输电线路次档距振荡及其防治方法_郑建欣.pdf

精密制造与自动化 2022年第4期 45 输电线路次档距振荡及其防治方法 郑建欣 杨青原 吕俊霞（河南工业职业技术学院 河南南阳 473000）摘 要 随着电网规模越来越大,电压等级越来越高,如何有效、安全、可靠地提高输送能力是我国电网面临的一个主要问题。目前输送电容量不断增大,为了减少电晕损失及电晕干扰，也为了输电线路的经济性和可靠性,输电线路广泛采用多分裂导线。次档距振荡是分裂导线所特有的一种导线振动形式。因次档距振荡而导致的分裂导线破坏问题已成为一个影响电网安全运行的关键问题，分析了输电线路次档距振荡及其防治方法。关键词 输电线路 分裂导线 振荡 间隔棒 阻尼 子导线 1 1 引言引言 次档距是分裂导线间隔棒之间的距离。次档距振动是分裂导线各间隔棒之间的振动，介乎风振动和舞动之间。发生次档距振动的风速范围广。次档距振动能使分裂导线互相撞击，因而损伤导线和间隔棒。分裂导线次档距振荡是指在稳定横向风荷载作用下，背风侧子导线位于迎风侧子导线周围形成漩涡气流的空气动力尾流中时，导致背风侧导线产生以水平运动为主加扭转形成的水平方向为长轴的椭圆轨迹振荡，进而激发迎风侧子导线产生相反方向的椭圆振荡。随着输电容量的不断增大，为了减少电晕损失和电晕干扰，同时为了输电线路的经济性和可靠性，所以在超高压线路上广泛使用分裂导线。次档距振荡只发生在分裂导线输电线路中，是其特有的一种振荡现象。2 2 次档距振荡现象次档距振荡现象 次档距振荡现象是在分裂导线的情况下，其中一根或多根子导线不可避免的处在前方形成的尾流中。由于尾流效应（坐落在下风向的风电机组的风速低于坐落在上风向的风电机组的风速，风电机组相距越近，前面风电机组对后面风电机组风速的影响越大，这种现场称为尾流效应），使得下风的子导线更容易吸收风的输入能量，从而发生的低频大幅度振动。次档距振荡是气动尾流效应引起的一种导线振动形式，根据风向及布置形式，多分裂导线分为迎风侧子导线和背风侧子导线，在风场中由迎风侧子导线形成的尾流直接影响背风侧子导线的气流特性，引起子导线气动力载荷发生变化，当气动载荷变化同导线结构特性发生有效耦合作用时，则会激发分裂导线特有的次档距振荡现象，如图 1 所示。振荡以水平方向为主，伴以垂直方向的位移而构成椭圆状的运动，各分裂导线的运动并不同步，振荡常以单波幅形式出现，其频率一般为 15 Hz，振幅在导线直径到 500 mm 之间，风速在 515 m/s 范围内。当风向与路线方向夹角大于 45 时，次档距振荡随时都有可能发生，平坦开阔的地带更容易发生次档距振荡。而且在同一水平面子导线的振荡方向相反。这种振荡一般发生在低温季节，风速为 720 m/s。图图 1 分裂导线的次档距振荡分裂导线的次档距振荡 DOI:10.16371/ki.issn1009-962x.2022.04.009 精密制造与自动化 2022年第4期 46 次档距振荡会造成各子导线的互撞和鞭击，使导线的线股磨损，而且导致间隔棒夹头处产生更大的动弯应力，从而使阻尼性能差的间隔棒松动损坏，甚至造成导线断股、短路等恶性事故，威胁架空导线及金具的运行寿命，以至需要更换造价昂贵的导线和金具。架空超高压输电线路对稳定性的要求很高，它的安全运行至关重要，而又由于它所经过的地区的地表条件和气候往往很复杂。所以，关于输电线路多分裂导线次档距振荡的研究具有重要的意义。3 3 次档距振荡的成因及危害次档距振荡的成因及危害 在使用分裂导线的输电线路中，每相导线是由两个或者两个以上的子导线所构成。在稳定横向风的作用下，空气绕过迎风侧子导线时，其表面附近形成很薄的边界层漩涡区，并且流动将从导线后部表面分离，且有漩涡断续的从导线表面脱落。这些薄边界层或分理流涡旋区将顺流而下，在导线后形成紊乱、充满漩涡的尾流，并能保存一定的距离和速度，对处于尾流中的其他导线产生撞击影响。根据空气动力性能原理，处于尾流中的子导线受到阻力和升力的作用，并随迎风角（风向与两根子导线构成的平面之间的夹角）及两根子导线靠近程度的不同而变化，使处于尾流中的子导线不稳定，可能按子导线的某个或接近自然频率而开始振荡。同时，又引起迎风侧导线产生相对振荡，这就是诱发次档距振荡产生的主要原因，与覆冰与否无关，如图 2所示。图图 2 架空线背风面涡流示意图架空线背风面涡流示意图 3.13.1 电晕诱发振荡电晕诱发振荡 只是一种由在导线底部形成水滴引起的电晕所造成运动水滴，引起的每一次电晕爆发产生一个向上脉冲，激发起振荡的同时，水滴也发生变形，因而使运动持续不断。电晕诱发振荡显然是相当小的，而正常采用防止导线舞动的措施看来足够控制这一类的振荡，在发生振荡时，风往往是平静的，出现水滴是发生电晕诱发振荡的必要条件。3.23.2 短路振荡短路振荡 短路振荡仅发生在分裂导线的线路上，短路时短路电流产生的电磁吸力，使同分裂的子导线间相互吸引，使每个次档距都会产生一个半波长碰击振荡。其后果是造成间隔棒和导线的碰击损伤，防护措施是增加间隔棒的强度。次档距振荡而导致分裂导线破坏问题已成为一个十分紧迫的问题。3.33.3 振荡产生的诱因振荡产生的诱因 在超高压输电线路分裂导线中，使用了两根或更多的平行的电力线构成一组或一束导线，而不是带单相电流的单根导线。这样，使用这些平行的导线时，间隔棒是必不可少的附件（金具），它们把分裂导线固定成束状结构，这些间隔棒在两塔间档距按一定的距离与这些平行线垂直相连。次档距振荡改变了线路的电气参数，增大了电晕损失，提高了对无线电的干扰水平。但对于现有的各电压等级的线路，这些影响较小，尚不构成运行上的突出问题。另外。次档距振荡会造成各子导线的互撞和鞭击，使导线断股磨损，间隔棒夹头处产生很大的动弯应力，导致间隔棒松动以至损坏，甚至导线断股、断线等线路事故，威胁架空输电线路安全运行及金具的使用寿命。3.43.4 次档距振荡的影响因素次档距振荡的影响因素 影响分裂导线次档距振荡的因素除了气象条件和地形地貌等基本因素外，还有若干可变因素，主要有：分裂导线的数量和布置；分裂导线间距和导线直径；导线质量；子导线排列对风向的倾角；间隔棒装置的类型和位置等。4 4 次档距振荡防治措施次档距振荡防治措施 在输电线路中，抑制和减小次档距振荡的防护措施通常有如下几种：增大分裂导线间距；合理布置子导线的位置；减少尾流区中导线的数量；减小次档距的长度；间隔棒的优化布置和适宜选型等。郑建欣 等 输电线路次档距振荡及其防治方法 47 但是它们并不是互不相容的，而常常是混合使用。4.1 4.1 增大分裂导线的间距增大分裂导线的间距 分裂导线的间距通常取决于电气方面因素。如导线表面容许电压降。但基于改善分裂导线振动特性的要求，最终选择的 S/D 值要大于电气方面所要求的最小值。当 S/D 值大于 1518 时，可以有效地减弱或消除次档距振荡危害，但这需要从线路建设初期便进行设计，对于已建成的老旧线路适应性不大。如果分裂间距为导线直径的 20 倍以上，背风侧子导线基本会避开迎风侧受风后的漩涡激发振荡范围，但是这样大的分裂间距会影响线路的电磁环境，增加塔头尺寸，且需要对连接金具进行重新设计。4.2 4.2 减少尾流区导线的数量减少尾流区导线的数量 减少迎风面导线的尾流区中导线的数量，实际上就是分裂导线相对位置如何布置问题。4.34.3 合理布置子导线的位置合理布置子导线的位置 迎风面子导线与背风子导线形成的平面相对风向有一定倾斜角，背风子导线受到尾流激励力会减小，甚至会使振荡朝着减弱的趋势发展。对双分裂导线可采用垂直布置，或成 45 对角线布置，这样可省去了安装阻尼间隔棒，而且不仅仅有效地抑制了次档距振荡和舞动，也避免了阻尼间隔棒及附近导线损坏的弊端，这在我国广泛采用。对多分裂导线，国外有三分裂导线的三角形扭转 30，四分裂导线扭转 45 布置成菱形以减少尾流效应，目前国内尚无此经验。4.4 4.4 减小次档距的长度减小次档距的长度 次档距长度与振荡辅助成正比，通过减小次档距长度，可以增加激发次档距振荡风速临界值，降低振动幅度，达到抑制次档距振荡发生及减弱次档距振荡对线路结构损伤程度。但是，过度缩小次档距长度不仅会增加线路的投资，而且会加大导线的运行应力水平，因而需要合理确定最大次档距。4.5 4.5 采用适宜的阻尼间隔棒并优化布置采用适宜的阻尼间隔棒并优化布置 为了减弱次档距振荡强度，需要选用机械特性优良的阻尼间隔棒，其一是通过间隔棒线夹设计使得振动波在相邻次档距间实现交互传递，从而降低振动水平；其二是在间隔棒线夹结构中设计有效的阻尼组件，使得沿着导线档距形成分布式阻尼效应，实现抑制次档距振荡发生。对间隔棒进行优化布置，可以更好地吸收振动能量，抑制次档距振荡，间隔棒的优化布置是次档距振荡防护中一个重要研究课题。4.5.1 阻尼间隔棒的结构和作用机理 阻尼间隔棒在我国广泛应用于输电线路，其作用原理是在间隔棒活动关节处，利用橡胶元件作阻尼材料来消耗导线的振动能量，以便能在保持分裂导线几何尺寸的同时，使其有充分的活动性。利用橡胶的粘性在交变应力之下，吸收足够的能量以达到对导线振动次数阻尼作用。该类间隔棒导线有足够的扭转握力，即使当分裂导线出现扭转现象时，也不会出现夹的握力有松动情况，适用于各地区。但是考虑我国输电线路的经济条件，这类间隔棒主要用于导线容易产生振动地区的线路（如平原、丘陵及开阔地带）。而刚性间隔棒的消振性能较差，适用于导线不易产生振动地区的线路（如山地、林区的隐蔽地带）或用作线路间隔棒。4.5.2 阻尼间隔棒装置的类型和位置的影响 对于次档距振荡，为了更好的吸收振荡产生的能量，现在广泛选用具有较好阻尼性能间隔棒，即为阻尼间隔棒，阻尼间隔棒安装位置对于次档距振荡的影响非常大。为了防止相邻次档距振荡一致周期（如果有一处发生振荡，就会激起全部次档距振荡）的现象发生，间隔棒安装距离应当采用不等距离方法。5 5 分裂导线阻尼间隔棒布置方法分裂导线阻尼间隔棒布置方法 阻尼间隔棒就是能降低分裂导线微风振动或次档距振荡的柔性或半刚性间隔棒。间隔棒的主要作用是支撑子导线、防止子导线相互碰撞和鞭击，抑制微风振动，抑制次档距振荡。所以，对于间隔棒的安装距离及数量，除了考虑经济因素外，还必须从防止导线碰撞和翻转、能达到最佳防振效果等方面进行必要的研究和计算，主要考虑以下两种破坏形式。防止导线互相鞭击。若最大次档距的值超过一定的范围，当两个导线反向运动到最大位移处时，两导线就会相互鞭击，影响导线寿命。防止导线疲劳损伤。次档距振荡使间隔棒夹头产生更大动弯力，并振坏和振松夹头握力引起导线磨损或断股，而导线动弯应力与导线次档距振荡幅值有关，导线次档距振荡幅值越大，导线与间隔棒 精密制造与自动化 2022年第4期 48 连接处的应力也越大。间隔棒的合理布置能够有效抑制次档距振荡幅值，从而降低导线发生疲劳断股的几率。5.1 5.1 最大次档距最大次档距 在分裂导线中，对间隔棒进行合理布置是控制次档距振荡的重要措施，而进行间隔棒布置的首要问题就是确定间隔棒最大次档距。对于最大次档距，一般设计中都是依据经验进行取值。日本特高压输电特别委员会推荐1000 kV线路的最大次档距为55 m，500 kV 线路的最大档距略长些。加拿大的恩居（Andre）公司规定两级最大平均次档距：开阔地带，取 68 m；非开阔地带，取 76 m。这些数据均有各自的经验依据，但分散性太大，不易把握，且缺少理论依据。当尾流区中的导线输入能量与衰减能量达到相互平衡的状态时，次档距振荡就会成为稳定振荡。为避免子导线振荡时发生碰撞，档距中子导线的振幅一般要求小于二分之一倍的分裂间距。次档距振荡振幅具有如下特性。张力越大，振幅越小；间隔棒间隔越大，振幅越大；风速越大，振幅越大；覆冰越多，振幅将越大；导线外径越大，振幅越大。由以上特性可知，对于覆冰区的导线次档距，应小于无覆冰区导线次档距。5 5.2.2 间隔间隔棒的优化布置棒的优化布置 间隔棒内安装距离归纳了国内外次档距不等距布置的基本方式。次档距长度由两端向中间逐步增加，到档距中央达到最大值；次档距