架空输电线路导线限位式防舞技术研究
张卫涛
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张卫涛,. 架空输电线路导线限位式防舞技术研究[J]. 中国能源进展,202212. DOI:10.12721/ccn.2022.157110.
摘要: 架空输电线路导线舞动导致金具损坏、跳闸,甚至倒塔,严重威胁线路的安全运行,给社会经济带来巨大的损失。针对架空输电线路舞动特点,结合导线、分裂数及排列形式等方面的技术参数,开展了架空输电线路导线限位式防舞技术研究。
关键词: 架空输电线路导线;限位式;防舞技术
DOI:10.12721/ccn.2022.157110
基金资助:

1导线舞动的激发模式

导线舞动的激发模式主要有如下3种:

(1)横向(垂直)激励模式。横向构件的升力与攻角为负斜率并且较为明显,升力方向与振动方向一致。在吸能作用下,横向元件的稳定性无法得到保证,即便存在微弱的风力扰动作用,也依然有大幅度振动的可能。

(2)扭转激励模式。导体固有的扭转阻尼为主要的参照基准,若空气动力学中的扭转阻尼超过该值,在此条件下,随着扭转频率的改变(该指标逐步趋近垂直向的共振舞动频率),将有更为明显的扭转失稳现象,其最终的表现则是垂直向的大幅度舞动。

(3)偏心惯性耦合激发模式。在现场环境特殊时(例如风速和雨量均较大),导线覆冰在下风侧,该处也是偏心质量的集中区域,此时无论横向振动还是扭转振动,两者均可以维持稳定的状态。但在偏心惯性作用下,攻角发生改变,升力的鼓动导致横向振动现象加剧。

2导线舞动的形成

2.1覆冰

覆冰是发生舞动的先决条件之一。其中,降水形式、降水量和温度是决定导线覆冰是否发生以及实际程度的关键因素,该现象常见于雨前雪后,气温在短时间内骤降(0℃以内),导线局部有覆冰现象,呈月牙形、扇形等,厚度较小时几mm,较大时达到几十mm。在该条件下,导线的空气动力性能显著增强,受风的激励,随之舞动。

2.2风的激励

层流风激励也是诱发舞动现象的先决条件之一。在冬、春两季普遍有大风天气,雨凇区平稳层流存在等级较高的大风,通常其速度可达到4~20m/s。线路走向与风向的夹角达到45°以上时,绝大部分地区易出现驰振,例如平原区、山区等。并且,该夹角逐步接近90°时,舞动的幅度持续加大,因为当风垂直吹向不对称的椭圆形导体时,会产生最大的升力和力矩。

2.3线路结构参数的影响

以张力、跨距、垂度为代表的多项线路结构参数存在不合理的情况时(单项指标或多项指标的组合形式不合理),易加大舞动的发生概率。并且,相比于单导线而言,分裂导线在该条件下发生舞动的可能性明显增加。对于单导线而言,其在覆冰状态下扭转刚度较小,易出现较大幅度的扭转,此时覆冰的形状近似圆形。在间隔棒的影响下,成束导线覆冰时其内部各子导线均存在较大的扭转刚度,导线的柔韧性有所增强,虽然有扭转现象但程度轻微,导线覆冰产生翼型截面。作为成束导线,若存在风激励作用,此时无论是升力还是扭转,均有较大幅度的增加(相比于单导线而言)。

从导线截面的角度来看,大截面导线出现舞动现象的概率相对更大,并且此类型导线的扭转刚度也更大;受偏心覆冰的影响,大截面导线的扭转角较小,而此时小截面导线的该值偏大;在覆冰条件中,大截面导线更容易产生翼型断面,其升力也有所加大。在气象条件和导线力学参数两方面均具有合理性的前提下,无论电压等级如何,均不会对导线舞动的发生概率以及实际程度带来显著影响,换言之,此时导线舞动与电压等级无显著相关性。

3限位式防舞机理

舞动初期,随着导线系统风能的积聚,导线发生小幅度的横向振动,并且会产生横向振动与扭转向振动的耦合作用。如果不采取措施,随着风能的输入,舞动幅值会不断增大,最终产生低频率(一般0.1~3 Hz)、大振幅(一般>3 m)的严重舞动,造成线路机械和电气故障,严重威胁电网的安全稳定运行。限位式防舞是指针对不同线路舞动特点,在模态分析的基础上,在可能发生舞动振型的波腹处增加约束装置,在安装点处形成波节点,以实现对舞动抑制作用的防舞方法。在1个档距中,如能形成若干个节点(即不发生振动的点),相邻2个节点之间就形成1个节距,这样就能把振动限制在各个节距之内了。通过对节点的合理布置,使振动得以抑制,或使各节距内的振动在以行波形式传播时相互干扰、相互削弱或抵消,从而达到抑制舞动的目的。

4限位式防舞方案设计

由于导线在悬挂时,一般以悬链线的形式存在,其形态类似于余弦曲线。静止状态下的形状可认为是1阶导线的向下方向的最大振荡幅度状态。导线舞动时其形态分成1阶、2阶以及多阶形态。

理论分析和实际观测表明,线路舞动出现的阶次具有一定的规律性。一般而言,400 m以下档距线路多出现1阶舞动;而档距在400~600 m之间时,常出现2阶舞动;而当档距>600 m时,常出现3阶及以上舞动。因此,限位式防舞可把线路依档距分为3类考虑,综合考虑经济及运维需要,确定限位点的布置方案,如表1所示,即将限位点布置在最可能出现舞动阶次的波幅处,可有效抑制舞动的发生。当档距<400 m时,可将限位点布置于档距中点,同时对可能出现的2阶舞动也有一定的抑制作用。当档距在400~600 m之间时,设置2个限位点,分别位于距杆塔1/3档距和2/3档距位置。当档距>600 m时,可设置3个及以上限位点,具体方案见表1,表中l表示档距。

表1限位式防舞限位点布置方案

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对于2阶及以上阶次的舞动,即采取多点限位防舞时,由于其舞动幅度一般比单阶舞动幅度小,限位荷载也小于1阶舞动的限位荷载,为安全起见,并考虑防治装置加工及施工安装的便利性,对多点限位时,其限位设计荷载取单点限位荷载。

5限位式防治装置试点应用

5.1限位式防治装置特点及适用性

限位式防治装置与常规防舞装置区别主要在于其通过强制限制导线的舞动幅值达到防舞的目的,而常规防舞装置多采用压重提升导线的起舞冰风阈值、改变导线扭转特性以减轻风的激励等方式。与现有防舞技术相比,限位式防舞技术防舞技术的主要是防舞效果最好,且具有可调节功能,其内部预留一段防腐钢丝绳可补偿导线因温升而引起的导线弧垂高度变化。限位式防治装置结合基础、连接金具等装置形成一套系统,安装施工较复杂,其造价比常规防舞装置要高一些,建议在3级舞动区或常规防舞装置无法满足防舞需求的地区使用。对于山区及跨越段,因受地形影响,无法构建基础而无法使用。

5.2限位式防治装置应用

通过对某公司架空输电线路舞动区域分布及特点和冰区灾害分布及特点进行分析,并与相关线路运行部门讨论,最终确定限位式防治装置试点应用线路,并根据限位式防舞方案开展试点应用工作。2018年1月,限位式防治装置某试点应用线路发生大范围舞动现象,与安装限位式防治装置线路相关参数相似的耐张段发生多级铁塔损坏、掉串等事故。试点应用线路舞动后,对安装限位式防治装置区域进行现场巡查,发现无铁塔损坏、掉串等现象,限位式防治装置无损坏且可正常工作。通过试点应用表明,安装限位式防治装置能够有效提升架空输电线路的防舞能力,可以有效地保证线路舞动时的正常运行。

6结语

电力线路的导线舞动是其在运行中较为普遍的问题,为从根本上解决该问题,需深入实地分析舞动的关键成因以及舞动的具体发生规律,再采取合适的解决措施,例如规避舞动高发区、提高导线系统的稳定性及增强导线对舞动的抑制能力等均是可行的工作思路。本文依据应用线路的相关参数,结合安装限位式防治装置后线路的舞动幅值、弧垂最低点最大张力等特性,开展了限位式防治装置试点应用工作,验证了限位式防治方法的有效性,为限位式防治装置的应用提供了相关依据。

参考文献:

[1]曹长胜.架空输电线路防舞动技术[J].贵州电力技术,2017,20(7):39-42.

[2]孙菊海,温灵长,谭蓉.输电线路导线舞动及防舞措施[J].电网与清洁能源.2013,29(12).