輸電線路次檔距振蕩及其防治方法

鄭建欣 楊青原 呂俊霞

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473000）

1 引言

次檔距是分裂導(dǎo)線間隔棒之間的距離。次檔距振動是分裂導(dǎo)線各間隔棒之間的振動，介乎風(fēng)振動和舞動之間。發(fā)生次檔距振動的風(fēng)速范圍廣。次檔距振動能使分裂導(dǎo)線互相撞擊，因而損傷導(dǎo)線和間隔棒。

分裂導(dǎo)線次檔距振蕩是指在穩(wěn)定橫向風(fēng)荷載作用下，背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線位于迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線周圍形成漩渦氣流的空氣動力尾流中時，導(dǎo)致背風(fēng)側(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生以水平運動為主加扭轉(zhuǎn)形成的水平方向為長軸的橢圓軌跡振蕩，進而激發(fā)迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線產(chǎn)生相反方向的橢圓振蕩。

隨著輸電容量的不斷增大，為了減少電暈損失和電暈干擾，同時為了輸電線路的經(jīng)濟性和可靠性，所以在超高壓線路上廣泛使用分裂導(dǎo)線。次檔距振蕩只發(fā)生在分裂導(dǎo)線輸電線路中，是其特有的一種振蕩現(xiàn)象。

2 次檔距振蕩現(xiàn)象

次檔距振蕩現(xiàn)象是在分裂導(dǎo)線的情況下，其中一根或多根子導(dǎo)線不可避免的處在前方形成的尾流中。由于尾流效應(yīng)（坐落在下風(fēng)向的風(fēng)電機組的風(fēng)速低于坐落在上風(fēng)向的風(fēng)電機組的風(fēng)速，風(fēng)電機組相距越近，前面風(fēng)電機組對后面風(fēng)電機組風(fēng)速的影響越大，這種現(xiàn)場稱為尾流效應(yīng)），使得下風(fēng)的子導(dǎo)線更容易吸收風(fēng)的輸入能量，從而發(fā)生的低頻大幅度振動。

次檔距振蕩是氣動尾流效應(yīng)引起的一種導(dǎo)線振動形式，根據(jù)風(fēng)向及布置形式，多分裂導(dǎo)線分為迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線和背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線，在風(fēng)場中由迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線形成的尾流直接影響背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的氣流特性，引起子導(dǎo)線氣動力載荷發(fā)生變化，當(dāng)氣動載荷變化同導(dǎo)線結(jié)構(gòu)特性發(fā)生有效耦合作用時，則會激發(fā)分裂導(dǎo)線特有的次檔距振蕩現(xiàn)象，如圖1所示。振蕩以水平方向為主，伴以垂直方向的位移而構(gòu)成橢圓狀的運動，各分裂導(dǎo)線的運動并不同步，振蕩常以單波幅形式出現(xiàn)，其頻率一般為1～5 Hz，振幅在導(dǎo)線直徑到500 mm之間，風(fēng)速在5～15 m/s范圍內(nèi)。當(dāng)風(fēng)向與路線方向夾角大于 45°時，次檔距振蕩隨時都有可能發(fā)生，平坦開闊的地帶更容易發(fā)生次檔距振蕩。而且在同一水平面子導(dǎo)線的振蕩方向相反。這種振蕩一般發(fā)生在低溫季節(jié)，風(fēng)速為7～20 m/s。

圖1 分裂導(dǎo)線的次檔距振蕩

次檔距振蕩會造成各子導(dǎo)線的互撞和鞭擊，使導(dǎo)線的線股磨損，而且導(dǎo)致間隔棒夾頭處產(chǎn)生更大的動彎應(yīng)力，從而使阻尼性能差的間隔棒松動損壞，甚至造成導(dǎo)線斷股、短路等惡性事故，威脅架空導(dǎo)線及金具的運行壽命，以至需要更換造價昂貴的導(dǎo)線和金具。架空超高壓輸電線路對穩(wěn)定性的要求很高，它的安全運行至關(guān)重要，而又由于它所經(jīng)過的地區(qū)的地表條件和氣候往往很復(fù)雜。所以，關(guān)于輸電線路多分裂導(dǎo)線次檔距振蕩的研究具有重要的意義。

3 次檔距振蕩的成因及危害

在使用分裂導(dǎo)線的輸電線路中，每相導(dǎo)線是由兩個或者兩個以上的子導(dǎo)線所構(gòu)成。在穩(wěn)定橫向風(fēng)的作用下，空氣繞過迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線時，其表面附近形成很薄的邊界層漩渦區(qū)，并且流動將從導(dǎo)線后部表面分離，且有漩渦斷續(xù)的從導(dǎo)線表面脫落。這些薄邊界層或分理流渦旋區(qū)將順流而下，在導(dǎo)線后形成紊亂、充滿漩渦的尾流，并能保存一定的距離和速度，對處于尾流中的其他導(dǎo)線產(chǎn)生撞擊影響。根據(jù)空氣動力性能原理，處于尾流中的子導(dǎo)線受到阻力和升力的作用，并隨迎風(fēng)角（風(fēng)向與兩根子導(dǎo)線構(gòu)成的平面之間的夾角）及兩根子導(dǎo)線靠近程度的不同而變化，使處于尾流中的子導(dǎo)線不穩(wěn)定，可能按子導(dǎo)線的某個或接近自然頻率而開始振蕩。同時，又引起迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生相對振蕩，這就是誘發(fā)次檔距振蕩產(chǎn)生的主要原因，與覆冰與否無關(guān)，如圖2所示。

圖2 架空線背風(fēng)面渦流示意圖

3.1 電暈誘發(fā)振蕩

只是一種由在導(dǎo)線底部形成水滴引起的電暈所造成運動水滴，引起的每一次電暈爆發(fā)產(chǎn)生一個向上脈沖，激發(fā)起振蕩的同時，水滴也發(fā)生變形，因而使運動持續(xù)不斷。電暈誘發(fā)振蕩顯然是相當(dāng)小的，而正常采用防止導(dǎo)線舞動的措施看來足夠控制這一類的振蕩，在發(fā)生振蕩時，風(fēng)往往是平靜的，出現(xiàn)水滴是發(fā)生電暈誘發(fā)振蕩的必要條件。

3.2 短路振蕩

短路振蕩僅發(fā)生在分裂導(dǎo)線的線路上，短路時短路電流產(chǎn)生的電磁吸力，使同分裂的子導(dǎo)線間相互吸引，使每個次檔距都會產(chǎn)生一個半波長碰擊振蕩。其后果是造成間隔棒和導(dǎo)線的碰擊損傷，防護措施是增加間隔棒的強度。次檔距振蕩而導(dǎo)致分裂導(dǎo)線破壞問題已成為一個十分緊迫的問題。

3.3 振蕩產(chǎn)生的誘因

在超高壓輸電線路分裂導(dǎo)線中，使用了兩根或更多的平行的電力線構(gòu)成一組或一束導(dǎo)線，而不是帶單相電流的單根導(dǎo)線。這樣，使用這些平行的導(dǎo)線時，間隔棒是必不可少的附件（金具），它們把分裂導(dǎo)線固定成束狀結(jié)構(gòu)，這些間隔棒在兩塔間檔距按一定的距離與這些平行線垂直相連。

次檔距振蕩改變了線路的電氣參數(shù)，增大了電暈損失，提高了對無線電的干擾水平。但對于現(xiàn)有的各電壓等級的線路，這些影響較小，尚不構(gòu)成運行上的突出問題。另外。次檔距振蕩會造成各子導(dǎo)線的互撞和鞭擊，使導(dǎo)線斷股磨損，間隔棒夾頭處產(chǎn)生很大的動彎應(yīng)力，導(dǎo)致間隔棒松動以至損壞，甚至導(dǎo)線斷股、斷線等線路事故，威脅架空輸電線路安全運行及金具的使用壽命。

3.4 次檔距振蕩的影響因素

影響分裂導(dǎo)線次檔距振蕩的因素除了氣象條件和地形地貌等基本因素外，還有若干可變因素，主要有：分裂導(dǎo)線的數(shù)量和布置；分裂導(dǎo)線間距和導(dǎo)線直徑；導(dǎo)線質(zhì)量；子導(dǎo)線排列對風(fēng)向的傾角；間隔棒裝置的類型和位置等。

4 次檔距振蕩防治措施

在輸電線路中，抑制和減小次檔距振蕩的防護措施通常有如下幾種：增大分裂導(dǎo)線間距；合理布置子導(dǎo)線的位置；減少尾流區(qū)中導(dǎo)線的數(shù)量；減小次檔距的長度；間隔棒的優(yōu)化布置和適宜選型等。但是它們并不是互不相容的，而常常是混合使用。

4.1 增大分裂導(dǎo)線的間距

分裂導(dǎo)線的間距通常取決于電氣方面因素。如導(dǎo)線表面容許電壓降。但基于改善分裂導(dǎo)線振動特性的要求，最終選擇的S/D值要大于電氣方面所要求的最小值。當(dāng)S/D值大于15～18時，可以有效地減弱或消除次檔距振蕩危害，但這需要從線路建設(shè)初期便進行設(shè)計，對于已建成的老舊線路適應(yīng)性不大。如果分裂間距為導(dǎo)線直徑的 20倍以上，背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線基本會避開迎風(fēng)側(cè)受風(fēng)后的漩渦激發(fā)振蕩范圍，但是這樣大的分裂間距會影響線路的電磁環(huán)境，增加塔頭尺寸，且需要對連接金具進行重新設(shè)計。

4.2 減少尾流區(qū)導(dǎo)線的數(shù)量

減少迎風(fēng)面導(dǎo)線的尾流區(qū)中導(dǎo)線的數(shù)量，實際上就是分裂導(dǎo)線相對位置如何布置問題。

4.3 合理布置子導(dǎo)線的位置

迎風(fēng)面子導(dǎo)線與背風(fēng)子導(dǎo)線形成的平面相對風(fēng)向有一定傾斜角，背風(fēng)子導(dǎo)線受到尾流激勵力會減小，甚至?xí)拐袷幊鴾p弱的趨勢發(fā)展。對雙分裂導(dǎo)線可采用垂直布置，或成 45°對角線布置，這樣可省去了安裝阻尼間隔棒，而且不僅僅有效地抑制了次檔距振蕩和舞動，也避免了阻尼間隔棒及附近導(dǎo)線損壞的弊端，這在我國廣泛采用。

對多分裂導(dǎo)線，國外有三分裂導(dǎo)線的三角形扭轉(zhuǎn)30°，四分裂導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)45°布置成菱形以減少尾流效應(yīng)，目前國內(nèi)尚無此經(jīng)驗。

4.4 減小次檔距的長度

次檔距長度與振蕩輔助成正比，通過減小次檔距長度，可以增加激發(fā)次檔距振蕩風(fēng)速臨界值，降低振動幅度，達到抑制次檔距振蕩發(fā)生及減弱次檔距振蕩對線路結(jié)構(gòu)損傷程度。但是，過度縮小次檔距長度不僅會增加線路的投資，而且會加大導(dǎo)線的運行應(yīng)力水平，因而需要合理確定最大次檔距。

4.5 采用適宜的阻尼間隔棒并優(yōu)化布置

為了減弱次檔距振蕩強度，需要選用機械特性優(yōu)良的阻尼間隔棒，其一是通過間隔棒線夾設(shè)計使得振動波在相鄰次檔距間實現(xiàn)交互傳遞，從而降低振動水平；其二是在間隔棒線夾結(jié)構(gòu)中設(shè)計有效的阻尼組件，使得沿著導(dǎo)線檔距形成分布式阻尼效應(yīng)，實現(xiàn)抑制次檔距振蕩發(fā)生。對間隔棒進行優(yōu)化布置，可以更好地吸收振動能量，抑制次檔距振蕩，間隔棒的優(yōu)化布置是次檔距振蕩防護中一個重要研究課題。

4.5.1 阻尼間隔棒的結(jié)構(gòu)和作用機理

阻尼間隔棒在我國廣泛應(yīng)用于輸電線路，其作用原理是在間隔棒活動關(guān)節(jié)處，利用橡膠元件作阻尼材料來消耗導(dǎo)線的振動能量，以便能在保持分裂導(dǎo)線幾何尺寸的同時，使其有充分的活動性。利用橡膠的粘性在交變應(yīng)力之下，吸收足夠的能量以達到對導(dǎo)線振動次數(shù)阻尼作用。該類間隔棒導(dǎo)線有足夠的扭轉(zhuǎn)握力，即使當(dāng)分裂導(dǎo)線出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象時，也不會出現(xiàn)夾的握力有松動情況，適用于各地區(qū)。但是考慮我國輸電線路的經(jīng)濟條件，這類間隔棒主要用于導(dǎo)線容易產(chǎn)生振動地區(qū)的線路（如平原、丘陵及開闊地帶）。而剛性間隔棒的消振性能較差，適用于導(dǎo)線不易產(chǎn)生振動地區(qū)的線路（如山地、林區(qū)的隱蔽地帶）或用作線路間隔棒。

4.5.2 阻尼間隔棒裝置的類型和位置的影響

對于次檔距振蕩，為了更好的吸收振蕩產(chǎn)生的能量，現(xiàn)在廣泛選用具有較好阻尼性能間隔棒，即為阻尼間隔棒，阻尼間隔棒安裝位置對于次檔距振蕩的影響非常大。為了防止相鄰次檔距振蕩一致周期（如果有一處發(fā)生振蕩，就會激起全部次檔距振蕩）的現(xiàn)象發(fā)生，間隔棒安裝距離應(yīng)當(dāng)采用不等距離方法。

5 分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒布置方法

阻尼間隔棒就是能降低分裂導(dǎo)線微風(fēng)振動或次檔距振蕩的柔性或半剛性間隔棒。

間隔棒的主要作用是支撐子導(dǎo)線、防止子導(dǎo)線相互碰撞和鞭擊，抑制微風(fēng)振動，抑制次檔距振蕩。所以，對于間隔棒的安裝距離及數(shù)量，除了考慮經(jīng)濟因素外，還必須從防止導(dǎo)線碰撞和翻轉(zhuǎn)、能達到最佳防振效果等方面進行必要的研究和計算，主要考慮以下兩種破壞形式。

防止導(dǎo)線互相鞭擊。若最大次檔距的值超過一定的范圍，當(dāng)兩個導(dǎo)線反向運動到最大位移處時，兩導(dǎo)線就會相互鞭擊，影響導(dǎo)線壽命。

防止導(dǎo)線疲勞損傷。次檔距振蕩使間隔棒夾頭產(chǎn)生更大動彎力，并振壞和振松夾頭握力引起導(dǎo)線磨損或斷股，而導(dǎo)線動彎應(yīng)力與導(dǎo)線次檔距振蕩幅值有關(guān)，導(dǎo)線次檔距振蕩幅值越大，導(dǎo)線與間隔棒連接處的應(yīng)力也越大。間隔棒的合理布置能夠有效抑制次檔距振蕩幅值，從而降低導(dǎo)線發(fā)生疲勞斷股的幾率。

5.1 最大次檔距

在分裂導(dǎo)線中，對間隔棒進行合理布置是控制次檔距振蕩的重要措施，而進行間隔棒布置的首要問題就是確定間隔棒最大次檔距。對于最大次檔距，一般設(shè)計中都是依據(jù)經(jīng)驗進行取值。日本特高壓輸電特別委員會推薦1000 kV線路的最大次檔距為55 m，500 kV線路的最大檔距略長些。加拿大的恩居（Andre）公司規(guī)定兩級最大平均次檔距：開闊地帶，取68 m；非開闊地帶，取76 m。這些數(shù)據(jù)均有各自的經(jīng)驗依據(jù)，但分散性太大，不易把握，且缺少理論依據(jù)。

當(dāng)尾流區(qū)中的導(dǎo)線輸入能量與衰減能量達到相互平衡的狀態(tài)時，次檔距振蕩就會成為穩(wěn)定振蕩。為避免子導(dǎo)線振蕩時發(fā)生碰撞，檔距中子導(dǎo)線的振幅一般要求小于二分之一倍的分裂間距。

次檔距振蕩振幅具有如下特性。

張力越大，振幅越?。婚g隔棒間隔越大，振幅越大；風(fēng)速越大，振幅越大；覆冰越多，振幅將越大；導(dǎo)線外徑越大，振幅越大。

由以上特性可知，對于覆冰區(qū)的導(dǎo)線次檔距，應(yīng)小于無覆冰區(qū)導(dǎo)線次檔距。

5.2 間隔棒的優(yōu)化布置

《間隔棒內(nèi)安裝距離》歸納了國內(nèi)外次檔距不等距布置的基本方式。

次檔距長度由兩端向中間逐步增加，到檔距中央達到最大值；次檔距長度交替增加和減小。

中國電力科學(xué)研究院科研團隊基于非線性優(yōu)化方法——罰函數(shù)法，主要考慮導(dǎo)線的總彎曲變形最小及調(diào)諧因子最大原則，建立了防次檔距振蕩間隔棒優(yōu)化布置程序，并研制了防次檔距振蕩裝置，在多個實際工程中得到了應(yīng)用。

分裂導(dǎo)線次檔距振蕩嚴(yán)重威脅著超高壓輸電線路的安全運行。隨著我國電力輸送能量的迅速增長，多分裂、大容量、遠距離的輸電線路成為必然選擇，次檔距振蕩作為多分裂導(dǎo)線的研究具有重要的意義。阻尼間隔棒是多分裂導(dǎo)線輸電線路必不可少的金具。我國盡管對于它的研究已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的技術(shù)，但是測試技術(shù)卻不能達到很好的保證。所以，對于阻尼間隔棒性能測試的研究應(yīng)進一步加強，針對導(dǎo)線特性開發(fā)出導(dǎo)線專用間隔棒。