500 kV 超高压交流输电线路覆冰舞动探究

张培毅，徐 凯

（国网山东省电力公司超高压公司，山东 烟台 264000）

0 引 言

21 世纪后，我国经济社会高速发展，通信技术、电力技术持续迭代，各行业发展对电能需求持续提升，对用电可靠性要求愈加严格。输电线路可靠性、安全性直接关联到各行业生产、居民生活[1]。覆冰舞动为我国电力行业特别是北方地区常见情况，以山东省电网为例，近年来在冬季经常性遭遇低温雨雪冰冻影响，部分输电线路、变电站、配电线路等电力设施出现覆冰舞动、严重覆雪情况，对供电区域内居民客户和重要客户用电造成严重影响[2]。覆冰为导致输电塔导线故障的重要原因之一，对导线覆冰舞动原因、危害、应对举措进行分析，是落实国网公司抵御雨雪冰冻灾害工作要求的重要举措，也能够为电力系统迎峰度冬应急保电能力提升提供启发和借鉴。

1 覆冰舞动及其危害

1.1 覆冰舞动

覆冰舞动是架空输电线路导线发生偏心覆冰后，在风的激励下产生的一种低频率、大振幅自激振动现象。通俗而言，在寒潮时期，寒风流动至由于覆冰呈现出非圆截面导线周围，形成了局部空气动力，在此基础上，使得导线出现低频、高振幅特性的自激振荡，因为此类振荡呈现出上下波动，状态像龙舞，被叫做舞动。

1.2 覆冰舞动危害

导线舞动不仅能够给线路结构本身带来破坏，影响杆塔和相关设备设施状态，而且因为舞动事故会引发大面积断电，给辖区工业生产、居民生活带来极大不便，造成重大经济损失，而经济层面和社会层面的损失较舞动给超高压线路自身带来的影响更为显著。近年来，随着导线电压层次不断提升，输电水平与安全性能有了质的飞跃。在此过程中，超高压线路技术也越来越复杂，500 kV 超高压线路大多选用4 分裂导线，而此类线路较传统单导线出现舞动的概率更大，同时在振幅上也更为明显，由此可能会形成更为显著的损伤和经济方面的损失。一般而言，此类线路舞动带来的负面影响主要有如下2 种。

1.2.1 机械损伤

该类损伤最常见的情况聚焦于螺栓松动、损伤。输电线路舞动使耐张塔的主材接点和横担紧固螺栓松扣、磨损甚至剪断，严重影响铁塔受力。2010 年，山东辖区曾2 次出现大范围冬季覆冰舞动情况，其中一次使得500 kV超高压l5基耐张塔螺栓脱落共411个，引流间隔棒损坏共7 个。

因为舞动力学原理，导致原本出现故障的绝缘子钢脚破裂，形成线路终端、停电，而导线断股、断线也是常见现象。因为舞动形成超高压线路交变应力使得线路出现破坏，或金属设备出现磨损，最终出现断线。

塔材、基础受损现象。这是由于舞动提升杆塔交变应力，导致受力结构、平衡性出现破坏，最终导致线路故障、大范围停电。2010 年11 月，北方某地区因为剧烈舞动，同时塔杆焊接方面自身存在先天不足，导致出现了多个号段发生失稳倒塔现象。

1.2.2 电气故障

可能出现相间跳闸、闪络情况。因为舞动将压缩导线的距离导致相间短路。例如，黑龙江省曾发生过500 kV 超高压导线的放电烧伤情况，经研判，在于杆塔出现了闪络的现象。

可能出现导线烧蚀、断线的情况。这是因为超高压线路因为覆冰舞动，最终使得线路烧蚀，如果情况严重，将导致导线断裂。

而相地跳闸同样是舞动导致的常见情况。其原因在于舞动使得线路同地线之间的距离降低，造成了相地短路。2003 年，某地区500 kV 某线输电线路发生2 次强烈舞动，最大振幅超过7 m，引起导线对地线放电，线路跳闸，同时造成金具严重磨损、断裂、脱落，导线断股、脱落，送电被迫中断。

2 线路舞动故障影响因素

导致发生超高压导线舞动的原因多样化，同时不同的原因呈现出叠加作用，但总体而言，可以被认为是气象条件、地理条件、线路条件等维度。而在上述影响因素里，气象条件重点为500 kV 超高压线路线覆冰状态以及风场条件等；地理条件为500 kV 超高压线路安装所处的地貌、纬度等；而线路条件则为500 kV 超高压线路自身的属性特征，如其方向、架构、材质等。

2.1 气象条件

从气象条件方面分析，冰风参数为重要影响因素。覆冰和风场情况为出现舞动的重要方面，其主要基于特定的气象状态形成，同时相互作用。由于大气中含有大量极小的过冷水滴，且缺乏足够的冷凝核聚变，这些水滴在下落途中碰到输电线时，很容易黏附在输电线上而形成结冰[3]。在低风速条件下，导线的逆风面上会出现结冰现象。在高风速条件下，导线的背风面上会出现覆冰现象。被冰层覆盖后，导线的外形将反过来影响其气动性能。覆冰和空气动力条件等是随机的。冰风因子是冰线舞动的重要激励因子，其生成和形态既与天气状况有密切关系，又与其他因子相互作用。如当遇到相同的冰雹情况时，风向会对导线表面的冰层形态产生不同的影响，从而对导线的气动特性产生不同的影响。各种因素具有随机性，因此在对其进行分析和计算时，一般都是以统计数据为依据。

2.2 地理条件

地理条件方面，主要为地形与地势带来的作用。而地形、地貌对550 kV 超高压导线舞动带来的作用，主要在于其能够围绕风力、风向等带来流态作用。在相同的天气状况下，平地、开阔地的风力大于山地和丘陵区的风力，有利于稳定风的产生，这对构成舞动会有很大的帮助。另外，大气层离地表愈近，其流动形态愈不稳定，且受到地形及地表建筑的影响愈大。非定常气流对电线的气动载荷作用较强，但与定常流动相比，会使电线的气动载荷互相抵消。所以，在开放的平地上，塔线高度较高时，其所受到的风压力也较大，更容易引起输电线路的舞动。

2.3 线路条件

2.3.1 线路走向

从线路条件而言，最关键的在于线路走向。通常而言，当风向同线路轴线呈现90°夹角时，其会遭遇较大的空气动力，由此会更容易导致舞动。通常而言，500 kV 超高压导线的舞动现象在覆冰后发生，也就是大部分出现在冬季。在这个季节，风向一般为北风，如果超高压导线呈现出东西向，那么就导致北风同导线形成直角，会有更大概率出现舞动。

2.3.2 线路塔形

从山东电力辖区近年来故障情况分析，紧凑型线路出现覆冰舞动的情况更为常见。其原因是此类塔本身窗口间隙并不大，线路常见的相间距离大多在6.5～7 m，较以往其他类型的线路相间距离明显降低。所以，如果发展驰振则极有可能造成相间短路。此外，档距结构也会对舞动带来影响。

2.3.3 导线直径

从近年来冬季覆冰舞动情况，总结认为当出现寒潮恶劣气象时，导线直径能够给舞动带来较大作用。从实践情况能够发现，直径更粗的线路则更可能出现舞动。其原因是直径更大的线路其扭转刚度同样更强，当出现了偏心覆冰，往往无法进行自身扭转，最终使得覆冰不会均匀分布，在线路迎风和背风一侧出现明显的差异，由此使得舞动更为明显。此外，导线张力也会对舞动带来作用[4]。

2.3.4 故障相

统揽近年来因覆冰舞动导致的线路故障，全部为相间短路故障，而出现故障的相别全部集中于L1L2或L2L3，即左上相或右上相与下相之间放电。由于紧凑线路的导线排列为倒三角形，导线舞动幅度在垂直方向上的分量较大，这对上下导线间距的影响较大。从而导致山东省辖区超高压线路的舞动断层均为上下相间短路断层。

2.3.5 线路结构与材质

线路结构和材质等同样是引发舞动的重要因素，如导线类型的影响。从当前全球研究成果和实践情况看，分裂导线较传统的线路会有更大概率出现舞动。其原因在于分裂导线每隔一定距离就有一个间隔棒将各子导线连在一起，其扭转刚度大大高于相同截面的单导线，在偏心覆冰后很难绕其自身轴线扭转，偏心覆冰状况得不到缓解。

3 电网线路防舞措施和效果

3.1 设置重压防舞器

该措施主要是在500 kV 超高压线路中设置能够防范发生舞动的重锤，通常采用的为多组防震锤并联的方式。理论上该方式能够通过提升惯性而增加线路出现舞动的风场条件阈值，同时能够降低舞动振幅，其应用范围较广[5]。但在个别地区，如山东省的烟台市、威海市冬季风雪大、风速高，使得该方式效果不佳，甚至会使得偏心覆冰情况更加显著。

3.2 增加相间短路间隔棒

近年来，山东电力在以往曾短暂经历过舞动和故障的多个500 kV 超高压输电线路基础上，增加并安装了2个相间短路间隔棒。从效能方面分析，该装置能够切实降低舞动短路放电幅度。现阶段，依托该技术在大多数情况下可以形成不错的防跳效果。但是，结合山东气象条件，该举措仍然不能够全面迎合防跳需求。其原因在于：在某些特殊部分，现有的垫片数量不能满足防跳要求。从有舞动断层的路段开始，跨度为300 ～500 m，需要3 个间隔棒；跨度为500 ～700 m，需要5 个垫片。当发生大的次档距驰振时，线路的相间间隔棒可能会发生机械和电气故障，而这种现象在北方特别是山东较为常见。

3.3 加装防舞动装置

安装防舞动装置能够减少线路出现故障以及其他问题。因此，对于舞动装置要进行检修，在动态的检修过程之中，检修人员可以对舞动装置的情况进行细致周密的检查。同时，可考虑增设直线塔或耐张塔，对于跨度大于600 m 的紧凑型线路，应增设直线塔或耐张塔，以减小跨度和驰振幅度，从而抑制驰振带来的危害。

3.4 优化线路条件

（1）对易发生舞动的地段进行常规线路改造，增加线路间距，防止舞动故障。

（2）做好输电线路运行维护工作，为确保架空高压输电线路长期正常、稳定、可靠运行，日常设备运行维护管理至关重要。

（3）要避开覆冰区域，调整线路。需要注意线路所处的外部环境，并及时排除线路周围的问题，就可以保持线路的正常运行，并为今后舞动线路以及风激励提供有利的条件，这是紧凑型线路防范的具体举措。该举措能够从根本上防范并解决覆冰舞动，但在成本投入、后期运维投入上会花费巨大人力和财力。

4 结 论

随着能源战略的调整，超高压线路成为能源调配的重要通道，在“十三五”建设时期以及“十四五”期间山东省辖区规划多条超高压线路，部分线路为东西走向，且经过舞动高发区。超高压线路舞动能量大、破坏力强,金具易疲劳损伤，潜在风险大，从而影响国家能源战略规划。为此，有必要开展舞动防治，确保各级电网安全稳定运行。本文从紧凑型线路的相间距离出发，以山东省电力为例，探讨案例500 kV 紧凑型超高压输电线路故障的影响因素，并对现有的防舞工作举措和效能进行对比分析。