第四章导线的振动和防振

120第四章导线和地线的振动和防振第一节振动的类型和特点张紧在空间的导线，由于受到各种因素的影响而引起导线的振动。现在已知的在架空线上发生的振动的类型主要有微风振动、次档距振荡、脱冰跳跃、横向碰击、电晕舞动、短路振荡和湍流振动等。下面简要叙述这些振动的特点、产生的原因、危害和防止措施。一、微风振动。微风振动是在风速为0.5~10m/s的均匀风垂直吹向导线时，在导线背风面形成稳定的涡流。由于周期性涡流升力分量的作用，使导线发生振动。二、舞动。当风速为5~15m/s左右的风力作用在非对称外形的导线上，最常见的情况是作用在覆冰厚度不对称的导线上时，由于风力作用角度的变化产生的脉动风力，破坏了导线的静力平衡，而形成大幅度舞动。一般认为，在一个档距中，舞动的起始点发生在弧垂较低的部位，而不是在导线悬挂点较高的部分。因为弧垂最低点受到的垂直重力和水平分力最小，故最容易被特定的风力举起，于是舞动振荡现象便会向全档距传播。其特点是振动大、频率低、持续时间长（振幅在10m以下、频率为0.1~1Hz）。在一个档距中，往往会出现1~4个半的振动波。振动的持续时间可达数小时之久。在一个档距中发生舞动时，常常波及到相邻档。导线某一点的振动轨迹通常呈椭圆形。导线覆冰不均匀是导致舞动现象的根本因素。通常发生在气温0℃左右的平原或丘陵地区，而且粗的导线比细的导线，分裂导线比单导线，更容易引起舞动。舞动现象在线路上极少发生，而一旦发生，便会造成严重后果。不仅导线、绝缘子、金具或杆塔构件受到损伤，还可能引起相间或相对地的短路事故。如2008年1月下旬，在河南、湖南、江西等地因冻雨和暴雪持续半月至一月余，出现了持续70小时以上、振幅达8米以上的强烈舞动，动态荷载达静态荷载的3倍以上，造成多处倒塔事故。防止舞动造成危害的主要措施是增大线间距离、缩小档距、采用防冰导线和研制舞动抑制器等。三、次档距振荡。次档距振荡是指发生在分裂导线相邻两间隔棒之间的档距中的一种振荡。由于该振动的频率很低，故一般称为“振荡”。次档距振荡在线路中较少出现，通常在风速为5～15m/s的风力作用下，由于迎风导线产生的紊流，影响到背风导线而产生气流的扰动，破坏了导线的平衡而形成振荡。它的表现形式，常常是各子导线不同期的摆动，周期性的分开和聚拢，导线在空间的运动轨迹呈椭圆形。次档距振荡的振幅与次档距长度、风速大小和分裂导线的结构形式有关，一般次档距振荡的振幅从相当于导线直径到0.5m，频率为1～3Hz，一个次档距中可出现一个或数个半波。容易产生次档距振荡的条件如下：1.分裂导线的间距与子导线直径的比值。当分裂导线的间距与子导线直径的比值小于10时，便可能产生严重的次档距振荡。因此要求该比值在15～18之间。我国500kV超高压线路，采用的四分裂导线的子导线的标称截面为300～400mm2，直径为24～28mm，我国的阻尼间隔棒规范中，三分裂和四分裂导线的子导线间距为450mm，间距与子导线直径的比值为16～19。加大子导线间距的优点是减小了尾流效应（即风吹子导线时在其背风面产生的涡流对相邻子导线的影响）。2.线路的地理条件。最严重的次档距振荡总是发生在开阔地带，如近海、近湖或平坦开阔地带。因为这些地区容易产生均匀的风速。3.次档距大小。当次档距较大时，容易产生次档距振荡。次档距振荡是分裂导线一种特定的主要振动，其危害和微风振动相同。可能造成导线、间隔棒、绝缘子和金具等的损伤。防止次档距振荡的主要措施是对双分裂导线采用垂直布置，避免子导线间的尾流效应；采用具有消振作用的阻尼间隔棒和增大子导线间距等。四、电晕舞动。电晕舞动现象发生在电位梯度超过2kV/mm，并且处于潮湿地区的高压线路中。一般认为是由于电晕放电导致气流产生动力作用而形成电晕舞动。电晕舞动的振幅通常在1m以下，频率很低，一般为零点几Hz至1Hz，在一个档距中可产生数个半波，导线振荡轨迹常呈椭圆形。电晕舞动可导致导线、绝缘子和金具等的损伤，同时还造成电晕电力损耗和对通信、无线电、电视等设施的干扰。防止电晕舞动的措施是采用较粗的导线如扩径导线或分裂导线以防止电晕放电。121五、横向碰击。横向碰击是由于周期性风速的变化，作用在导线的某一段上所形成的来回摆动。摆动的幅度可达数米，在一个档距内可发生一个半波长的基本波，其持续时间可达数小时。横向碰击易发生在山谷或水坝口等风力集中的地方，但极少发生。一旦发生横向碰击，首先造成线间短路，其次是绝缘子和金具等的损坏。防止措施是在选择线路路径时，注意避开风力集中的地段或增大线间距离。六、短路振荡。短路振荡仅发生在分裂导线的线路上。短路时短路电流产生的电磁吸引力，使同相分裂的子导线间相互吸引，每个次档距内都会产生一个半波长的碰击振荡。其后果是造成间隔棒和导线的碰击损伤。改善措施是缩短间隔棒的间距和增加间隔棒的强度。七、湍流振动。导线有时在强风作用下也会发生振动。曾观察到在10m/s风速时，测出的振动频率只有20Hz左右，振幅与微风振动的振幅相差甚微。湍流振动的波形，一般是在低频振动波中寄生着高频振动波。上述输电线路所有振动类型中，以微风振动发生的地区最普遍，发生的次数最频繁和振动持续时间最长。因而这是危及导线安全运行最为普遍的一种振动形式。第二节振动的基本理论一、振动的起因架空输电线路的导线（地线）受到稳定的微风作用时，便在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流漩涡，如图4-2-1所示，从而使导线受到一个上下交变的脉冲力作用。当气流漩涡的交替变化频率与导线的固有自振频率相等时，导线在垂直平面内产生共振即引起导线振动。导线振动的波形为驻波，即波节点不变，波腹上下交替变化，而且一年中导线振动的时间长达全年时间的30%~50%。无论导线以什么频率振动，线夹出口处总是一个波节点。所以，导线振动使导线在线夹出口处反复拗折，引起材料疲劳，最后导致断股、断线事故，对线路的正常安全运行危害较大。图4-2-1引起导线振动的气流漩涡图4-2-2导线振动的波形二、导线振动的特性1.振动波形、振幅和振动角。导线的振动是沿整档导线呈驻波分布的，即导线离开平衡位置的位移大小无论在时间上还是沿档距长度上都是按正弦规律变化的。同时在同一频率下，波腹点a（最大振幅）及波节点b在导线上的位置衡定不变。图4-2-2为某一频率时导线振动的波形示意图。O为波节点，导线离开平衡位置OX轴的距离Ax称为振幅，位移中最大者Am称为最大振幅。试验表明，导线的振幅与导线的张力的大小有关。当导线张力为其破坏张力的8%时，振幅接近于零；当导线张力增加到其破坏张力的10%~15%时，振幅迅速增大；当导线张力增加到其破坏张力的20%以后，振幅趋于饱和而变化很小。振幅的大小还与空气气流对导线的冲击形式和气流能量的大小有关，并与导线各股间的摩擦有关。波腹点的振幅与波长有关，且在相当于低频率振动又是最大波长时的振幅最大。实际上，振幅一般不超过导线的直径，最大振幅也不会超过导线直径的2~3倍。在评价线夹出口处导线振动弯曲程度时，以线夹出口处的振动角来表示更为直观。所谓振动角是指导线振动波的波节点处，导线对中心平衡位置的夹角，如图4-2-2中的α。显然α就是振动波在波节点处的斜率角，且最大振幅时振动角也最大。如果在运行中测得距线夹出口处为x点的振幅为Ax，则可按下式求得最大振动角αm为12212tan()2sinxmAx（4-2-1）式中αm—最大振动角；λ—振动波波长，m；Ax—测量点振动波的振幅，m；x—测量点与线夹出口处的距离，m。运行的线路上，导线的振动角一般在30＇~50＇之间，当振动特别强烈时接近1°。这样大的振动角，不需要很长时间就会使导线断股。因此一般架空输电线路均需采取防振措施，且在导线紧线后应尽快安装防振器具，以使导线的振动角减小到允许范围之内。导线的允许振动角如表4-2-1，这是衡量振动的严重程度和评价防振装置的防振效果的标准。表4-2-1导线的允许振动角平均运行张力允许振动角（′）≤25%Tp＞25%Tp1052.导线的振动频率和波长。引起导线振动的原因是气流漩涡交替变化的频率与导线的固有自振频率相等而发生共振。根据试验，当导线受到稳定的微风作用时，气流漩涡的交替变化频率与风速和导线直径有关，其频率可由下式确定Fvfsd（4-2-2）式中fF—气流漩涡的交替变化频率，Hz；v—风速，m/s；d—导线直径，mm；s—司脱罗哈数，s=185～210，一般取ｓ＝200。一个物体在振动过程中，如果没有能够影响它振动的力去干扰它，那么它振动的振幅将保持不变，并只在回复力的作用下永远继续下去，这样的振动叫自由振动。物体作自由振动的频率叫物体的固有自振频率。固有自振频率是由组成物体的系统本身决定的。输电线路的导线可以看成是两端固定的一条弦线，它的固有自振频率可以下式表示19.8DTfW（4-2-3）或119.8DTfp（4-2-4）式中fD—导线的固有自振频率，Hz；Ｔ—导线的张力，Ｎ；Ｗ—导线单位长度的重力，Ｎ/m；p1—导线的自重单位荷载，N/m。导线的振动是在气流漩涡引起的上下交变的冲力作用下维持的振动，因此是一种受迫振动。物体作受迫振动时，其振动频率总是等于策动力的频率，它的振幅与其固有自振频率和策动力的频率有关，当物体的固有自振频率和策动力的频率相等时，其振动的振幅最大，这种现象称为共振。我们所说的导线振动，就是指导线固有自振频率和气流漩涡的交替变化频率相等时的振动，即fF=fD。由fF和fD计算式可知，导线固有自振频率fD和导线张力T有关，随着张力的变化，导线有不同的固有自振频率。而气流漩涡的交替变化频率fF与风速有关。因此，当气流漩涡的交替变化频率fF与导线某一固有自振频率fD相等时，导线在该频率下产生共振，此时振幅达到最大值。当风速变化致使fF变化时，振幅将有所下降，同时导线张力也有所变化，导致固有自振频率也随之变化，有可能在另一频率下又实现fF=fD，产生新的共振。因此，导线振动的频率不是唯一的。123根据共振的条件fF=fD，可以求出导线振动的波长为19.8200dTvp（4-2-5）振动的半波长为19.82400dTvp（4-2-6）三、影响导线振动的因素影响导线振动的因素主要有：风速、风向、档距、悬点高度、导线直径和张力以及地形、地物等。1.风的影响。引起振动的基本因素是均匀稳定的微风。因为一方面导线振动的产生和维持需要一定的能量（克服空气阻力、导线股线间的摩擦力等所需的最小能量），而这些能量需由气流漩涡对导线的冲击能量转化而来。一般产生导线振动的最小风速可取0.5~0.8m/s，风速再小就不会发生振动。另一方面，维持导线的持续振动，其振动频率必须相对稳定，也即要求风速应具有一定的均匀性。如果风速不规则地大幅度变化，则导线不可能形成持续的振动，甚至不发生振动。影响风速均匀性的因素有风速的大小、导线离地面高度、档距、风向和地貌等。当风速较大时，由于和地面摩擦加剧，使地面以上一定高度范围内的风速均匀性遭到破坏。如果档距增大，则为保证导线对地距离，导线悬挂点必然增高。离地面越高，风速受地貌的影响越小，均匀性越好。所以必须适当选择引起导线振动的风速范围，防振设计中一般取表4-2-2所列数值。表4-2-2引起导线振动的风速范围档距（m）悬挂点高度（m）风速范围（m/s）下限vn上限vm150～250300～450500～700700～1000122540700.50.50.50.54.05.06.08.0根据在平原开阔地区的观察结果表明，当风向和线路方向成45°~90°夹角时，导线产生稳定振动；在30°~45°时，振动的稳定性较小；夹角小于20°时，则很少出现振动。2.导线的直径和档距的影响。由波长计算式（4-2-5）可知，振动波的波长和导线直径有关；另一方面在振动过程中，档距l中振动波的半波数n为整数，即22lln则2ln将上式代入式（4-2-6）可得14009.8plnvdT即当风速和导线张力不变时有/nld。由此可知，档距越大、导线直径越小，档中形成完整半波数的机会越多，导线振动