輸電線路舞動(dòng)分析研究

【摘 要】本文從導(dǎo)線舞動(dòng)的成因入手，介紹了輸電線路舞動(dòng)造成的危害，闡述了目前國(guó)內(nèi)外形成的四種有代表性的舞動(dòng)機(jī)理，并分析了和歸納了當(dāng)前輸電線路舞動(dòng)的治理措施。

【關(guān)鍵詞】輸電線路 舞動(dòng) 覆冰 防脫冰跳躍裝置 防舞器

1 概述

水平方向的風(fēng)吹到覆冰后的導(dǎo)線上時(shí)，產(chǎn)生空氣動(dòng)力，誘發(fā)導(dǎo)線產(chǎn)生一種低頻頻率（約0.1～3Hz）、振幅大（可達(dá)10m以上）的自激振動(dòng)。由于導(dǎo)線形態(tài)上下翻飛，形如龍舞，故稱舞動(dòng)。導(dǎo)線舞動(dòng)對(duì)桿塔、導(dǎo)線、金具等各部件產(chǎn)生損害，造成輸電線路停電或跳閘，對(duì)輸電線路安全運(yùn)行造成極大危害，同時(shí)伴隨著會(huì)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

2 輸電線路舞動(dòng)產(chǎn)生的原因及危害

2.1輸電線路舞動(dòng)產(chǎn)生的原因

（1）輸電線路走向的影響。國(guó)內(nèi)外大量資料表明，舞動(dòng)風(fēng)速范圍一般在4～20m/s，且風(fēng)向與輸電線路走向的夾角≥45°時(shí)，導(dǎo)線易舞動(dòng)，而且該夾角越接近90°，則舞動(dòng)的可能性越大。

（2）地形/地勢(shì)的影響。舞動(dòng)不僅與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件有關(guān)，也與輸電線路所在地區(qū)的地形、地貌條件密切相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，舞動(dòng)多發(fā)生于平原開(kāi)闊地區(qū)（如江河湖泊、平地等）或山谷風(fēng)口，就是因?yàn)槠教归_(kāi)闊地帶易形成相對(duì)穩(wěn)定的層流風(fēng)，對(duì)導(dǎo)線的激勵(lì)效果明顯。

（3）冰風(fēng)參數(shù)的影響。輸電線路覆冰是舞動(dòng)的必要條件之一。導(dǎo)線上要形成覆冰，必須具備兩個(gè)條件：一是凍雨、雨淞或雨加雪，干雪就不易凝結(jié)在導(dǎo)線上；二是需要合適的溫度，一般為0～-5℃，溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于導(dǎo)線覆冰。

要形成舞動(dòng)，除覆冰因素外，還必須有穩(wěn)定的層流風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的激勵(lì)作用，同樣的雨淞條件下，風(fēng)速的大小將會(huì)影響成冰的形狀，進(jìn)而影響空氣動(dòng)力狀態(tài)。

（4）輸電線路結(jié)構(gòu)及參數(shù)。輸電線路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)也是形成舞動(dòng)的重要因素之一。從國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，在相同的環(huán)境、氣象條件下，分裂導(dǎo)線要比單導(dǎo)線容易產(chǎn)生舞動(dòng)，并且大截面的導(dǎo)線要比常規(guī)截面的導(dǎo)線易于產(chǎn)生舞動(dòng)。

2.2輸電線路舞動(dòng)的危害

（1）相間閃絡(luò)：導(dǎo)線在大幅度、長(zhǎng)時(shí)間、無(wú)規(guī)律的舞動(dòng)時(shí)，舞動(dòng)幅值可達(dá)數(shù)米，嚴(yán)重情況下舞動(dòng)幅值甚至超過(guò)十米，容易使導(dǎo)線相間距離縮短或碰撞而閃絡(luò)，燒傷導(dǎo)線并引起輸電線路跳閘。（2）絕緣子損壞：舞動(dòng)時(shí)，容易引起耐張絕緣子雙聯(lián)間碰撞受損；另外鐵塔橫擔(dān)受損后，耐張絕緣子與塔材碰撞，造成絕緣子損壞。（3）金具及附件受損：導(dǎo)線舞動(dòng)極易引起金具及附件受損。（4）危及桿塔：導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)塔身?yè)u晃，橫擔(dān)順線擺動(dòng)，扭曲變形；塔身聯(lián)結(jié)螺栓松動(dòng)、損壞、脫落，嚴(yán)重時(shí)引起倒塔。（5）損傷導(dǎo)線：導(dǎo)線舞動(dòng)會(huì)使導(dǎo)線在懸垂線夾出口處及間隔棒夾頭處產(chǎn)生位移、磨損、斷股，嚴(yán)重時(shí)斷線落地。

3 輸電線路舞動(dòng)的理論及機(jī)理

3.1輸電線路舞動(dòng)理論

架空輸電線路的舞動(dòng)是一種空氣動(dòng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象，屬于馳振范疇，在振動(dòng)形態(tài)上表現(xiàn)為在1個(gè)檔距內(nèi)只有1個(gè)或少數(shù)幾個(gè)半波。由典型的舞動(dòng)位移表征可知，舞動(dòng)發(fā)生時(shí)通常橫向位移很大，同時(shí)伴隨著水平運(yùn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，舞動(dòng)軌跡表現(xiàn)為橢圓形。

3.2主要的舞動(dòng)機(jī)理

（1）Den Hartog機(jī)理。Den Hartog 機(jī)理的基本內(nèi)容是：當(dāng)覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力阻尼為負(fù)并大于橫向固有阻尼時(shí)，無(wú)耦合的垂直運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不穩(wěn)定性，即舞動(dòng)是由空氣動(dòng)力產(chǎn)生的負(fù)阻尼引起的，即。：升力系數(shù)；：阻力系數(shù)。

此物理模型比較簡(jiǎn)單，為單自由度模型，只考慮了導(dǎo)線的橫向振動(dòng)，即所謂無(wú)扭舞動(dòng)模型。

（2）O.Nigol機(jī)理。O.Nigol認(rèn)為，導(dǎo)線之所以扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)與兩個(gè)因素有關(guān)：一是當(dāng)導(dǎo)線單側(cè)覆冰時(shí)冰殼重心與原有導(dǎo)線軸向重心不相重合，因而對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生了繞導(dǎo)線軸向重心的扭轉(zhuǎn)力矩；二是當(dāng)風(fēng)吹到這樣的非圓形截面時(shí)動(dòng)氣動(dòng)力的作用中心與導(dǎo)線的中心不重合，也產(chǎn)生了繞導(dǎo)線軸的空氣動(dòng)力扭轉(zhuǎn)力矩。

該理論的數(shù)學(xué)描述為

式中，為導(dǎo)線第k階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的振幅；為導(dǎo)線第k階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的角頻率；為與輸電線路走向垂直的水平風(fēng)速；為偏心覆冰導(dǎo)線初始迎風(fēng)攻角。

（3）慣性耦合機(jī)理。在這種激發(fā)模式時(shí)，其橫向振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)可能都是穩(wěn)定的，只是由于覆冰造成的偏心慣性作用引起攻角變化，從而使相應(yīng)的升力對(duì)橫向振動(dòng)形成正反饋，加劇了橫向振動(dòng)，從而積累能量，最后形成大幅度舞動(dòng)。

4 輸電線路舞動(dòng)的治理措施

（1）通過(guò)改變導(dǎo)線特性來(lái)抑制舞動(dòng)，多數(shù)防舞器屬于此類，包括失諧擺、抑制扭振型防舞器、雙擺防舞器、整體式偏心重錘等；（2）通過(guò)提高導(dǎo)線系統(tǒng)的自阻尼來(lái)抑制舞動(dòng)，如由加拿大A.T.Edwardi（愛(ài)德華滋）設(shè)計(jì)的終端阻尼器；（3）通過(guò)提高風(fēng)動(dòng)阻力來(lái)達(dá)到抑制舞動(dòng)，如由A.S.Richardson（理查德遜）研制的空氣動(dòng)力阻尼器；（4）通過(guò)擾亂沿檔氣流來(lái)達(dá)到抑制舞動(dòng)，如擾流防舞器；（5）通過(guò)各種防覆冰措施來(lái)達(dá)到抑制舞動(dòng)，如采用低居里點(diǎn)合金材料，使用防雪導(dǎo)線以及大電流融冰等；（6）提高導(dǎo)線的運(yùn)行張力和縮短檔距也可達(dá)到一定的抑制舞動(dòng)的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)輸電線路舞動(dòng)產(chǎn)生的原因及危害，對(duì)輸電線路舞動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹及分析，分析了和歸納了當(dāng)前輸電線路舞動(dòng)的治理措施，具體如下：

（1）通過(guò)改變導(dǎo)線特性、提高導(dǎo)線系統(tǒng)的自阻尼來(lái)抑制舞動(dòng)。

（2）通過(guò)提高風(fēng)動(dòng)阻力、擾亂沿檔氣流來(lái)抑制舞動(dòng)。

（3）通過(guò)各種防覆冰措施、提高導(dǎo)線的運(yùn)行張力和縮短檔距來(lái)抑制舞動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介：胡濤（1982-），男、漢族、碩士研究生，現(xiàn)工作于山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院。