输电线路导线舞动的防治及研究

张 谦

（国核电力规划设计研究院，北京 100032）

0 引言

随着社会的发展，电力已成为社会各行各业发展的原动力。我国要建设成坚强智能电网，这就使得架空输电线路的安全运行越来越重要。在风的作用下，架空输电线路存在着高频振动 （即微风振动）、次档距振动及低频振动（即导线舞动）3种振动方式。

架空输电导线舞动是指风对非圆截面导线所产生的一种低频(约为0.1～3 Hz)、大振幅的导线自激振动,其最大振幅可达导线直径的5～300倍。舞动多发生在寒冬偏心覆冰的输电导线上,所造成的事故包括相间短路和接地短路，造成的损失包括导线电弧烧伤、金具损坏、导线断股、断线、倒塔等。舞动对输电线路的安全运行危害很大，会造成重大的经济损失和社会影响。

1 输电导线舞动情况分析

1.1 导线舞动情况调查

从我国输电线路舞动的统计资料看，舞动分布呈现明显的区域性，即形成一条南起湖南，北至吉林的一条漫长的“舞动带”。这是由于每年的冬季及初春季节，我国西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流在我国东北部、中部（偏沿海地区）相汇，这些地区极易形成冻雨或雨凇地带，导线易覆冰。这条带状区域内的输电线路，在冬季特殊的气象因素满足了起舞的一定条件后容易诱发舞动。

我国发现首例导线舞动现象是在1957年，其后多次发生导线舞动现象。根据现有资料，自1957年至2005年初，我国共发生了48次导线舞动，涉及线路168条，损伤导线70根，引起线路跳闸124次以上。其中辽宁省、湖北省、河南省是我国的强舞地区（平均每5年发生1次及以上的舞动）。

以河南省为例：1998年12月1日河南省电网发生大范围线路舞动,有22条次220kV线路跳闸,对电网的安全运行造成极大的危害,导致电网局部解列,京广电铁短时停电。110 kV窝密线出现倒塔现象。舞动涉及的范围有豫北、豫东、豫中、豫南14个供电区。

2000年1月11日平顶山地区再次发生5条220 kV线路及3条110 kV线路导线舞动,1条线路跳闸。

2003年2月9日,随着一场大风雪及雨雪,河南省电网18条220 kV线路跳闸39条次;14条110 kV线路跳闸19条次。局部电网解列,严重威胁河南电网的安全稳定运行,威胁到电气化铁路,重点企业的正常供电和工农业生产。

除我国外,加拿大、美国、日本、前苏联等国都先后发生了大量的舞动事故,尤其是在美国、加拿大的开阔平原上,许多输电线路跨越平原开阔地带,加上寒冷、覆冰与持续季风作用,舞动发生较多。

1.2 导线舞动的机理及特点

当流体从结构物外面流过时，会作用于结构物一个激励。激励的大小和性质与结构物的断面形状、流体的性质、流体方向与流速等因素有关。这个激励将激发结构物产生不同性质的振动。同时，结构物的振动又反过来影响流体的运动及其激励力，从而形成流体与结构物之间的耦合振动。这种复杂的流固耦合振动，是输电导线各种振动的共同理论基础。

通常遇到的由外流（流体从结构物的外表面流过）诱发的结构振动包括卡门涡振动、弛振和颤振3类，它们有着不同的形成条件与振动形态。由于空气相对流速的范围有限，在输电导线中，主要存在卡门涡振动与驰振这两种振动。前者发生于低风速、无冰雪的（导线为圆形截面的情况）条件下，称为微风振动，后者发生于较高风速、覆冰雪（导线为非圆形截面）的条件下，称为驰振，俗称为舞动。驰振是非圆截面构件在风激励下产生的一种自激振动，而导线舞动则是对输电导线的特指，是驰振的一个特例。

舞动是覆冰导线在相对稳定的风的激励下产生的流体（风）与固体（导线系统）的耦合振动，是非线性的自激振动。其特点为：（1）依靠导线、风相互耦合而维持的稳态周期运动。风的激励做为能量的外界补充，在一段时间内，风速、风向等是基本稳定的，因此能量是相对恒定的，导线系统以自己的运动状态做为调节器，以控制能量的输入，该自振系统(如图1)所示。当输入的能量与耗散的能量达到平衡时，系统维持等幅振动。（2）舞动的频率和振幅均由系统的物理参数确定，与初始条件无关。即舞动频率和振幅取决于导线系统的固有参数及覆冰情况。（3）由于舞动是非线性自激振动，其稳定性取决于能量的输入与耗散的相互关系。在起始阶段，输入的能量大于耗散的能量，系统失稳并产生振动，多余的能量将会使系统的振幅不断增大，但由于系统的非线性，振幅并不会无限增大，最终会趋于一个极限值（如图2）所示，而舞动时导线张力的变化与舞动振幅直接相关，振幅趋于稳定，导线张力的变化也会趋于与之相对应的极限值。

图1 舞动系统框图

图2 舞动时能量——振幅关系

1.3 导线舞动的激发模式

目前相对成熟的有3种模式：（1）横向（垂直方向）激发模式。这种理论认为导线元的升力对于攻角具有较大的负斜率，此时其所受的升力与振动方向相同，导线元在运动中吸收能量变为不稳定状态，在一定条件下，任何微小的风扰动都有可能引起大振幅的振动。（2）扭转激发模式。这种理论认为，当空气动力中的扭转阻尼为负并且大于导线的固有扭转阻尼时，若此时的扭转频率接近于垂直方向的谐振舞动频率，则此扭转不稳定，可能诱发垂直方向的舞动。（3）偏心惯性耦合激发模式。在雨量与风速都很大时，导线覆冰常覆在背风面，即偏心质量位于背风面，即使此时横向振动和扭转振动可能分别都是稳定的，但由于偏心惯性作用会引起攻角变化，从而使相应的升力对横向振动形成正反馈，加剧横向振动，并逐渐积聚能量，最后形成大幅度的舞动。

我国学者蔡廷湘提出一种“低阻尼系统共振的激发机理”。这种机理认为，架空输电线路导线有两种固有振动频率（机械固有频率Wj和电气固有振动频率2 W）导线在运行中，受到风力、重力及电动力作用，会产生一定的振幅振动；空气作为导线的振动媒质，在导线的振动过程中，会阻碍导线的振动，在特殊的天气里，空气的动力粘性系降低，使空气的阻力小于导线的振动力，而使导线的振动加剧。当导线的振动频率与输电线路的机械固有振动频率Wj或输电线路的电气固有振动频率2 W相接近时，则会被激发成强烈的共振——线路舞动。

2 导线舞动的形成

舞动的形成取决于3方面因素:覆冰、风激励和导线的结构参数。

2.1 覆冰

线路覆冰是舞动的必要条件之一。覆冰多发生在风作用下的雨淞、霜淞及湿雪堆积于导线的气候条件下。导线覆冰与降水形式及降水量有直接关系,而又与温度的变化密切相关,常发生在先雨后雪,气温骤降(由零上降至零下)情况下,且导线覆冰不均匀,形成所谓的新月形、扇形、D形等不规则形状,冰厚从几mm到几十mm(最厚可达50 mm)。此时，导线便有了比较好的空气动力性能，在风的激励下诱发舞动。

2.2 风的激励

要形成舞动，除覆冰因素外，舞动还必须有稳定的层流风激励。冬季及初春季节里,冷暖气流的交汇易引起较强的风力。在广大的雨淞区内,有平稳层流大风,风速范围一般是4～20 m/s，当线路走向与风向夹角大于45°的开阔地带(平原地区、江河湖泊等)及峡谷、迎风山坡、山脊等地形都是容易发生舞动的地带。统计还表明线路走向与风向的夹角越接近垂向,则舞动的可能性越大,这是因为风垂直吹向非对称椭圆形导线时产生的升力和扭矩最大。

图3 导线风向示意图

2.3 线路结构参数的影响

线路结构参数(张力、弧垂、档距长度、导线特性、分裂导线的几何参数等)不适当的组合会对防舞动起不利影响。国内外大量的输电线路运行实践说明,分裂导线比单导线更易发生舞动。国内单导线的大跨越发生舞动的较罕见,而国内分裂导线的大跨越发生舞动则已有7处11次；这是因为单导线覆冰时，由于扭转刚度小，在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转，使覆冰接近圆形；而分裂导线覆冰时，由于间隔棒的作用，每根子导线的相对扭转刚度比单导线大很多，在偏心覆冰作用下，导线的扭转极其微小，不能阻止导线覆冰的不对称性，导线覆冰易形成翼型断面。因此，对于分裂导线，由风激励产生的升力和扭拒远大于单导线。对于500kV及以上超、特高压输电线路，多采用4分裂及多分裂导线较易发生舞动，统计资料表明，导线舞动在我国的大部分500 kV输电线路中均发生过，由舞动引起的事故占500 kV输电线路事故总数的23.5%。

大截面导线比小截面导线易于舞动。大截面导线的扭转刚度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭转角要小，导线覆冰更易形成翼型断面，在风激励作用下，产生的升力和扭矩要大些。

导线舞动与线路运行电压等级无明显关系，不论电压高低，只要外部气象条件和导线的力学参数相适应就会发生舞动。

3 输电导线舞动的防治

防舞措施虽然种类庞杂，但归根到底都是针对诱发舞动的因素来进行的。鉴于输电导线舞动主要是由于3个方面的因素所形成的，即覆冰及其截面形状；风速及风的方向；导线系统的自身参数。与此相应，防舞的措施也将根据这几个方面有针对性的进行。现行的防舞措施，概括起来可分为三大类：（1）从气象条件考虑，避开易形成舞动的覆冰区域与线路走向；（2）从机械与电气的角度出发，提高线路系统抵抗舞动的能力；（3）从改变与调整导线系统的参数出发，采用各种防舞装置与措施，抑制舞动的发生。

3.1 避开易形成舞动的覆冰区域与线路走向

在已多次发生的微气候区，新线路在初步设计阶段就要考虑舞动问题，采取必要的防舞措施，以避免舞动造成的危害。导线舞动需要满足特定的气候条件和地理环境条件，这些条件超过了常规设计考虑的气候、地理条件参数范围，设计时应结合实际情况，合理地选择线路路径和走向，在杆塔结构、杆塔档距、绝缘子、金具和防松螺栓等方面采取防治措施，尽量避开电线易覆冰、冬季多风且风向与线路交角接近正交的开阔江河、峡谷、迎风山坡和山脊等易舞动地段。

3.2 提高导线系统抵抗舞动的能力

抗舞动措施是在无抑舞动措施下通过提高线路的电气和机械强度来抵抗电线舞动造成危害,使线路设备能在舞动下不被损坏并保持安全运行。提高线路设备的机械强度,主要是指杆塔结构应能承受舞动时的动态荷载；导线及金具应在舞动下不被损坏和松动等。提高线路的电气强度是指在电线舞动的轨迹下,其电气间隙能防止相导线间及导、地线间发生击穿短路,以保证舞动时线路仍能安全运行。

导线舞动时产生的动态张力变化范围是很大的。据国外文献介绍,最小张力约为静态张力的60%,最大张力可达静态张力的2倍。舞动时悬垂绝缘子串的顺线路偏移会助长舞动幅值的增大。悬垂线夹两侧的张力差往往超过悬垂线夹握着力而造成导线滑动。分裂导线随着分裂根数的增多会加剧导线的舞动发生。

对可能存在的舞动地区,在新建线路设计中,可采用加大杆塔结构设计,减少分裂导线及同塔双回垂直排列杆塔的使用,在相间增加抗舞装置等措施,提高线路的抗舞能力,不仅可提高线路运行的安全可靠性,其经济和社会效益也是显著的。

3.3 抑制导线舞动的措施

抑制舞动措施是指在己运行的线路上舞动严重的线段采取措施破坏舞动形成的条件,改变系统结构特性的抑舞装置,其原理是采用结构力学的方法,改变舞动系统的固有扭转或横振频率、质量分布和元件连接方式等动力学特性,达到抑制舞动幅度,消除舞动可能造成的危害,以达到线路安全运行。 可采取如下措施：

（1）通过改变导线特性来起到抑制舞动作用，多数防舞器属于此类，主要包括：失谐摆，双摆防舞器，抑制扭转防舞器，整体式偏心重锤等。

（2）通过提高导线系统的自阻尼来抑制舞动，如终端阻尼器。

（3）通过提高风阻力来达到抑制舞动的目的，如空气动力阻尼器。

（4）通过扰乱沿档气流来达到抑制舞动的目的，如扰流防驱器。

（5）通过各种防覆冰措施来达到抑制舞动的目的，如使用防雪导线及大电流融冰等。

（6）提高导线的运行张力和缩短档距也能收到一定的抑制舞动的效果。

表1 现有防舞装置分类和综合评价

（7）提高线路设计的安全系数，从而达到提高线路抗舞动的能力。

（8）提高导线连接金具的结构强度，改变其联接方式对抑制舞动也能收到一定的效果。

表1所列防舞装置中，除气流干扰线适宜于220 kV及以下电压等级的线路外，其它的均可在各电压等级的线路上安装使用。但在进行防舞设计时，必须根据该地区已有线路发生舞动类型选择防舞装置，这样才能收到良好的效果。

4 存在的问题

输电线路导线舞动是一个包含随即因素与非线性特性，并涉及空气动力、悬索振动、气固耦合、气象研究等学科的复杂现象，在导线舞动研究方面存在以下问题有待研究解决：

（1）线路究竟会出现哪一种舞动模式，决定于该线路的参数与冰、风条件。由于这些条件中含有许多随机因素，如冰、风、雨量、气温等，所以，同一条线路，今年可能出现这种舞动模式，而明年可能出现另一种舞动模式，很难对其做出准确的判断。

（2）由于地形、地貌、地表植被、建筑物的摩擦作用，近地面的空气流动成湍流状。导线舞动研究中，常将线路所遇的湍流风简化为均匀风 （层流状），这样会使所研究问题失真。

（3）目前人们就档距对导线舞动的影响持有不同观点，有认为可通过缩短档局来防止舞动，也有认为短档局更易舞动，该问题有待研究。

（4）在采用防舞装置时必须考虑目前的各种防舞装置都不是万能的和一劳永逸的。例如，失谐摆可以提高冰、风保护范围，使得在这个范围内不会产生扭振自激舞动；而以增加导线单位质量的办法来提高导线产生的垂直激发舞动的临界风速Vd，并不能防止在风速V﹤Vd时，因扭振激发条件达到而产生舞动，或者由于惯性耦合而激发舞动。所以，在处理实际问题时，不仅应当仔细观察、分析，来判断现场出现的舞动性质，而且应当考虑和防范几种舞动模式出现的可能性。

（5）目前导线舞动的理论及舞动试验研究工作开展不够，许多风洞无法开展的舞动研究需要试验线路，但建设试验线路经费较大，目前难以实现。

随着科技的进步及试验手段的增强，人们对舞动的认识也会越来越深入、清晰，在掌握了舞动的成因及规律后采取合适的措施，能增强电力线路运行的稳定性和可靠性，加快我国建设坚强智能电网的步伐，为社会的发展做出更大的贡献。

［1］郭应龙,李国兴,尤传永.输电线路舞动［M］.北京:中国电力出版社,2003.

［2］朱宽军，刘超群，任西春.架空输电线路舞动时导线动态张力分析［J］.中国电力，2005，（10）：40.

［3］王少华，蒋兴良，孙才新.输电线路导线舞动的国内外研究现状［J］.高电压技术，2005，（10）：12-13.

［4］马建国.湖北省电网舞动区域划分及防舞对策的研究［J］.湖北电力，2002.