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摘要：输电线路是电网的重要组成部分，近年来，因风振而导致架空输电线路故障跳闸的现象提示我们分析探索架空线路的防振问题对于线路安全运行具有重要的意义。架空输电线路平时所测得的导线振动的振幅，是风力吹动导线形成的上下振动与电动力振动的合成。风引起的导线振动很多，如输电线路在风的作用下会发生微风振动甚至舞动等，其影响造成严重的输电线路事故；对于高压输电线路防振问题也更为重要，根据振动的特点、产生的原因、危害程度的不同，防止措施也不同。
关键词：输电线路；振动；舞动
引言：输电线路顾名思义就是输送电能的线路，它像桥梁一样联络各发电厂、变电站，使其并列运行，实现电力系统的联网。输电线路按架设方式分为架空线路和电缆线路。多年来，对于架空输电线路的设计、施工、运行维护，考虑得较多的是送电能力、输电损耗、电网的稳定性和供电可靠性，而对于输电线路防振方面的问题则考虑得较少。近年来，因风振等振动而导致架空输电线路故障跳闸的现象提示我们分析探索输电线路振动和防振问题，对于掌握线路安全运行的各种条件、状态，甚至指导地线路建设过程中的防振设计施工安装及路径、金具等附件的选择都有一定的意义。
1、架空输电线路导线振动的类型
人们在印象中普遍认为架空输电线路的振动是由于风力吹动导线而引起的，在物理上解释是在导线的背面形成“卡门”旋涡，使导线形成上下方向的振动。但这种认识是不全面的，通过理论分析计算，目前所谓的“微风”振动，除了风力的作用形成的上下振动之外，还存在由于线路输送交流电而产生的电动力振动。架空输电线路由于输送电力，两导线之间就会产生电动力，直流输电线路产生随电流而变化的相斥的电动力，而交流输电线路则由于导线的排列不同，而产生不同方向的电动力振动。所以，导线的振动包括电动力振动和风力振动，它们共同作用在导线上，而且是周期性的，电动力振动及风力振动所产生的振幅都是微量级的，这两种振动要进行合成才为导线的振动，其合振不会有大的振幅出现[1]。
2、影响导地线振动的主要因素
2.1 风对导（地）线的冲击频率
均匀的微风吹向导线这种涡流的非对称性，在导线上产生了交变的升力分量，称为冲击频率，可用下列经验公式计算：
Fs=S*Vs/d
式中：Fs——风对导线的冲击频率（Hz）；Vs——风速（m/s）；d——导线直径（mm）；S——司脱罗哈数，一般s=185~210。
2.2 悬挂点高度的影响
导地线的悬挂点愈高，吹向导线的风受到地面摩擦影响就愈小，破坏风的均匀性就减弱。一般情况下，能引起振动的风速范围0.5~10m/s，风速上限值的经验公式为：
Vm=0.0667h+3.33（m/s）
Vm———风速上限值（m/s）；h———导线悬挂点高度（m）。
2.3 风向的影响
对开阔的平坦地区的导线振动观测实验结果表明，风吹向导线的方向对导线的振动有很大的影响。当风向与线路夹角在45°~90°时导线产生稳定地振动，夹角在30°~45°时振动的稳定性很小，而夹角小于20°时，一般不会出现振动。
2.4 地区、地理条件的影响
当架空输电线路经过平开阔地区时，风的均匀性不易受到破坏，最易产生持续振动。因此，对于经过河流、湖泊、海峡、旷野的架空输电线路，应加强防振措施。
2.5 档距的影响
档距大小对架空线的振动也有很大的影响。风输入导线的振动能量的计算公式：
u =（7.73v2dAλ/2）×10-8
式中：u—风每周期输入给半波长导线的能量，它与半波长成正比。
由公式可以看出，当半波长一定时，档距愈大半波数就愈多，档距愈小半波数
愈少。因此，风输入给导线半波长的能量一定时，风输入大档距的总能量就比输入小档距的总能量大，即风输入给导线的总能量与档距的大小成正比，档距愈大导线的振动就愈严重。
2.6 导线应力的影响
导线应力的大小与振动是影响振动的关键因素，提高导线应力会导致导线自振频率增加，容易使导线过早疲劳而加速了导线断股或断线事故。因此导线设计时要执行设计规范要求的导线、避雷线的平均运行应力的上限值和采取相应的措施。
3、风引起导线振动的类型
风致灾害是导致输电线路破坏的主要因素，其危害程度之大不容忽视。正确估算风的作用，既可提高输电线路的抗风灾能力，又可提高经济效益。
在前知道导线振动类型之后，其中风是影响导线振动最重要的因素。风引起的输电线路振动，就起因来说可分为微风振动、湍流振动、次档距振荡、短路振荡、脱冰跳跃、横向碰击、强风舞动。这些类型的振动中，最常见的要算是微风振动和强风舞动了[3]。
3.1 微风振动
架空输电导线在0.5 m/s~5 m/s的均匀微风垂直作用于导线时，会在架空线的背风侧形成一个以5 Hz~150 Hz频率变化的风力涡流。当风力涡流对架空线的冲击频率与架空线固有的自振频率相等时，会使架空线竖直平面内因共振而引起振动加剧，从而形成架空线的振动。微风振动的特征是振幅小、频率高、持续时间长。振动的持续时间一般为数小时，在某些开阔地带和风速十分均匀稳定地情况下，震动时间会更长。由于微风振动，在所有导线振动类型中，发生的机会最多、持续时间最长、频率最高。因此微风振动是输电线路导线最基本的振动方式。
3.2舞动
在5 m/s~15 m/s的风力作用在非对称外形的导线上产生脉动力，形成大幅度的舞动，这是一种由于空气动力不稳定而产生的现象。输电线路导线在不均匀覆冰及风力的作用下引起的一种低频率（约为0.1 Hz~4 Hz），大振幅（约为导线直径的20~300倍）的振动。导线发生舞动时，除了垂直方向运动以外，往往伴随有扭转方向的运动。舞动的发生相对于微风振动来说概率较低，但舞动的能量很大，持续时间较长，危害性较大，危害有机械的，也有电气的[4]。
4、微风振动、舞动对架空输电线路的影响
下面对微风振动和舞动对输电线路影响进行了分析，输电线路的振动实质上是导线内在应力在风力的作用和覆冰等气象因素的影响下所形成的机械运动能量从积聚到衰减的过程。
微风振动的能量及振幅虽然都不大，但是发生振动的时间却很长，约占全年时间的30%-50%。悬垂线夹处的导线长期处于这种反复波折的状态，容易引起导线的耐受疲劳强度降低，导致断股断线的事故发生，长期的振动会使导线疲劳，造成断股、断线、金具损坏等。冬季气温低，导线张力增大，地面障碍物减少，微风振动强度会增强，振动的持续时间也会增长，跨距大的线路中大跨越段尤其明显[5]。
导线舞动一旦发生，其危害性最大。导线舞动一旦形成，持续时间一般可达数小时，对高压输电线路会造成极大的破坏作用，从而威胁输电线路的安全运行。舞动常引起导线鞭击、烧伤、断股、断线、金具严重磨损、断裂、脱落、绝缘子钢脚断裂、杆塔倾倒、线路跳闸等，因而易造成大面积停电等严重事故，给社会带来重大的经济损失[6]。
5、防振措施
目前，常规的防导地线振动措施有防振锤、阻尼线、护线条。除此之外还要在输电线路设计施工方面进行防振，比如合理架线 架设线路须科学选择路径，优化投资方案。线路应架在公路的两侧以便维护施工，若出现事故时，减少损失。线路应考虑到城市将来的发展，应预留架空线路容量，城市一般取40~50m为一档距[3，7，8]。
在舞动方面提出采用避舞、抗舞、抑舞措施，如舞动易发生在导线易覆冰、风大而平稳的地区，故在路径选择时，应尽可能避开这些地区，同时考虑避开雨淞、湿雪频繁、冬季多风以及宽阔江河、峡谷、迎风山坡和山脊等微地形易舞动地区，此外，在选择线路走向时，应尽量使之平行于冬季主导风向；抗舞措施是在不改变舞动条件前提下，通过提高线路的电气和机械强度来抵抗导线舞动，使线路设备能在导线舞动时不被破坏并保持安全运行；抑舞措施是在舞动严重的线路上加装防舞装置，以抑制舞动的幅度，消除舞动可能造成的危害，保证线路安全运行[6，9]。
此外，如为防止导线舞动闪络，可以加大导线间的相间距离，，同时，在弧垂较低部位和邻近耐张杆塔的直线杆塔，其垂直档距不宜小于平均档距；降低导线的平均运行应力有阻于减小振动的幅度；在路径选择上尽可能避开易发生振动的自然条件地区，在不可避开而又估计有发生强烈振动的微气象区，尽可能选用水平排列，并对覆冰覆雪的线路在发生振动前进行熔冰，以有效地防振。
在金具选择方面，针对风振易发地段，可采用装设和导线线股直径相等的予绞丝或是打背线。其方法原理类似于防线条，另外，使用自阻尼线也是一种行之有效的好方法。
在金具安装和使用上，注意改善线夹的耐振性能，要求线夹的转动部分应灵活，减小导线出口处的弯曲。如采用压缩型耐张线夹，改善线夹口处倾角曲率及加固装置，减轻对导线的挤压应力、弯曲应力和导线的磨损。安装防振锤时，注意其位置，由于导线振动时波长是随风和应力的大小而变化的，在振动的风速范围内，波长在最大值和最小值之间来回变化。因此，防振锤安装时应该照顾对最大半波长和最小半波长都能起到一定防振作用，而且，对其它半波长也有起到较好的防振作用。为达到这一目的，防振锤应安装在最大和最小波的第一个半波长内而且还要考虑对最大波有利的条件下装在最小波的波腹后半部为好，并对两种波长的“相角”的正弦绝对值相等的布置。
另外，采用阻尼线和防振锤的联合保护方式，可充分利用各自的防振优点：即高频振动主要由阻尼线来防振，低频振动主要由防振锤来防振，最大限度地满足各种振动波出现情况下都能起到最好的防振效果[3]。
6、超高压输电线路的防振
针对超高压输电线路的防振问题进行的分析，超高压输电线路由于常年受到风、冰雪及低温等气象条件的影响，容易引起导线的振动。超高压输电线路，杆塔高度一般为30m左右，导线多采用相分裂导线，受环境条件的影响大，线路发生振动的几率比低压线路大得多。因此，超高压输电线路的振动及防振措施是一直被关注的问题。超高压输电线路除存在微风振动、舞动外，还存在次档距振动，次档距振动是指超高压输电线路分裂导线上两间隔棒之间的子导线振荡，这是采用相分裂导线的线路所特有的机械运动现象。次档距防振对策大致分为三部分：通过阻尼消耗维持振荡能量；防止谐振或使之失谐；减轻振荡产生的危害。具体的如，加大分裂导线间距，采用阻尼间隔棒[10]。
由于采用分裂导线后微风振动已不成为主要威胁，次档距振荡的危害虽没仃舞动的严重，但它发生频繁影响广泛，也应引起足够的重视。
大体上对于超高压输电线路的防振措施，除了在选择路径时尽量避开气象条件复杂的重冰、风口等易振地区外，根据其性质和主要装置，主要采取以下方：
6.1 加强线路设备的耐振性能
6.1.1 提高杆塔塔身及横担的刚度；
6.1.2 采用特强型导线；
6.1.3 调整导线的应力；
6.1.4 在导线悬垂和耐张线夹处包上护线条；
6.1.5 改善各类金具的耐振性能。
6.2 安装防振装置
在线路上加装防振锤、阻尼线等防振装置，增大导线的阻尼性能，起到减弱和吸收导线振动能量，降低或抑制导线的振动。
间隔棒不仅能起到支撑子导线、防止相互碰撞和鞭击的作用，还可以起到防振装置的作用。。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进行必要的论证和计算。一般来说，档距中央的间隔棒主要是用来防止碰撞，安装距离可大些，而导线悬挂点附近的间隔棒除了能防止扭转外，更重要的是能够起防振的作用，应该相对安装得密一些。
对于大跨越和大档距的输电线路也是一样的，由于铁塔较高，导线张力较大，受气象条件影响发生振动的机会较多，而且维修工作难度较大。为了加强防振措施，在依靠间隔棒减振作用的基础上，需要安装一定数量的防振锤和阻尼线，导线悬挂点处要包装高强度的护线条，同时可考虑采用释放型的悬垂线夹，以减小振动对设备的影响。
目前，我国在输电线路防振本着安全可靠、技术先进、保护环境、控制成本、提高效率的设计原则正在一步步向前发展，这必将给我国经济发展和社会进步带来更多的益处[10 -14]。
7、小结
输电电网络的运行首先是安全运行，其次是经济运行，线路的防振对电网的安全产生重要的影响，随着线路越来越复杂，输送距离长，线路高低起伏，纵横交错，线路受到雷击、狂风振动影响大，电网安全受到巨大威胁，因此，线路防振对电网有着重大的意义。
参考文献：
[1]唐校友.架空输电线路的导线振动[J].科技资讯，2003，05.
[2]宫云鹏.影响导地线的振动因素及防振措施[J].内蒙古锡林郭勒电业局，内蒙古 锡林浩特
[3]李恒宇.架空输电线路防振问题探讨[J].电力技术，2007，08.
[4]王时哲，潘龙架.架空输电线路导线疲劳损伤及防护措施[J].宁夏电力公司，2003，05.
[5]朱宽军，王景朝.关注鸟害及微风振动[J].科技资讯，2007，01
[6]张鸣，陈雄波.架空输电线路导线舞动机理及防舞动研究，2008，02.
作者简介
吕福杰，男，1969年5月18日出生，2002年毕业于蚌埠运输管理学院，大学专科，现为国网锦州供电公司检修分公司输电运检室小组负责人。
刘洪江，男，1973年10月18日出生，2006年毕业于解放军南京政治学院，大学本科.现为国网锦州供电公司检修分公司输电运检室一名班长。
论文作者:吕福杰,刘洪江
论文发表刊物:《电力设备》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/17
标签：导线论文; 线路论文; 微风论文; 波长论文; 应力论文; 阻尼论文; 风力论文; 《电力设备》2017年第8期论文;