不容忽視的架空輸電線微風(fēng)振動(dòng)

微風(fēng)振動(dòng)是最常見的架空輸電線路振動(dòng)形式，如果引起防振裝置失效，易導(dǎo)致導(dǎo)線斷股甚至斷線，造成損失。中國電科院全面梳理了微風(fēng)振動(dòng)的研究歷史和現(xiàn)狀，并提出相關(guān)建議，為線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行部門提供參考。

我國幅員遼闊，不同地區(qū)的地理?xiàng)l件和氣象特征差異性大。架空輸電線路點(diǎn)多、面廣、線長，110千伏及以上電壓等級(jí)輸電線路總長度已超過100萬千米。

架空輸電線路在運(yùn)行中不可避免經(jīng)受風(fēng)的作用，導(dǎo)線和地線（以下簡稱輸電線）會(huì)誘發(fā)風(fēng)致振動(dòng)。微風(fēng)振動(dòng)是最常見的振動(dòng)形式，大部分線路的微風(fēng)振動(dòng)防治都通過安裝防振裝置得以控制。但近年來有多條架空輸電線路因微風(fēng)振動(dòng)引起防振裝置失效，導(dǎo)致導(dǎo)線斷股甚至斷線，造成重大損失。我國新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)風(fēng)速持久均勻，輸電線微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)度大，必須引起足夠的重視。中國電科院全面梳理了微風(fēng)振動(dòng)的歷史和現(xiàn)狀，提出相關(guān)建議，為線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行部門提供科學(xué)參考。

輸電線微風(fēng)振動(dòng)是如何形成的，有什么特點(diǎn)？

層流風(fēng)吹過圓柱體后會(huì)在尾流中形成一個(gè)規(guī)則的旋渦流型，漩渦在圓柱體的兩側(cè)交替脫落，對(duì)圓柱體產(chǎn)生一個(gè)垂直于風(fēng)向的交替作用的周期力。美國航天工程學(xué)家馮·卡門最早系統(tǒng)闡述了這種現(xiàn)象，所以這種渦道被稱為“卡門渦街”。

架空輸電線路的輸電線懸掛在桿塔上，承受一定張力，具有多個(gè)自振頻率。輸電線橫截面為圓形，水平方向?qū)恿黠L(fēng)吹過輸電線后，背風(fēng)側(cè)的卡門渦街對(duì)輸電線產(chǎn)生一個(gè)豎向交變力。當(dāng)交變力的頻率與輸電線的自振頻率一致時(shí)，便引起輸電線垂直方向的振動(dòng)。引起這種振動(dòng)的風(fēng)速通常在0.5米/秒至10米/秒范圍內(nèi)，因此，這種豎向的振動(dòng)稱為“微風(fēng)振動(dòng)”。

輸電線微風(fēng)振動(dòng)具有頻率高、振幅小、持續(xù)時(shí)間長的特點(diǎn)，常見頻率范圍為3赫茲至120赫茲，振幅通常不超過輸電線的直徑。輸電線微風(fēng)振動(dòng)具有鎖定效應(yīng)，當(dāng)輸電線以旋渦脫落頻率或相近頻率振動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)尾流產(chǎn)生很強(qiáng)的整流作用，以至旋渦脫落頻率與輸電線的振動(dòng)頻率趨于一致。當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸電線與漩渦的頻率均保持不變，很明顯地反映出同步效應(yīng)。所以，輸電線一旦發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)，在風(fēng)速變化的一定范圍內(nèi)，同步效應(yīng)將使振動(dòng)持續(xù)下去。因此，如果微風(fēng)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間長，可以認(rèn)為輸電線的微風(fēng)振動(dòng)時(shí)刻發(fā)生。

輸電線的微風(fēng)振動(dòng)是一種復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象，從本質(zhì)上講屬于強(qiáng)迫振動(dòng)?？ㄩT渦街是誘發(fā)輸電線振動(dòng)的原因，同步效應(yīng)使得振動(dòng)得以維持，自限作用的存在限制了微風(fēng)振動(dòng)的振幅。

輸電線微風(fēng)振動(dòng)有哪些危害？

微風(fēng)振動(dòng)容易引起輸電線疲勞斷股或金具損壞，嚴(yán)重威脅著輸電線路的安全。20世紀(jì)50年代末期，我國開始注意到架空輸電線的微風(fēng)振動(dòng)問題。1962年，當(dāng)時(shí)的水利電力部電力建設(shè)研究所（現(xiàn)中國電力科學(xué)研究院）組織有關(guān)部門對(duì)我國19133千米架空輸電線的微風(fēng)振動(dòng)情況進(jìn)行了調(diào)查，包括數(shù)百回線路及大跨越線路運(yùn)行情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)普遍存在著斷股現(xiàn)象。例如，某線路輸電線采用鋼芯鋁絞線，平均運(yùn)行張力為輸電線額定拉斷力的25%，因未安裝防振錘，當(dāng)線路運(yùn)行2年后檢查1098個(gè)線夾，發(fā)現(xiàn)斷股322處，占比為29.3%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，技術(shù)人員對(duì)振動(dòng)嚴(yán)重的線路加強(qiáng)了防振措施，同時(shí)開展了試驗(yàn)研究工作，取得了一定成效。

自然界的風(fēng)每時(shí)每刻都存在，因此輸電線的微風(fēng)振動(dòng)也是長期存在的。輸電線長期振動(dòng)所產(chǎn)生的累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致輸電線疲勞斷股、金具磨損、絕緣子受損、桿塔構(gòu)件損壞等，因此在運(yùn)行中應(yīng)高度重視輸電線的微風(fēng)振動(dòng)問題。

因微風(fēng)振動(dòng)引起的輸電線路導(dǎo)地線斷股是線路安全運(yùn)行的嚴(yán)重隱患。輸電線路一旦發(fā)生斷股、斷線，將給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來巨大威脅，停電和換線損失巨大，因此必須對(duì)輸電線路微風(fēng)振動(dòng)的防治給予足夠的重視。

微風(fēng)振動(dòng)引起的輸電線疲勞斷股等故障是長期累積作用的效果。一般情況下，輸電線的微風(fēng)振動(dòng)難以用肉眼直接觀察到。一旦發(fā)生防振裝置損壞或脫落，輸電線的疲勞斷股現(xiàn)象就已經(jīng)比較嚴(yán)重。輸電線由多根單線絞制而成，其中一根或多根單線斷股后，應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)移其他單線上，會(huì)加劇發(fā)生疲勞破壞。因此，輸電線出現(xiàn)疲勞斷股后，應(yīng)立即采取補(bǔ)救措施，改進(jìn)防振裝置，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

輸電線微風(fēng)振動(dòng)的防治措施及建議

在輸電線上安裝防振裝置是抑制微風(fēng)振動(dòng)的基本措施，常見的防振裝置有防振錘、阻尼線等，通過防振裝置耗能來降低輸電線路的振動(dòng)強(qiáng)度。

1925年，美國工程師斯托克布里奇最早提出了防振錘的設(shè)想，并申請(qǐng)了專利。斯托克布里奇防振錘由線夾、鋼絞線和錘頭三部分組成，在后來的發(fā)展中，錘頭和線夾出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)型式，但原理沒有變化。防振錘通過線夾安裝在輸電線上，輸電線微風(fēng)振動(dòng)時(shí)，防振錘隨之振動(dòng)，鋼絞線發(fā)生彎曲變形，通過其鋼絞線的股間磨擦，把振動(dòng)輸電線的動(dòng)能變?yōu)闊崮芟牡?。其耗能的大小與線夾振動(dòng)速度有關(guān)，速度越大，耗能越多。防振錘的應(yīng)用，有效抑制了輸電線微風(fēng)振動(dòng)，基本解決了微風(fēng)振動(dòng)引起的疲勞斷股問題，是輸電線防振的基本手段。

超高壓輸電線路導(dǎo)線均采用分裂型式，并安裝阻尼間隔棒，由于阻尼間隔棒對(duì)子導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)具有牽制作用，因此，多分裂導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)度低于同條件下的單導(dǎo)線。對(duì)于四分裂導(dǎo)線，當(dāng)安裝阻尼間隔棒且導(dǎo)線平均運(yùn)行張力不大于導(dǎo)線額定拉斷力的25%時(shí)，500米及以下檔距可不安裝防振錘。

大跨越線路具有掛點(diǎn)高、檔距大、所處地形開闊的特點(diǎn)，水面上空容易形成層流風(fēng)，引起輸電線激振的風(fēng)速范圍廣。因此，輸電線吸收風(fēng)能較普通線路大得多，其微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通線路，且輸電線幾乎每時(shí)每刻都在振動(dòng)，若防振措施不當(dāng)，則極易發(fā)生由于輸電線動(dòng)彎應(yīng)變過大而導(dǎo)致的疲勞斷股、甚至斷線等事故。

大跨越輸電線的防振方案通常采用阻尼線型式。阻尼線通常為鋼芯鋁絞線，通過線夾與輸電線固定；輸電線振動(dòng)時(shí)，阻尼線隨之振動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)耗能減振的作用。

1930年，澳大利亞工程師貝特發(fā)明了最早的阻尼線。此后由此演變而來的防振裝置有貝特阻尼線+防振錘、交叉阻尼線、圣誕樹阻尼線等。這些防振裝置的基本原理都是改變輸電線的振動(dòng)模式，通過自身的振動(dòng)消耗系統(tǒng)的振動(dòng)能量，從而降低輸電的微風(fēng)振動(dòng)水平。我國大跨越輸電線防振方案以貝特阻尼線+防振錘聯(lián)合防振方案為主，具有良好的消振效果和豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)保證大跨越輸電線的安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要的作用。

總體而言，我國架空輸電線路的輸電線微風(fēng)振動(dòng)問題已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)可控、在控，但是由于地區(qū)的差異，在持續(xù)穩(wěn)定風(fēng)區(qū)，輸電線的微風(fēng)振動(dòng)仍然不容忽視。應(yīng)采取差異化的設(shè)計(jì)方法，適當(dāng)降低輸電線的平均運(yùn)行張力，并安裝以阻尼線為主的防振方案，合理選擇防振錘，必要時(shí)進(jìn)行防振效果驗(yàn)證試驗(yàn)，將輸電線的微風(fēng)振動(dòng)強(qiáng)度控制在允許范圍內(nèi)。