條是用與導線相同材料制成的，形狀是中間粗兩頭細，在懸掛點使用專用的護線條，當導線發(fā)生振動時，可以防止懸垂線夾出口處發(fā)生劇烈的波折，護線條不僅可以保護導線，而且能夠減少導線的振動。

預絞絲護線條是用一種有彈性的鋁合金絲制成的螺旋狀制品，每組有13～16根，其彎扭捻角在20°左右，保護導線的作用等同于護線條。

3）阻尼線

阻尼線亦稱貝特型防振器，取用相當長度的一端絞線（通常與導線規(guī)格相同）懸掛在懸垂線夾兩側(cè)導線下方，每隔一定距離采用線夾與導線固定，形成一系列花邊狀，也可采用不同的尺寸構成多種多樣的型式。導線振動時迫使阻尼線運動而消耗能量，其消耗能量的多少與阻尼線的總長度及花邊數(shù)目等因素有關。阻尼線有較好的防振效果，導線發(fā)生高頻振動時，其防振效果優(yōu)于防振錘。阻尼線的長度與弧垂的確定，應使導線在最大振動波和最小振動波時均能起到同樣的消振效果。對于一般檔距，阻尼線的總長度可以取7～8米左右，導線線夾每側(cè)安裝三個連接點。裝于導線的阻尼線，由于接點有電流流過，嚴重時會將接點處的導線燒壞。因此必須把阻尼線的一側(cè)用絕緣材料做成的卡子固定或用絕緣材料隔開，使阻尼線成開路狀態(tài)，阻止分流流過。

4）防振鞭

由高強度 PVC預制成不等徑螺旋狀的防振裝置。防振鞭特別適用于光纖導線，如ADSS和OPGW，也適用于低電壓（≤132kV）線路和小截面導線（外徑≤19毫米）。螺旋型防振鞭在架空線振動時，能產(chǎn)生與架空線運動方向相反的運動，從而在各種振動頻率下減少架空線的振動幅度，進而抑制架空線的振動。

4 防振裝置安裝設計

通過綜合考慮輸電線路的工程參數(shù)、所在地區(qū)的氣象及地形特點、以往的運行經(jīng)驗等因素，選擇防振裝置并進行合理布置，從而將導地線的微風振動水平控制在安全范圍以內(nèi)。防振裝置的安裝設計包括防振裝置的型號規(guī)格、防振裝置的安裝數(shù)量以及防振裝置的安裝尺寸三個方面。

4.1 防振裝置的型號規(guī)格

防振錘和阻尼線是輸電線路防振中主要使用的防振裝置。根據(jù)線路的設計條件及導線規(guī)格，選擇防振錘的型號，使防振錘的功率特性及振幅特性等滿足防振設計的要求。目前，導線規(guī)格已形成系列化，線路的主要設計條件已在規(guī)程中規(guī)定，適應這些條件的防振錘型號已成為標準產(chǎn)品。一般情況下，線路設計者只需按規(guī)定限制防振錘型號即可。對阻尼線則沒有定型的規(guī)格可供選擇，有關類型、花邊長度及節(jié)點數(shù)目等參數(shù)，需根據(jù)線路設計的具體條件作臨時決定。

4.2 防振裝置的安裝數(shù)量

對于防振錘需要確定是否安裝及安裝幾個的問題。防振錘的安裝數(shù)量現(xiàn)有兩種表示方法：一種是懸垂（耐張）線夾的一側(cè)安裝幾個；另一種是以每一檔距內(nèi)安裝幾個來表示。后一種方法比較明確，因為有不少國家提出了在每個檔距安裝一個防振錘的防振措施，稱為半檔防振方法。對于阻尼線的數(shù)量問題主要確定其類型、總長度及節(jié)點數(shù)目等，這方面尚沒有成熟的經(jīng)驗。對于線路上一些大檔距，往往采用阻尼線與防振錘聯(lián)合的保護方式，情況更為復雜。

4.3 防振裝置的安裝尺寸

為獲得最佳的防振效果，應計算防振錘的安裝距離，即防振錘與懸垂（耐張）線夾之間的距離；當線夾一側(cè)安裝兩個及以上的防振錘時，還需要確定防振錘之間的距離，提出等距離安裝和不等距離安裝的兩種方法。對于阻尼線，則需要確定花邊長度、弧垂大小及布置形式等問題。

4.4 大跨越導線防振

輸電線路大跨越工程是線路的資源組成部分，具有檔距大、懸掛點高、跨越水面開闊等特點，水面上空容易形成流風，引起導地線振動的風速范圍更廣，導地線吸收的風能較普通線路大得多，其振動水平也遠遠高于普通線路，且導地線幾乎每時每刻都在振動。因此，大跨越導地線防振裝置通常比較復雜，需要專門研究和設計。

（1）大跨越防振方案型式。大跨越導線的防振方案主要有Bate阻尼線、Bate阻尼線+防振錘、交叉阻尼線、防振錘組合、圣誕樹阻尼線等型式。這些防振裝置的基本原理都是改變導線的振動模式，通過自身的振動消耗系統(tǒng)的振動能量，從而降低導線的微風振動水平。其中，Bate阻尼線和防振錘組合的防振方案在我國應用最為廣泛。

（2）大跨越防振方案的設計方法。由于微風振動屬于很強的非線性問題，再加上導線在性能上的分散性，單純的理論分析和計算，不足及準確地確定導線的防振方案，最終的防振方案應由模擬試驗確定。防振試驗的目的就是通過試驗優(yōu)選出滿足技術要求的防振方案，將導地線的微風振動水平降低到容許應變以下，使導線在整個使用壽命期間內(nèi)不致發(fā)生微風振動導致斷股事故。防振試驗主要包括以下幾個方面的內(nèi)容。

自阻尼試驗。導線的自阻尼是衡量材料自身消耗能量的能力，與導線的材料、結(jié)構、絞合程度、張力等有關，不同導線之間的自阻尼差異較大，需要通過試驗測定。自阻尼特性試驗采用功率法，測量的頻率范圍覆蓋微風振動的頻率范圍。通過對自阻尼試驗數(shù)據(jù)進行處理得到自阻尼公式，為計算振動強度提供依據(jù)。

防振方案試驗與優(yōu)選。防振方案采用Bate阻尼線+防振錘的聯(lián)合防振措施?？紤]不同長度阻尼線花邊的頻率響應范圍，防振方案選擇不同長度花邊的組合，使其在整個微風振動頻率范圍內(nèi)均具有良好的耗能減振作用，并對主要振動頻率范圍重點防護。檔中側(cè)（外側(cè)）小花邊進行剝層處理：一方面可以減輕外側(cè)花邊的質(zhì)量，降低花邊線夾導線的動彎應變值；另一方面可以改變該花邊的響應頻率，改善防振方案的頻響特性。同時在大花邊中安裝防振錘來加強防振方案低頻防振效果，通過防振錘和阻尼線的聯(lián)合使用可使整個防振方案性能達到最佳。初設方案要在試驗檔上進行試驗改進，最終比選出較優(yōu)的方案推薦給工程使用。分裂導線的防振方案還需要在分裂導線上進行復核試驗。

微風振動現(xiàn)場測振。實際線路的微風振動不可能和室內(nèi)模擬實驗完全相一致，為了解導線的微風振動水平，檢驗防振裝置的效果，有必要對導線的微風振動進行現(xiàn)場實測?，F(xiàn)場實測在線路投運后進行，在主要夾固點安裝測振儀，連續(xù)監(jiān)測一定時間，獲取測振周期內(nèi)的微風振動數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進行處理得到導線微風振動的水平，確定導線微風振動是否在容許范圍內(nèi)。

5 其他防治措施

做好運行維護工作，保證防振設施和線路各部件處于良好的運行狀況。例如調(diào)整好拉線，避免線路、桿塔本身和拉線系統(tǒng)組成一個彈性系統(tǒng)，及時消除防振錘滑移現(xiàn)象，及時消除阻尼線因扭曲變形而偏離電線的垂直面等現(xiàn)象。