標(biāo)簽：架空線 振動 防振
架空線路常年受到風(fēng)、冰、低溫等氣象條件的影響和電壓、電流的作用，除使架空線和桿塔產(chǎn)生垂直于線路方向的水平荷載外，還會引起架空線路振動。架空線路的振動按頻率和振幅可分為微風(fēng)振動(簡稱風(fēng)振動)和舞動，采用分裂導(dǎo)線的線路，振動的形式為次檔距振動。風(fēng)振動的時間常年達30%～50%左右，使架空線在懸掛點處和針式絕緣子導(dǎo)線固定處，反復(fù)被拗折引起材料疲勞，最后導(dǎo)致導(dǎo)線斷股、斷線事故。舞動容易引起導(dǎo)線相互碰撞或相互纏繞，造成相間短路開關(guān)跳閘或燒傷導(dǎo)線的事故。次檔距振動將使每相分裂導(dǎo)線間互相鞭擊，因而損傷導(dǎo)線和間隔棒，甚至損壞金具而使導(dǎo)線落地。為了保證電網(wǎng)安全運行，需要對導(dǎo)線振動原因進行研究并采取防振技術(shù)措施。以史為鑒，可以知興亡，筆者在實際工作中，曾多次經(jīng)歷過因?qū)Ь€振動造成的事故，并參加過事故處理，深知導(dǎo)線振動的危害，因此對導(dǎo)線振動原因和防振措施進行淺略探討。
1風(fēng)振動
影響架空線風(fēng)振動的主要因素有：風(fēng)速、風(fēng)向、檔距、導(dǎo)線懸點高度，導(dǎo)線直徑、路徑地形、地物以及導(dǎo)線應(yīng)力等。但均勻的微風(fēng)和風(fēng)向?qū)?dǎo)線的角度是引起風(fēng)振動的基本因素。
1.1導(dǎo)線風(fēng)振動的原因和特性
當(dāng)均勻穩(wěn)定的微風(fēng)吹過架空線，風(fēng)向與線路成45°～90°角時，就會在導(dǎo)線背風(fēng)面產(chǎn)生上下交替變化的氣流旋渦，如圖1a所示，從而使架空線受到上下交變的脈沖力，當(dāng)風(fēng)脈沖力的頻率：
和架空線的固有自振頻率：
(HZ)二者相等時，即fF=fD時，架空線在垂直面內(nèi)便產(chǎn)生諧振即產(chǎn)生穩(wěn)定振動波，在架空線內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力并和架空線緊線應(yīng)力相疊加，使架空線的應(yīng)力增加。
上式中：V——風(fēng)速，每秒取下限Vmin=0.5m/S，每秒取上限Vmax=4m/S;
d——架空導(dǎo)線直徑，(mm);
λ——振動的波長，(m);
σ——檔距內(nèi)架空線的應(yīng)力，N/mm2;
g1——架空線自重比載，N/m,mm2;
S——秒
1.2架空線風(fēng)振動波特性：
1.2.1波峰和振幅：架空線振動時，導(dǎo)線離開原位置最高點的垂直距離A0叫波峰。兩個波峰之間的垂直距離A=2A0(m)，稱為波幅
在運行的架空線上，實際振動角經(jīng)測試一般在30'-50'之間。當(dāng)振動特別強烈，振動角φ接近1°時，這樣大的振動角，不需要很長時間就會使導(dǎo)線斷股，故許多國家規(guī)定：架空線緊線后立即固定安裝防振器具，決不能拖過夜間。線路設(shè)計中一般情況下要求最大振動角，一般要求φmax不大于10'，大跨越處不宜大于5'。這是防振設(shè)計應(yīng)達到的標(biāo)準(zhǔn)。
1.3防止風(fēng)振動的技術(shù)措施
根據(jù)理論計標(biāo)和運行經(jīng)驗，當(dāng)風(fēng)作用在架空線上時，無論任何波長或頻率，都是在架空線線夾出口處，或在針式絕緣子導(dǎo)線固定處振動最嚴(yán)重。這主要是架空線線夾出口處和瓷瓶導(dǎo)線固定處始終是一個波節(jié)“死點”，而振動波不易通過“死點”而傳至相鄰檔距內(nèi)，使振動的大多數(shù)能量均集中在架空線“死點”處被吸收和消耗。因此強烈的折射和反折射使“死點”的架空線最容易疲勞而損壞，造成斷股或斷線事故。
目前，國內(nèi)外為防止或減輕架空線振動所采取的消能防振措施，大體有兩種：一種是超高壓送電線路，采用防振線夾和間隔棒等辦法;另一種是在架空線上裝設(shè)防振設(shè)施，如護線條、阻尼線、防振錘等，用來吸收振動能量，以達到防止或減輕架空線振動的效果，防振設(shè)施有：
1.3.1護線條：護線條均為單質(zhì)金屬制作，均采用與導(dǎo)線規(guī)格配套的預(yù)絞式鋁合金等徑護線條，使用時在懸垂線夾處的導(dǎo)線上均勻的纏繞即可。設(shè)計技術(shù)規(guī)程規(guī)定：對鋼芯鋁絞線單獨用護線條作為防振保護時，年平均運行應(yīng)力不得超過應(yīng)力的22%。故在重要線路上，常常采用護線條和防振錘聯(lián)合使用方式。對于35kV線路導(dǎo)線防振，采用-1×10mm的鋁包帶代替護線條，并和防振錘聯(lián)合使用。10kV配電線路，導(dǎo)線在絕緣子或線夾固定處纏繞鋁包帶，纏繞長度超出接觸部分30mm作為防振護線，水平檔距只有超過120m或大跨越桿塔應(yīng)和防振錘聯(lián)合使用。
1.3.2阻尼線：阻尼線取材為撓性較好的G-35平方的鍍鋅鋼絞線或與導(dǎo)線同質(zhì)同截面的一段線材，按花邊狀的懸掛形式，在線夾處兩側(cè)綁扎在導(dǎo)線上，一般檔距在懸掛點中心兩側(cè)有兩個花邊。第一個花邊綁扎點在距線夾中心點距離：
即 S1點位于最小半波長的波幅處。對外側(cè)第三個綁扎點距線夾中心點的距離：
即S3點位于最大半波長的波幅點處。第二個綁扎S2點在第一和第三綁扎點中間位置即：
S2=(S3-S1)/2(m)
阻尼線花邊的弛度一般取50-100(mm)
阻尼線在高頻情況下，比防振錘有更好的防振性能，常用于大跨越線路LGJ-35-70平方，小截面導(dǎo)線的架空線路。對10kV配電線路，跨越公路、通訊線的加強桿，在針式瓷瓶導(dǎo)線固定處綁扎一段截面相同的導(dǎo)線。
1.3.3防振錘：目前，我國廣泛使用的防振錘是FD-1~FD-3、FD-5型適用于LGJ-70-400平方的鋼芯鋁導(dǎo)線，F(xiàn)D-4型、FD-6型適用于GJ-70、GJ-50、GJ-35鋼絞線的避雷線，防振錘的使用在國內(nèi)外均有幾十年的運行經(jīng)驗，對減弱或消除架空線振動的效果較為顯著。
防振錘的安裝位置最好在“波峰”點處，使其上、下甩動幅值較大，從而起到消耗最大振動能量的作用。由于架空線振動時的波長λ是隨風(fēng)速和應(yīng)力大小變化的，在振動風(fēng)速范圍內(nèi)，波長是在最大值和最小值之間變化，所以防振錘應(yīng)安裝在最大和最小波節(jié)一個半波長的重合部分內(nèi)，其安裝距離按下式計算：
防振錘安裝距離S，對懸垂線夾，系指線夾中心線至防振錘夾板中心線的距離，對耐張線夾，系指線夾轉(zhuǎn)動中心線至防振錘夾板中心線的距離。
防振錘安裝個數(shù)的選擇，是按架空線檔距、導(dǎo)線直徑以及風(fēng)在架空線上的能量大小有關(guān)，安裝個數(shù)可參照表1：
表1防振錘安裝個數(shù)選擇
2導(dǎo)線舞動
2.1導(dǎo)線舞動的原因及危害
架空線舞動的頻率較低(周期約為幾秒鐘一次)而振幅值很大(可達3米、大者超過10米)，舞動波為進行波，波長λmax等于半檔距或整檔距長。舞動時，全檔距架空線作定向波浪式運動，且有擺動，導(dǎo)線上任一點的擺動軌跡投影呈豎長式，橢圓狀見圖2a。由于舞動的振幅大，且有擺動，一次持續(xù)時間幾小時，因此容易引起導(dǎo)線混線相間短路或?qū)Ь€相互纏繞在一起，造成線路跳閘停電或燒傷導(dǎo)線等事故。
(a)架空線舞動軌跡投影 (b)次檔距振動軌跡
圖2架空線舞動次檔距振動軌跡示意圖
導(dǎo)線舞動很少發(fā)生，它主要發(fā)生在架空線復(fù)冰且有大風(fēng)速的地區(qū)。當(dāng)導(dǎo)線復(fù)冰厚度達3毫米以上，復(fù)冰厚度又不均勻，使導(dǎo)線弧垂三相不等，汽溫在0°左右，如遇大風(fēng)則很容易發(fā)生舞動。在線路本身方面容易引起舞動的因素是：導(dǎo)線截面大(直徑超過40毫米);分裂導(dǎo)線根數(shù)較多;導(dǎo)線離地面較高，弧垂較大不均等。在電氣方面：線路容易發(fā)生電暈的地區(qū);變電站出線有端發(fā)生短路，短路電流較大的線段。
目前國內(nèi)對導(dǎo)線舞動的形成尚在研究中。架空線在運行中，能使導(dǎo)線舞動的力有三個：一個是風(fēng)力，最大風(fēng)速超過氣象區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，或?qū)Ь€復(fù)冰時風(fēng)速過大。第二是電動力，送電架空線發(fā)生電暈時，要消耗電能發(fā)熱，不僅增加線路電能損耗，而且嚴(yán)重時將導(dǎo)致導(dǎo)線和線路金具、絕緣子表面被燒毀，線路電暈放電使三相絕緣子閃絡(luò)造成相間的短路故障。第三是外力。
線路發(fā)生短路時，因流過很大的沖擊短路電流，會使導(dǎo)線間產(chǎn)生很大的電動力，也能使導(dǎo)線發(fā)生舞動，10kV配電線路也會發(fā)生舞動。例如涿鹿供電分公司，在110kV變電站10kV出線端，曾有4條10kV線路因在首段發(fā)生永久性短路故障，產(chǎn)生的電動力在短路點前側(cè)導(dǎo)線發(fā)生舞動，并在較大的檔距內(nèi)(80m)，使三相導(dǎo)線纏繞在一起，而且都是在氣溫較高風(fēng)速很小的情況下發(fā)生的。
根據(jù)畢奧—沙瓦定律法：當(dāng)線路發(fā)生三相短路時，三相導(dǎo)線流過的短路電流值相等且方向相同，中間B相受到A相和C相兩相導(dǎo)線電動力的吸引力，B相受到最大的電動吸引力，可以按下式計算：
作用在兩邊線(A相和C相)的電動吸引力，最大值可按下式計算：
兩相短路時，導(dǎo)線流過的短路電流相反，兩相產(chǎn)生的電動力相互排斥，其最大電動力可按下式計算：
線路開關(guān)能閘后，經(jīng)0.5秒重合閘動作，開關(guān)再次合閘在故障點上，短路沖擊電流又使導(dǎo)線所受的電動力增大，其值就是把第一次最大的電動力Fmax乘上動態(tài)應(yīng)力系數(shù)β=1.3，F(xiàn)max= Fmax×β(N)。導(dǎo)線在Fmax作用下，使導(dǎo)線振動增大，成為強迫振動，原有的振動頻率和強迫振動頻率很接近，導(dǎo)線就會發(fā)生共振，使導(dǎo)線的振幅值增大，且又有擺動，導(dǎo)線在吸引或排斥電動力的作用下發(fā)生舞動。嚴(yán)重時，使三相導(dǎo)線纏繞在一起。
2.2防止架空線舞動的技術(shù)措施
2.2.1覆冰
在嚴(yán)重覆冰地區(qū)，架空線在設(shè)計和選擇路徑時應(yīng)注意到：
(1)要調(diào)查清楚已有的線路和植物等覆冰情況(冰厚、覆冰范圍)、季節(jié)風(fēng)速、風(fēng)向、覆冰類型，線路不要在覆冰嚴(yán)重地段通過。
(2)避免靠近河泊，且要求在結(jié)冰季節(jié)的下風(fēng)向側(cè)通過，避免在山峰附近風(fēng)口迎風(fēng)面?zhèn)韧ㄟ^，以免出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)冰現(xiàn)象。
(3)避免出現(xiàn)大檔距、高桿塔，盡量不采用導(dǎo)線重直排列的桿塔，宜采用三角式或水平排列的桿塔，導(dǎo)線垂直排列時，因在風(fēng)速較大的情況下，容易發(fā)生混線。導(dǎo)線覆冰后需脫冰，當(dāng)脫冰或不均勻脫冰時會使上、下層導(dǎo)線跳動，發(fā)生導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與避雷線混線。
(4)施工架線三相導(dǎo)線弧垂要求一致。因?qū)Ь€覆冰厚度不均，三相弧垂不同，垂直比載不同，大風(fēng)時導(dǎo)線擺動頻率、振幅值不同，容易發(fā)生混線。
2.2.2電暈
送電線路導(dǎo)線發(fā)生電暈情況，與氣候條件、海拔高度及導(dǎo)線截面有關(guān)，技術(shù)規(guī)程規(guī)定：在海拔高度不超過1000米的地區(qū)，送電線路如果導(dǎo)線直徑不小于表2所列數(shù)值，一般可以不驗算電暈，反之則應(yīng)進行電暈校驗。
表2不驗算電暈的導(dǎo)線最小直徑
2.3送電線路在沿海地區(qū)架設(shè)，由于空氣比較潮濕容易發(fā)生電暈，絕緣子會閃絡(luò)放電，因此應(yīng)加強線路絕緣，增加懸式絕緣子的片數(shù)。
2.3.1電動力
110kV及以上電壓等級的送電線路設(shè)計和施工質(zhì)量都很高，運行中很少發(fā)生相間短路故障，而且導(dǎo)線的線間距離又大，因此就是發(fā)生相間短路時，產(chǎn)生的電動力也不足于使導(dǎo)線發(fā)生舞動混線。
10kV配電線路線長面廣，經(jīng)多年運行質(zhì)量較差，常受到自然災(zāi)害和外力破壞，因此發(fā)生相間短路故障的機率較多。由于110kV變電站的10kV母線，系統(tǒng)阻抗小，尤其在10kV線路首端發(fā)生相間短路時，短路電流較大，產(chǎn)生的電動力會使架空線發(fā)生舞動，又因線間距離較小，所以容易使導(dǎo)線纏繞在一起。
為減少事故的發(fā)生，應(yīng)對多年運行質(zhì)量較差的線路進行更新改造。對110kV站10kV線路首端段，桿塔水平檔距最大不超過70m，導(dǎo)線要三角排列，線間距離為1.1米，要提高新建線路的施工質(zhì)量。對三相次暫態(tài)短路電流過大的10kV配電線路，應(yīng)按設(shè)備選型要求，在變電站的出口端考慮裝設(shè)限流電抗器，以限制三相短路電流對配電線路的危害。
3次檔距振動
次檔距振動是指送電線路每相分裂導(dǎo)線，相鄰間隔棒之間相線的振動，其頻率(為1-2赫茲)和振幅(約為10-20厘米)均介于前兩種振動之間，所以也有稱它為次檔距舞動。當(dāng)風(fēng)速在3米/秒，及以上的大范圍內(nèi)的風(fēng)，風(fēng)向與架空線中心線的水平夾角45度以內(nèi)時，能引起各種排列方式的導(dǎo)線發(fā)生次檔距振動，除雙回路垂直排列的導(dǎo)線外，振動的發(fā)生與復(fù)冰無關(guān)。它的運動軌跡多為橢圓狀的，個別也有豎橢園狀的。次檔距振動將使同相分裂導(dǎo)線互相鞭擊，因而損傷導(dǎo)線和間隔棒，甚至損壞金具而使導(dǎo)線落地。防止次檔距振動，除按上述防止振動技術(shù)措施外，分裂導(dǎo)線要選用LGJJ加強型鋼芯鋁絞線，每檔安裝的間隔棒數(shù)量和間隔棒之間的距離要適宜。要選用質(zhì)量合格的金具，有防振功能的間隔棒和導(dǎo)線固定線夾。間隔棒固定分裂導(dǎo)線之間的距離要滿足設(shè)計要求。
參考文獻
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