特高压输电线路防舞动研究

特高压输电线路防舞动研究

杨洋

（国网新疆电力公司电力科学研究院）

摘要：根据特高压交、直流输电线路的结构参数及相应的冰风条件，分析对其进行防舞分析的必要性，研究基于失谐防据，提出主要抑制分裂导线横向和扭转的耦合振动和降低导线覆冰不均匀性的防舞原则。针对特高压输电线路的防舞设计，开发基于失谐防舞机理的失谐间隔棒、基于减轻导线覆冰不均匀性原则的线夹回转式间隔棒和基于舞动稳定性机理的双摆防舞器3种防舞装置，并建立基于相应防舞器的防舞设计方法。

关键词：舞动；特高压；线夹回转式间隔棒；失谐间隔棒；双摆防舞器

架空输电线路运行过程中会因自然条件的作用而发生多种灾害事故，舞动就是其中危害较为严重的一种。架空输电线路的舞动是一种空气动力不稳定现象，是输电线路导线不均匀覆冰后在风力作用下引起的一种低频率（约为0.1-3Hz）、大振幅（约为导线直径的20-300倍）的自激振动现象，属于驰振范畴，在振动在形态上表现为在1个挡距内只有1个或少数几个半波。舞动产生的危害是多方面的，轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。根据输电线路经过的主要地区的气象、地形等条件，及实际的运行观测，我国是舞动灾害最严重的国家之一，因此对于输电线路的防舞动问题是非常重要的研究课题。

一、现有导线舞动激发机理分析

为防止舞动现象对输电线路的正常运行造成的巨大危害，国内外许多学者在此方面开展了大量的研究工作，在起舞机理、舞动过程等方面取得了很多重要的成果。分析现有的输电线路舞动激发机理，可得到如下的结论：1）输电线路舞动的激发是一个复杂的流固耦合问题，并且受到许多参数的影响和制约，例如导线系统参数、冰、风、雨量、气温、气压等。因此，到目前为止仍然没有得出一个统一、普适的激发机理，现有的激发机理都是基于某种简化力学模型，重点考虑部分影响参数而得到的，故对于同一条线路，在不同条件下、不同时间段可能出现不同的舞动激发模式。

横向振动激发机理是在只考虑导线垂直方向自由度的情况下得到的，Nigol扭转激发机理是同时考虑导线垂直方向自由度和扭转自由度情况下得到的。对于实际线路，当首先达到横向振动激发条件时，将出现DenHartog舞动；而当首先达到扭转振动激发条件时，将出现Nigol舞动。因此，两者并不矛盾。而对于分裂导线而言，其扭转特性和单导线相比有本质的不同，其同阶扭转频率和横向振动频率更接近，从而更易激发Nigol形式舞动，因此，分裂导线往往比单导线更易发生舞动现象。

二、失谐间隔棒

1、分裂导线扭转刚度

扭转刚度是对分裂导线进行防舞设计的一个重要参数。单导线与分裂导线的扭转刚度计算有着本质上的区别，前者是导线绕自身轴线扭转时的刚度，而后者是绕分裂圆中心扭转时，分裂导线整体所具有的刚度。单导线虽然不同于匀质圆棒结构，但实验证明其扭转变形是线性的；分裂导线的扭转变形则呈非线性分布，而且非常特殊。单导线的扭转刚度作为导线本身的一种固有属性，只与导线所用材料、导线几何特征、结构特征和使用情况有关，扭矩-扭角关系曲线基本呈线性。而对于分裂导线的扭转刚度要复杂的多，其影响因素也比较多，通常表现为非线性特征。

失谐间隔棒的设计布置方法：根据失谐间隔棒的性能要求设计对应的双分裂间隔棒，中间隔棒两线夹可都采用普通固定式握持线夹，也可采用一端为固定式、一端为回转式的型式。控制参数的选取主要是防止分裂导线次挡距振荡、风压和电磁吸引力及分裂导线翻转自恢复等方面进行考虑。由此，建立以抑制次挡距振荡和风压与电磁吸引力为主要目标函数，同时考虑微风振动和舞动影响的次挡距的计算模型，运用非线性数学规划的方法对间隔棒的布置方案进行优选，最终确定间隔棒的布置方案。

2、线夹回转式间隔棒

“不均匀覆冰”是输电导线产生舞动的另一个重要诱因，也是舞动发生的一个必要条件。分裂导线因为沿着整个挡距由间隔棒固定并分割成若干次挡距，这在很大程度上改变了导线的状态，特别是对于传统设计的固定式连接的间隔棒，使得子导线在这种间隔棒附近无法实现相应的转动，同时由于这种连接，使得长度更短的次挡距段导线扭转刚度增大，次挡距内部子导线实现扭转需要更大的静扭矩，导线很难产生绕自身轴线的转动，这也是分裂导线较之单导线更易发生舞动的一个原因。

线夹回转式间隔棒的设计和布置方法：线夹回转式间隔棒安装到多分裂输电线路上替代普通间隔棒，既起到普通间隔棒的作用，还兼具线路预防舞动的作用。因此其设计首先应满足普通间隔棒的机械和电气性能要求，为此按照有关标准应对其进行相关试验，特别是回转式线夹应满足相应标准要求。对特高压输电线路，风压和电磁吸引力相对于次挡距振荡对间隔棒安装间距的影响要小得多，因此线夹回转式间隔棒进行布置时，可将风压和电磁吸引力不作为主要的优化目标函数，从而减小计算量。

双摆防舞器

双摆防舞器的防舞设计基于稳定性防舞机理，其基本思路是：线路舞动是由于失稳造成的，为使系统保持稳定，必须改变系统对舞动敏感的参数，例如增加系统扭转刚度和转动惯量等即可改变导线系统舞动的冰风阈值，可有效抑制舞动，为此需在系统中加入防舞装置，并在计算模型中把防舞装置和覆冰的影响反映在内。为了数学上的严谨和使用上的方便，采用了线性动力稳定性理论作为分析的理论基础，运用代数稳定性判据稳定性判据）来判别系统是否稳定。

双摆防舞器的设计和布置方案：基于稳定性机理的防舞设计所依据的技术条件主要包括2个方面：气象条件、线路参数。气象条件包括：覆冰厚度、风速范围、气温等。线路参数包括：导线直径、扭转刚度、分裂数、运行张力、间隔棒安装等。根据上述技术条件，应用稳定性防舞设计方法，将相应参数直接进行分析和优化计算，来确定双摆防舞器的理论摆长、理论摆角、理论质量等设计参数，结合实际使用的间隔棒确定防舞器的实际臂长、实际摆角、实际质量，初步定型防舞器。对初步定型的防舞器根据舞动、微风振动、电晕等要求进行进一步参数优化，并经过试验验证最终完成防舞器的定型。双摆防舞器采用间隔棒作为载体安装在导线上，故防舞器与间隔棒之间的连接非常关键，应确保连接的可靠。

结束语

随着我国国民经济的快速发展，对电力的需求也持续增长，我国电力工业已进入大电网、大机组、高电压、自动化的发展时期。建设特高压电网，可适应我国国民经济发展对电力工业的需求，促进电力产业技术升级，有利于更大范围内的资源优化配置，实现大功率、长距离的电力输送，对提高能源利用率具有重要意义。舞动产生的危害是多方面的，轻者发生闪络、跳闸，重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。根据输电线路经过的主要地区的气象、地形等条件，及实际的运行观测，我国是舞动灾害最严重的国家之一，本文简述了现有导线舞动激发机理分析，探讨了失谐间隔棒与线夹回转式间隔棒、双摆防舞器，为特高压输电线路防舞动提供参考依据。

参考文献：

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