输电线路覆冰舞动原因分析和治理措施

输电线路覆冰舞动原因分析和治理措施

覃志堂

（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局广东广州510405）

摘要：由于我国地貌特征复杂多样，输电网建设需要穿越高原、山地、盆地等气候恶劣的区域。输电线路覆冰舞动是当风吹到因电线积冰而变为非圆截面的导线时，会诱发电线产生一种低频率、大幅度的自激振。长时间的覆冰舞动会导致杆塔、绝缘子、导线及金具受到异常不平衡冲击而疲劳损伤，以及造成导线相间和相对地闪络，严重威胁电网的安全运行。

关键词：输电线路；覆冰舞动原因分析；治理措施

1资料与方法

1.1数据介绍

湖北省电力试验研究院、电力勘测设计院提供2010年2月10—11日湖北省境内输电线路覆冰舞动故障的资料清单，有：舞动起止时间，杆段中心杆塔经纬度，舞动时风速，风向和导线覆冰厚度。本文使用的气温和降水数据是湖北省内17个地面观测站点常规气象数据。

1.2数值模式及个例

采用ＷＲＦ3．4．1模式对本次事故中天气过程进行模拟，模拟时间为2010年2月9日14：00（北京时，下同）至12日02：00，以6ｈ一次的1°×1°的ＮＣＥＰ再分析资料作为初始边界条件，采用2层嵌套，第2层嵌套包括整个湖北省，模拟区域如图1。两重网格水平格距分别为9ｋｍ、3ｋｍ，格点数分别为166×102、265×181，垂直方向分为52层，地形静态数据采用ＭＯＤＩＳ数据。算例中物理方案采用ＲＲＴＭ长波辐射方案，Ｄｕｄｈｉａ短波辐射方案，近地面层Ｍｏｎｉｎ－Ｏｂｕｋｈｏｖ方案，Ｎｏａｈ陆面过程方案，ＹＳＵ边界层参数化方案，最外重使用Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ积云对流方案，微物理方案采用Ｔｈｏｍｐｓｏｎ方案，该方案最初的设计是为了提高飞机积冰预报的准确率，因此其对云中混合相态过程进行了更多地描述。

2线路覆冰舞动的机理

2.1垂直舞动机理

垂直舞动模型忽略导线扭转运动，只考虑导线由风激励产生的升力L和阻力D，其值可表示为：

式中，P为单位长度导线的投影面积（不计覆冰厚度）；V为风速；ρ为空气密度；CL为升力系数，可正可负；CD为阻力系数，总为正值。当出现CL/θ+CD＜0（θ为攻角）时，导线将产生自激振荡。

2.2扭转激发舞动机理

扭转激发舞动机理兼顾了垂直方向的空气动力作用和导线的扭转作用。当空气扭转阻尼是负值且大于导线扭转固有阻尼时，导线将开始自激扭振。一旦满足式（3）所示条件，则扭转频率与垂直振动频率重合，将引发线路舞动。

式中，αk和ωk分别为导线第k阶扭振腹点振幅和圆频率，V0为与线路走向垂直的水平风速，θ0为初始攻角。

2.3偏心惯性耦合失稳机理

除垂直振动和扭转振动外，覆冰导线还存在偏心惯性。它将引起攻角变化，使相应的升力对横向振动形成正反馈，加剧横向振动。此为偏心惯性耦合失稳机理，是最全面的模型，分别从垂直、水平和扭转振动3个自由度进行分析，在舞动的仿真模拟、舞动影响因素的定性分析方面具有广泛的应用。

3导线覆冰舞动原因分析

3.1气象条件

覆冰舞动是风和冰联合作用后的结果。经现场调查发现，此次舞动灾害发生时为雨雪大风天气。事故线路的导线表面有新月形覆冰，覆冰改变了导线的几何形状，在导线的一侧形成翼面。当大风来袭时，导线上部的压力随气流速度的增大而减小，与导线下部产生压差，使得导线同时承受上扬力和水平力的作用。上扬力与导线的自身重力作用引发导线产生垂直振荡，又因导线偏心覆冰，进而扭转振荡；一旦振荡频率与导线固有频率吻合，舞动随即产生。

3.2线路结构与参数

气象条件可视为导线舞动的外因，而线路自身的结构和参数则是导线舞动的内因。在同样的外界工况下，输电线路的档距、导线分裂数和导线直径对导线舞动发生的概率及幅值有直接影响。

3.3线路所处地理环境

此次舞动发生时风向为东北方向，与线路约成80°夹角。线路所处地带空旷且地形平缓，风速大且持续稳定，极易形成舞动。

4线路覆冰舞动的治理措施

4.1提高线路设计强度

导线舞动会对导线绝缘子串及其连接金具产生较大的冲击力，极易造成绝缘子及金具的损坏。提高绝缘子、金具的安全系数，使用双联悬垂串、双线夹、优选预绞式线夹，均可提高绝缘子串的抗舞动性能。在耐张塔转角内外侧均安装跳线串，可抑制耐张串大幅摆动而牵连跳线的摆动，有利于减小跳线对耐张线夹的往复作用力，从而提高耐张线夹抗疲劳性能，减小跳线发生风偏放电的几率。根据耐张塔横担发生损坏的情况，横担加双帽可以在舞动情况下有效防止因螺栓松动导致的杆塔破坏现象（事故塔除挂线节点外其他部位的螺栓未加双帽）。

4.2输电线路覆冰监测与预警系统

受气候、微地形、微气象等因素的影响，我国冰灾事故频繁发生，造成导线覆冰，进一步发生导线舞动。2004年12月一场历史上罕见的天气突袭湖南，当地电网在持续的、大强度冰冻的影响下，经受有史以来最严峻的考验，电力线路冰闪跳闸和倒塔断线事故先后多次发生：3条500kV线路因不堪重负，其中倒塔24基，变形3基；6条220kV线路倒塔18基，变形9基；其它电压等级线路也遭到不同程度的破坏。2008年一月份我国南方地区出现大面积严重雪灾，导致线路杆塔倒塌情况严重，国家电网和南方电网共有三万条输电线路和两千多个变电站停运，严重影响了输电网的正常运行，造成了非常重大的经济损失和社会影响。

目前输电线路覆冰和舞动的理论研究已经较为深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在实际应用方面，无论是设立观测站，还是定期采集数据，都不够及时，目前输电线路覆冰和舞动的理论研究已经较为深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在实际应用方面，无论是设立观测站，还是定期采集数据，都不够及时，而且往往很不够经济，满足不了输电线在线监测系统实时性和可靠性的要求。

为了解决导线覆冰监测问题，一些研究机构和相关公司开发了覆冰监测预警系统，为防冰和除冰工作提供技术和数据支持。该系统主要通过综合监测输电通道微气候状况、导地线的张力、倾角等力学参数、导线温度、绝缘子泄漏电流，结合现场图像监视判断输电线路的覆冰状况。当前，南方电网公司正在建设输电线路灾害（覆冰）预警系统；国家电网公司也开始着手建立区域性的输电线路覆冰在线监测系统。

4.3提高铁塔可靠性

目前应对线路舞动的方式主要有主动防治和被动承受2种。针对被动承受方式，应该整体考虑线路设计的安全系数。目前线路设计相关部分的安全系数最薄弱的环节往往是铁塔；如果铁塔受损，金具、绝缘子及导线或地线也往往会落地，必然导致绝缘子和导地线受到不同程度的损坏。另外，因铁塔加工周期较长，铁塔受损将会制约抢修及恢复通电时间，而金具、导线及绝缘子因有备件不限制抢修时间。故从加快恢复通电、减少因停电造成的影响角度出发，在进行防舞动设计时，应尽可能提高铁塔的可靠性。

5结论

结合事故记录情况，围绕气象条件、线路结构和参数、线路所处地理环境等方面分析了此次线路发生覆冰舞动的原因。依托偏心惯性耦合失稳机理，从垂直、水平和扭转振动3个自由度定性分析了舞动的影响因素及对线路的破坏作用力情况。为减少线路因覆冰舞动对电网的安全稳定性的影响，从提高线路电气和机械设计强度、加装防舞装置等方面探讨了治理和防治措施，保障线路安全稳定运行。

参考文献：

[1]祝永坤，李文鹏，刘辰，高树永，蒋鹏.500kV紧凑型输电线路覆冰舞动故障分析及防范措施[J].内蒙古电力技术，2016，02：5-9.