500?kV輸電線路舞動(dòng)情況分析及處理

李相棟

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 266101）

500?kV輸電線路舞動(dòng)情況分析及處理

李相棟

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 266101）

介紹了某500 kV輸電線路的舞動(dòng)情況，分析了舞動(dòng)出現(xiàn)的機(jī)理和引發(fā)因素，分別提出了單回線路及同塔雙回垂直排列線路舞動(dòng)的治理方案，總結(jié)了防舞治理效果和現(xiàn)存問(wèn)題，最后提出了500 kV輸電線路進(jìn)一步防舞動(dòng)的措施及建議。

輸電線路；舞動(dòng)；線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒；相間間隔棒

統(tǒng)計(jì)資料表明，我國(guó)是發(fā)生輸電線路舞動(dòng)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，舞動(dòng)故障的頻發(fā)已嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。面對(duì)日益復(fù)雜的氣象環(huán)境因素，為建設(shè)強(qiáng)大的國(guó)家電網(wǎng)，確保大電網(wǎng)的長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行，需要安全、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的防舞動(dòng)理論和治理方案作為保證。

1 500 kV輸電線路舞動(dòng)情況

1.1 輸電線路舞動(dòng)時(shí)的天氣特征

2010-01-19夜晚，山東境內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)大風(fēng)降溫天氣。1月20日，受強(qiáng)冷空氣影響，山東出現(xiàn)了大范圍凍雨、風(fēng)雪天氣，全省氣溫持續(xù)維持在0 ℃左右。省氣象臺(tái)和海洋預(yù)報(bào)臺(tái)發(fā)布風(fēng)暴潮藍(lán)色警報(bào)和海浪藍(lán)色警報(bào)。2010-01-20T08：00始，山東各海區(qū)風(fēng)力逐漸增大，出現(xiàn)了7～8級(jí)陣風(fēng)10級(jí)的東北大風(fēng)；同時(shí)，魯西北地區(qū)、半島地區(qū)和內(nèi)陸湖面也出現(xiàn)了7級(jí)陣風(fēng)。其中，煙臺(tái)海上8～9級(jí)陣風(fēng)10級(jí)，內(nèi)地6～7級(jí)陣風(fēng)8級(jí)；青島白天到夜間市區(qū)北風(fēng)逐漸增至6級(jí)陣風(fēng)8級(jí)，海上7～8級(jí)陣風(fēng)10級(jí)，21日白天起風(fēng)力逐漸減??；濰坊白天到21日白天偏北風(fēng)，內(nèi)陸5～6級(jí)，海上7～8級(jí)陣風(fēng)10級(jí)。煙臺(tái)、萊蕪、青島市氣象局分別于09：30，10：00，12：00啟動(dòng)了重大氣象災(zāi)害Ⅳ級(jí)預(yù)警應(yīng)急響應(yīng)。

1.2 線路跳閘特點(diǎn)

2010-01-20T08：18～2010-01-21T06：00，大風(fēng)造成輸電線路舞動(dòng)持續(xù)時(shí)間約10 h，導(dǎo)致山東電網(wǎng)11條500 kV線路共計(jì)跳閘31次，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。某處線路跳閘次數(shù)高達(dá)到8次，當(dāng)時(shí)溫度為-1～5 ℃，風(fēng)向與舞動(dòng)段線路走向夾角為70°～80°，天氣狀況為天降濕雪。

在此次跳閘的11條線路中，其中8條是同塔雙回垂直排列線路，這說(shuō)明同塔雙回垂直排列線路發(fā)生舞動(dòng)的跳閘比例較高。

當(dāng)輸電線路發(fā)生舞動(dòng)后，若天氣條件沒(méi)有較大變化，輸電線路會(huì)受到一個(gè)穩(wěn)定的風(fēng)激勵(lì)，引起舞動(dòng)，最終導(dǎo)致重復(fù)跳閘或重合不成功。1月20日，500 kV濰陽(yáng)線跳閘8次，濰嶗線跳閘7次，這說(shuō)明線路重復(fù)跳閘次數(shù)多。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)，舞動(dòng)區(qū)段較小的線路，故障點(diǎn)集中；舞動(dòng)區(qū)段較大的線路，故障點(diǎn)分散。

由于500 kV單回線水平布置的線路相間距離較大，因此導(dǎo)線舞動(dòng)造成相間短路的幾率小，易造成引流線對(duì)塔身放電。此次舞動(dòng)跳閘的3條單回線路均為引流線對(duì)桿塔放電引起的，淄濰線83號(hào)和濰陽(yáng)線49號(hào)均為中相引流線對(duì)塔身放電，濰嶗線55號(hào)塔為右相引流線對(duì)塔身放電。

此外，生產(chǎn)人員在現(xiàn)場(chǎng)觀察到，導(dǎo)線舞動(dòng)還會(huì)引起耐張塔引流線的劇烈舞動(dòng)，引流線舞動(dòng)時(shí)軌跡時(shí)而似“跳大繩”，時(shí)而似“蕩秋千”。

1.3 舞動(dòng)對(duì)線路設(shè)備造成的損壞

當(dāng)輸電線路發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，架空線路做大幅度的波浪式振動(dòng)，并兼有擺動(dòng)，其擺動(dòng)軌跡從線路方向看近似橢圓狀。導(dǎo)線舞動(dòng)特征呈低頻高幅，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，具有較大的危害性。垂直排列的導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，易造成線路相間短路；水平排列的導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，易造成跳線對(duì)瓷瓶距離不足而放電。此次500 kV輸電線路舞動(dòng)，造成了引流線斷裂、導(dǎo)線斷裂、間隔棒等金具損壞、鐵塔主鐵裂紋、斷線、螺栓松脫、導(dǎo)線燒傷斷股、光纜引下線斷開(kāi)、光纜線夾斷裂、基礎(chǔ)保護(hù)帽嚴(yán)重開(kāi)裂等故障，對(duì)電網(wǎng)和設(shè)備的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。

2 舞動(dòng)原因分析

2.1 舞動(dòng)的機(jī)理和引發(fā)因素

2.1.1 舞動(dòng)的機(jī)理

架空線路的舞動(dòng)是由于導(dǎo)線覆冰或其他原因改變了導(dǎo)線的截面形狀而導(dǎo)致空氣的動(dòng)力不穩(wěn)定引起的。舞動(dòng)是低頻率(約為0.1～3 Hz)、大振幅(約為輸電線路直徑的5～300倍)的自激振動(dòng)，是一種復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題。

架空線路的舞動(dòng)常發(fā)生在春、冬季節(jié)，其形成主要取決于線路覆冰、風(fēng)激勵(lì)及線路的結(jié)構(gòu)、參數(shù)。大多數(shù)舞動(dòng)發(fā)生在線路覆冰的情況下，且多為非對(duì)稱覆冰，即迎風(fēng)側(cè)厚，背風(fēng)側(cè)薄，以線路中等覆冰情況居多，但也不乏薄冰舞動(dòng)的案例。此外，輸電線路的舞動(dòng)還跟線路所處的地形有關(guān)，多數(shù)發(fā)生舞動(dòng)的線路位于開(kāi)闊地帶或其迎風(fēng)側(cè)為開(kāi)闊地帶，而且大截面線路比小截面線路易于舞動(dòng)，分裂線路比單線路易于舞動(dòng)。線路張力低至20～80 N/mm2時(shí)，易發(fā)生舞動(dòng)。

2.1.2 引發(fā)舞動(dòng)的主要因素

(1) 線路覆冰的影響。舞動(dòng)多發(fā)生于覆冰的線路，覆冰厚度一般為2.5～48 mm。線路上形成覆冰須具備以下3個(gè)條件：

① 空氣濕度較大，一般為90 %～95 %，雨淞、凍雨或雨夾雪是導(dǎo)致線路覆冰的常見(jiàn)氣候條件；

② 溫度一般為-5～0 ℃，溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于導(dǎo)線覆冰；

③ 風(fēng)速(大于1 m/s)可使空氣中的水滴運(yùn)動(dòng)。

(2) 風(fēng)激勵(lì)的影響。覆冰線路的舞動(dòng)是風(fēng)、冰雪、線路之間復(fù)雜的流固耦合結(jié)果，要形成舞動(dòng)，除覆冰因素外，還必須有穩(wěn)定的層流風(fēng)激勵(lì)。舞動(dòng)風(fēng)速范圍一般為4～20 m/s，且當(dāng)主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向夾角大于45°時(shí)，線路易產(chǎn)生舞動(dòng)；該夾角越接近90°，舞動(dòng)的可能性越大。因此，在四周無(wú)屏蔽物的開(kāi)闊地帶或山谷風(fēng)口易發(fā)生線路舞動(dòng)。

(3) 線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)的影響。分裂線路比單線路容易舞動(dòng)。單線路覆冰時(shí)，由于扭轉(zhuǎn)剛度小，在偏心覆冰作用下線路易發(fā)生較大扭轉(zhuǎn)，使覆冰接近圓形；分裂線路覆冰時(shí)，由于間隔棒的作用，每根子線路的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度比單導(dǎo)線大得多，在偏心覆冰作用下，線路的扭轉(zhuǎn)極其微小，不能阻止線路覆冰的不對(duì)稱性，線路覆冰易形成翼形斷面。因此，與單導(dǎo)線相比，被風(fēng)激勵(lì)的分裂線路產(chǎn)生的升力和扭矩更大。500 kV超高壓輸電線路，多采用4分裂線路，因此較易發(fā)生舞動(dòng)。

大截面線路比小截面線路易舞動(dòng)。大截面線路的相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭轉(zhuǎn)角較小，線路覆冰時(shí)更易形成翼形斷面，在風(fēng)激勵(lì)作用下，產(chǎn)生的升力和扭矩更大。

2.2 舞動(dòng)原因

據(jù)了解，從1月19日夜間開(kāi)始，山東省境內(nèi)出現(xiàn)大范圍降水天氣，冷空氣于1月20日早晨開(kāi)始影響該省，其中北部地區(qū)降水轉(zhuǎn)為降雪，降水量在0～8.2 mm，氣溫由2～4 ℃降到-5～-8 ℃。1月20日，該省各海區(qū)風(fēng)力逐漸增大，出現(xiàn)了7～8級(jí)陣風(fēng)10級(jí)的東北風(fēng)。由此可見(jiàn)，降水和降溫導(dǎo)致線路不均勻覆冰，偏北風(fēng)與東西線路走向的夾角大于45°，在大風(fēng)的作用下造成線路舞動(dòng)。

3 防舞動(dòng)治理方案

在治理舞動(dòng)時(shí)，首先要先確定易發(fā)生覆冰線路的舞動(dòng)區(qū)段。易覆冰舞動(dòng)區(qū)段主要根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、氣象部門的歷史觀測(cè)資料、對(duì)沿線現(xiàn)有輸電線路及通信線路的覆冰及運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)查來(lái)確定。以下地段宜定性為易覆冰舞動(dòng)區(qū)段：

(1) 曾經(jīng)發(fā)生過(guò)輸電線路覆冰舞動(dòng)或附近輸電線路發(fā)生過(guò)舞動(dòng)的區(qū)段；

(2) 處于重冰區(qū)或中重冰區(qū)，且覆冰季主導(dǎo)風(fēng)向與線路走向夾角大于45°的區(qū)段；

(3) 冬季與早春氣溫可達(dá)到0 ℃以下，有雨雪且風(fēng)力在4 m/s以上的區(qū)段；

(4) 輸電線路的大跨越區(qū)段。

(5) 符合高山分水嶺型、水氣增大型、地形抬升型等典型特征的微地形、微氣象區(qū)。

3.1 單回線路的治理方案

3.1.1 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒

線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒是一種采用穩(wěn)定性防舞機(jī)理研制的防舞裝置，既能有效抑制導(dǎo)線的舞動(dòng)，同時(shí)又具有普通阻尼間隔棒的作用。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：部分線夾為普通固定線夾，部分線夾為回轉(zhuǎn)線夾，回轉(zhuǎn)線夾可轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為0～174°，且可與普通固定線夾互換。

線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的安裝方案如下：

(1) 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒采取不等距、不對(duì)稱的布置方式；

(2) 最大次檔距不大于50 m，端次檔距不大于25 m，平均次檔距一般為45 m左右；

(3) 間隔棒的半數(shù)夾頭采用回轉(zhuǎn)式，安裝時(shí)應(yīng)使回轉(zhuǎn)式的夾頭朝向迎風(fēng)側(cè)。

線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒可根據(jù)不同的檔距來(lái)確定需要安裝的數(shù)量。

3.1.2 線夾回轉(zhuǎn)式雙擺防舞器

線夾回轉(zhuǎn)式雙擺防舞器是一種在線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒上安裝雙擺的防舞裝置。該防舞裝置基于線性動(dòng)力穩(wěn)定性原理，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)力穩(wěn)定性，同時(shí)兼具壓重防舞的特點(diǎn)，因此具有良好的工作性能，應(yīng)用較為廣泛。

線夾回轉(zhuǎn)式雙擺防舞器的安裝方案如下。

(1) 雙擺質(zhì)量控制為檔內(nèi)導(dǎo)線質(zhì)量的7 %左右。

(2) 在雙擺防舞器安裝位置的±8 m范圍內(nèi)不需安裝回轉(zhuǎn)式間隔棒，保留8 m處的子導(dǎo)線間隔棒，同時(shí)應(yīng)注意雙擺防舞器與相鄰間隔棒的距離不超過(guò)間隔棒的最大次檔距50 m。

(3) 雙擺防舞器在檔內(nèi)采取宏觀集中、微觀分散的布置方式，即宏觀上將雙擺防舞器在檔內(nèi)若干點(diǎn)進(jìn)行集中布置，微觀上將雙擺防舞器在檔內(nèi)進(jìn)行一定距離的分散布置。在宏觀布置方案中，當(dāng)檔距L小于700 m時(shí)，采用3點(diǎn)布置原則，分別置于2/9 L，1/2 L，7/9 L處；當(dāng)檔距L大于700 m時(shí)，采用4點(diǎn)布置原則，分別置于2/9 L，7/16 L， 9/16 L，7/9 L處。微觀布置方案中分別以上述的3點(diǎn)和4點(diǎn)為中心對(duì)稱分布雙擺防舞器，防舞器安裝間距為5～7 m。

(4) 雙擺防舞器所帶的線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的半數(shù)夾頭采用回轉(zhuǎn)式，且應(yīng)在安裝時(shí)使回轉(zhuǎn)式的夾頭朝向迎風(fēng)側(cè)。

3.1.3 導(dǎo)線對(duì)地距離的校驗(yàn)

加裝雙擺防舞器后，相當(dāng)于在檔內(nèi)增加了3或4個(gè)集中荷載，這將引起導(dǎo)線弧垂的變化。經(jīng)計(jì)算，規(guī)律檔距在300～600 m時(shí)，相應(yīng)最高氣溫下的弧垂增加值如表1所示。

由表1可知，安裝雙擺防舞器后，大檔距的弧垂增加值較大。當(dāng)檔距為700 m時(shí)，最高氣溫下的弧垂值約增加1.5 m；由于定位裕度基本大于1 m，因此，當(dāng)檔距大于600 m時(shí)，施工完畢后需實(shí)測(cè)對(duì)地距離，如果不滿足對(duì)地距離大于11 m的要求，需避免在該檔安裝雙擺防舞器。

3.2 同塔雙回垂直排列線路的治理方案

同塔雙回垂直排列線路采用相間間隔棒來(lái)預(yù)防覆冰舞動(dòng)。由于500 kV導(dǎo)線相間距較大，可對(duì)傳統(tǒng)相間間隔棒的機(jī)械特性和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，如采用較細(xì)的芯棒直徑和分段式結(jié)構(gòu)；或改變聯(lián)接方式，部分區(qū)段采用新型的柔性相間絕緣子等。

500 kV相導(dǎo)線垂直排列線路相間間隔棒布置方法如表2所示。

4 防舞治理效果及存在問(wèn)題

4.1 防舞治理效果

2010年，該公司對(duì)所轄線路部分區(qū)段采取了防舞措施。2011-02-27，在煙臺(tái)地區(qū)霞昆Ⅰ線及濰坊地區(qū)220 kV線路發(fā)生多次跳閘期間，但采取防舞措施的500 kV線路區(qū)段未發(fā)生故障跳閘。

表1 規(guī)律檔距在300～600 m時(shí)相應(yīng)最高氣溫下的弧垂增加值m

5 進(jìn)一步措施和建議

表2 500 kV相導(dǎo)線垂直排列線路相間間隔棒布置方法

根據(jù)淄博管理處當(dāng)日特巡匯報(bào)，500 kV益濰Ⅰ、Ⅱ線益都站附近出現(xiàn)導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象，而同一地段500 kV益川Ⅰ、Ⅱ線未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象(1～50號(hào)區(qū)段已于2010年加裝防舞裝置)；500 kV光壽Ⅰ、Ⅱ線、壽油Ⅰ、Ⅱ線發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線有輕微舞動(dòng)現(xiàn)象。這說(shuō)明：500 kV同塔雙回線路加裝相間間隔棒的防舞措施對(duì)于防止導(dǎo)線舞動(dòng)具有非常顯著的效果。

4.2 存在問(wèn)題

4.2.1 不能準(zhǔn)確掌握實(shí)際舞動(dòng)區(qū)段

2010年，線路舞動(dòng)治理區(qū)段的確定原則如下：

(1) 舞動(dòng)跳閘線路區(qū)段；

(2) 舞動(dòng)造成缺陷較多的線路區(qū)段；

(3) 觀測(cè)到線路舞動(dòng)的區(qū)段；

(4) 線路走向和區(qū)域容易引起舞動(dòng)的區(qū)段；

(5) 輸電線路的大跨越區(qū)段。

其中，(1)、(2)、(4)、(5)區(qū)段均可根據(jù)后期的資料確定，而(3)區(qū)段必須根據(jù)當(dāng)時(shí)的觀測(cè)情況確定。由于不能及時(shí)全面掌握線路的實(shí)際舞動(dòng)范圍，致使在確定線路舞動(dòng)區(qū)段時(shí)出現(xiàn)偏差。

4.2.2 缺少詳細(xì)技術(shù)資料

2010年、2011年的500 kV線路舞動(dòng)事件為工作人員積累了豐富的舞動(dòng)資料，但能夠作為舞動(dòng)研究依據(jù)的資料仍然較少，如線路舞動(dòng)地區(qū)精確的氣象條件(氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速等)、線路及周邊覆冰情況、能夠反映舞動(dòng)軌跡及幅值的視頻資料等。

5.1 確定線路舞動(dòng)區(qū)段

全面收集線路舞動(dòng)資料，認(rèn)真分析氣象條件、線路走向、地形地勢(shì)與線路舞動(dòng)的聯(lián)系，摸清線路舞動(dòng)規(guī)律，確定下一步輸電線路舞動(dòng)治理的區(qū)段。

5.2 開(kāi)展舞動(dòng)區(qū)段線路的防舞治理工作

上述2011-02-27線路舞動(dòng)事件說(shuō)明，采取防舞措施能夠有效地治理輸電線路的舞動(dòng)，可以繼續(xù)采取同塔雙回線路加裝相間間隔棒、單回路水平排列線路加裝線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒和雙擺防舞器的方案，加強(qiáng)對(duì)線路舞動(dòng)區(qū)段的防舞治理工作。對(duì)于易舞動(dòng)區(qū)域但無(wú)法確定舞動(dòng)區(qū)段的線路，應(yīng)采取全線治理的原則進(jìn)行治理工作。

5.3 加強(qiáng)對(duì)輸電線路舞動(dòng)的觀測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

加強(qiáng)對(duì)舞動(dòng)觀測(cè)的影像記錄和舞動(dòng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集，了解舞動(dòng)發(fā)生的最新情況和特點(diǎn)，為舞動(dòng)的研究和防治工作積累資料。

5.4 提高線路故障巡視水平和收資敏感性

要收集故障點(diǎn)特性、環(huán)境資料、氣象資料等信息，為故障原因的分析、防范措施的制定等提供有效的依據(jù)。

1 王少華，蔣興良，孫才新.輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J].高電壓技術(shù)，2005(10).

2014-03-04。

李相棟(1984-)，男，工程師，主要研究方向輸電線路運(yùn)行與檢修，email：1lixiangdong@163.com。