架空導(dǎo)線的微風(fēng)振動是由風(fēng)吹過導(dǎo)線時(shí)在其背風(fēng)側(cè)形成的風(fēng)向上下交替的卡門漩渦引起的，是最常見的一種導(dǎo)線振動形式，具有振幅小、發(fā)生概率高、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)，容易導(dǎo)致導(dǎo)線疲勞斷股或金具損壞，嚴(yán)重威脅輸電線路的安全運(yùn)行。
大跨越線路工程導(dǎo)線的微風(fēng)振動更為劇烈，防振難度更大，防振方案也更為復(fù)雜。中國電力科學(xué)研究院有限公司從大跨越導(dǎo)線振動特性出發(fā)，建立了一整套大跨越導(dǎo)線防振設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及振動狀態(tài)評估方法，為大跨越線路的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。
為何要特殊對待大跨越導(dǎo)線的防振？
為滿足遠(yuǎn)距離送電的要求，架空輸電線路不可避免地要跨越河流湖泊或海峽港灣等水域，跨越水域的檔距一般較大，而且很多水域有通航的要求，線路設(shè)計(jì)需特殊考慮。
一般來說，跨越檔距1000米以上、跨越塔高100米以上，有通航要求，需特殊設(shè)計(jì)的架空輸電線路被稱為大跨越線路。大跨越線路因所處地理位置特殊，其設(shè)計(jì)條件比一般線路更為嚴(yán)格，工程投資大，施工難度高，在安全性方面也有更高的要求。因此，大跨越線路工程必須優(yōu)化設(shè)計(jì)，強(qiáng)化運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測，盡可能地消除微風(fēng)振動等問題給線路帶來的安全隱患。
大跨越線路工程具有檔距大、懸掛點(diǎn)高、跨越水域開闊等特點(diǎn)，水域上空容易形成穩(wěn)定的層流風(fēng)，能夠激起導(dǎo)線振動的風(fēng)速范圍廣，導(dǎo)線吸收風(fēng)能多，因此導(dǎo)線的振動強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)高于一般線路。若防振措施不合理，極易發(fā)生由動彎應(yīng)變過大導(dǎo)致的導(dǎo)線疲勞斷股、金具損傷等故障，甚至引發(fā)導(dǎo)線斷裂等嚴(yán)重事故，修復(fù)起來困難，還會影響水域的通航，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。因此，必須高度重視大跨越導(dǎo)地線微風(fēng)振動的防治，開展專門的防振設(shè)計(jì)及振動狀態(tài)評估研究，為工程的安全運(yùn)行提供必要的技術(shù)保障。
抑制大跨越導(dǎo)地線振動有什么難點(diǎn)？
導(dǎo)線直徑大，地線防振難度高。為增加送電能力，高電壓等級的輸電線路多采用分裂導(dǎo)線，也就是每相（極）導(dǎo)線由多根導(dǎo)線組成。大跨越線路的分裂導(dǎo)線根數(shù)通常小于其所在輸電工程的一般線路段。目前，我國大跨越工程所用導(dǎo)線的最大直徑已達(dá)46.2毫米。導(dǎo)線直徑越大，其迎風(fēng)面積越大，風(fēng)輸送給導(dǎo)線的能量相應(yīng)增加；同時(shí)，其在風(fēng)力作用下的微風(fēng)振動頻率也越低，單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)線線股間的相互摩擦次數(shù)減少，會導(dǎo)致導(dǎo)線自身對振動的阻尼作用下降。這“一增一降”導(dǎo)致了導(dǎo)線振動強(qiáng)度的增加，增大了導(dǎo)線防振的難度。另外，地線處于單根運(yùn)行狀態(tài)，缺少間隔棒的阻尼作用，且高頻振動較為顯著，防振難度也相對較大。
跨越檔距大，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)高?？缭綑n距主要對導(dǎo)線振幅和振動延續(xù)時(shí)間有影響。導(dǎo)線通常以某一固有頻率振動，每一振動頻率都對應(yīng)一個(gè)輸入風(fēng)速和振動波長。只有導(dǎo)線長度是振動半波長的整數(shù)倍時(shí)，才能建立穩(wěn)定的振動狀態(tài)。因此，導(dǎo)線檔距越大，能夠包含的不同振動頻率對應(yīng)的半波數(shù)也就越多，越容易因固有頻率與風(fēng)力激振頻率相接近而發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動，振動持續(xù)時(shí)間也會增加。導(dǎo)線懸掛點(diǎn)增高，將提高導(dǎo)線振動對應(yīng)的上限風(fēng)速，擴(kuò)大振動頻率的范圍，也使振動延續(xù)時(shí)間增加。
導(dǎo)線運(yùn)行張力高。大跨越工程往往為控制工程造價(jià)或因凈空限制而控制塔高，但同時(shí)還需滿足跨越水域通航的要求，導(dǎo)線弧垂又不能過低，這導(dǎo)致有些工程導(dǎo)線運(yùn)行張力相對較高。導(dǎo)線張力提高，不僅會增加導(dǎo)線的振動強(qiáng)度（振幅和振動次數(shù)），而且會降低導(dǎo)線材料的疲勞極限，使其更容易因長期振動而發(fā)生疲勞斷股。同時(shí)，導(dǎo)線張力提高后，導(dǎo)線線股之間更加緊密，相互摩擦作用的程度降低，使其對微風(fēng)振動的抑制作用下降，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)線的振動幅度增加。因此，大跨越導(dǎo)線的防振設(shè)計(jì)要充分考慮導(dǎo)線張力的影響。
導(dǎo)線鋼芯占比大、強(qiáng)度高。為具有良好的弧垂特性，大跨越導(dǎo)線的鋼芯占比通常較高，鋼芯強(qiáng)度等級也在不斷增加。以專為大跨越工程研制的某型號超特強(qiáng)鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線為例，其鋼芯強(qiáng)度不僅達(dá)到1960兆帕，鋁鋼截面比也僅為1.25。在同等張力百分比條件下，該導(dǎo)線鋁部應(yīng)力大大超過常規(guī)鋼芯鋁絞線或鋼芯鋁合金絞線。這導(dǎo)致其在25%額定抗拉力張力條件下的振動強(qiáng)度過大，難以通過依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的振動疲勞性能檢測，工程設(shè)計(jì)上只能“量力而行”，嚴(yán)格控制運(yùn)行張力。大跨越導(dǎo)線的鋁部應(yīng)力高、鋼芯占比大、鋼芯強(qiáng)度高等特點(diǎn)為導(dǎo)線防振設(shè)計(jì)帶來了很大難度。
“四位一體”防振技術(shù)解難題
中國電科院通過多年的積累，針對輸電線路大跨越工程導(dǎo)線微風(fēng)振動特點(diǎn)，建立起“防、測、治、評”四位一體的技術(shù)格局，形成了立體化、全方位的大跨越導(dǎo)線微風(fēng)振動防治及狀態(tài)評估技術(shù)體系，解決了大跨距、高張力、高強(qiáng)度導(dǎo)線的防振難題。
“防”即導(dǎo)線微風(fēng)振動防振方案確定。由于微風(fēng)振動屬于很強(qiáng)的非線性問題，再加上導(dǎo)線阻尼參數(shù)的分散性，單純的理論分析和計(jì)算不足以精準(zhǔn)地確定導(dǎo)線的防振方案，必須通過模擬試驗(yàn)確定防振方案。中國電科院突破大跨越導(dǎo)線防振方案設(shè)計(jì)及試驗(yàn)技術(shù)難題，建立了國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的分裂導(dǎo)線微風(fēng)振動實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)了輸電線路防振輔助設(shè)計(jì)平臺，能夠快捷、高效地為大跨越線路工程提供更為優(yōu)化、安全的防振方案。
“測”指的是大跨越導(dǎo)線微風(fēng)振動狀態(tài)監(jiān)測。防振方案實(shí)施、線路投入運(yùn)行后，需要監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，以確保其發(fā)揮作用。監(jiān)測分為“離線”和“在線”兩種模式。為推動防振技術(shù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，中國電科院在依托離線技術(shù)開展大跨越現(xiàn)場測振的基礎(chǔ)上，開發(fā)了大跨越工程導(dǎo)線振動狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)配套的測試現(xiàn)場前端的采集設(shè)備，導(dǎo)線振幅、應(yīng)變及工程氣象條件等數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集并傳輸至數(shù)據(jù)中心及用戶終端，若導(dǎo)線的振動狀態(tài)發(fā)生異常，系統(tǒng)就會發(fā)出預(yù)警，提示數(shù)據(jù)中心及用戶終端注意。這樣既便于綜合分析防振方案的運(yùn)行狀態(tài)，也便于運(yùn)維人員及時(shí)掌握線路振動水平，從而指導(dǎo)運(yùn)維策略的制訂和運(yùn)維資源的配置。
“治”是導(dǎo)線微風(fēng)振動的治理。通過綜合分析大跨越工程導(dǎo)線振動狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)，可掌握導(dǎo)線各關(guān)鍵點(diǎn)的振動參數(shù)，檢驗(yàn)防振方案的運(yùn)行效果。在系統(tǒng)反饋導(dǎo)線振動幅度超標(biāo)時(shí)，技術(shù)人員可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)分析研判導(dǎo)線運(yùn)行是否存在風(fēng)險(xiǎn)，并分析風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及產(chǎn)生原因，并基于分析結(jié)果及時(shí)為線路運(yùn)維專業(yè)人員提供技術(shù)建議。
“評”就是導(dǎo)線疲勞壽命評估。導(dǎo)線的疲勞壽命與導(dǎo)線的材質(zhì)、導(dǎo)線的振動強(qiáng)度等因素密切相關(guān)，疲勞破壞的根源在于導(dǎo)線材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。中國電科院建立了基于損傷力學(xué)及斷裂力學(xué)的導(dǎo)線疲勞壽命預(yù)估模型，編制了導(dǎo)線疲勞壽命分析程序并將其嵌入大跨越工程導(dǎo)線振動狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可綜合分析振動數(shù)據(jù)，并根據(jù)運(yùn)維專業(yè)人員的需要，出具大跨越導(dǎo)線振動狀態(tài)評估報(bào)告，分析導(dǎo)線的疲勞壽命情況。
目前，“防”的技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大跨越工程的建設(shè)及運(yùn)行，基于阻尼線與防振錘聯(lián)合方案等防振方案型式已為特高壓大跨越在內(nèi)的國內(nèi)外百余項(xiàng)大跨越線路工程提供了防振解決方案，設(shè)計(jì)的防振方案通過了現(xiàn)場測振的檢驗(yàn)，長期運(yùn)行效果良好。220千伏舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程的螺頭水道大跨越，跨越塔最高達(dá)370米，主跨距達(dá)2756米，“阻尼線+防振錘”型式防振方案解決了鋁包鋼絞線的防振問題；500千伏舟山聯(lián)網(wǎng)輸變電工程西堠門大跨越塔高380米，主跨檔距達(dá)2656米，采用圣誕樹阻尼線型防振方案，有效抑制了導(dǎo)地線的微風(fēng)振動。
后續(xù)，中國電科院將進(jìn)一步推廣“測”“治”和“評”等方面技術(shù)，以技術(shù)服務(wù)的形式嵌入電網(wǎng)業(yè)務(wù)流程，更好地發(fā)揮大跨越防振技術(shù)體系的綜合效能，促進(jìn)基建提質(zhì)、運(yùn)維提效。
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