4、防振防舞专题解析

国家电网公司输变电工程设计竞赛湖南城口风电 ~儒林220kW路工程设计投标文件技术部分专题报告2015年5月专题报告之四导线振动、舞动分析及治理专题我国在全面建设小康社会过程中，源瓶颈问题随之成为社会各界尤其是学术界关注的焦点。作用下的振动非常严重，极大地威胁着输电线路的安全运行。在风的作用下，导线时刻处于振动状态。经济将持续保持高速增长，根据频率和振幅的不同，输电线在风导线的振动大致可分为三种： 高频微幅的微风振动、 中频中幅的次档距振动和低频大振幅的舞动。 三种振动都会给导线和输电线路造成破坏，其中导线的微风振动发生得最为频繁。 微风振动的主要危害是导致导、地线疲劳断股以及金具、杆塔构件的损坏。一方面，严重的断股会造成断线事故， 威胁架空线的运行寿命， 以至需要更换造价昂贵的导线；另一方面，微风振动的发生也限制了导线使用应力的提高，有碍于降低送电线路的造价。 舞动是覆冰导线受稳态横向风作用而引起的大幅低频振动，其振动动的幅度很大，持续时间长，易酿成很大危害，轻则相间闪络、损坏地线和导线、金具及部件，重则线路跳闸停电、断线倒塔等严重事故，从而造成重大经济损失。针对本工程的特点，通过计算， 本工程投标方案在 15mm冰区导、地线采用对称型扭转式防振锤防振， 20mm冰区导、 地线基本上无需采取防振措施。根据运行经验，结合湖南省舞动区划，确定本工程为非舞动区，但考虑到 J71J8段跨越了大源水库，经过微地形分析，建议本工程在该段预留防舞装置挂点，本期不考虑防舞措施。TOC\o"1-5"\h\z前言 1\o"CurrentDocument"导线微风振动、舞动分析 2\o"CurrentDocument"微风振动 2舞动 9档距和舞动幅值关系 15\o"CurrentDocument"3治理措施 18微风振动的防治措施 18舞动的防治措施 22\o"CurrentDocument"4结论及运用 25新建线路的防振、防舞措施 25在本工程的运用 26#(可达10m以上)，多在导线覆冰、气温01，且有风 (10120m/s)时发生。舞动一般较少发生，但一旦发生，持续时间较长，常为数小时。架空线截面积越大、分裂导线根数较多、架空线离地较高、舞动较严重且几率增大。舞动时，架空线沿水平方向、垂直方向运动，且有扭动。舞动波为进行波，架空线上某点的运动轨迹近似为垂直方向长轴的椭圆。舞动大多数发生在覆冰气象， 因此有两点可以肯定： 风是舞动的必要条件，冰是舞动的主要因素。影响舞动的主要因素气象因素特定的气象条件是引起导线舞动的主要因素之一。气温低于0℃或在0℃左右，遇有冻雨或雨夹雪，导线上很容易覆冰，同时在风的作用下，导线覆冰不均匀，迎风侧较厚，类似机翼，在风的激励下诱发舞动。根据研究，在导线不均匀覆冰的情况下， 当风速在4120m/s,且风向与线路走向的夹角口45°时， 导线易发生舞动。 故障段线路基本呈东西走向，根据收集的资料，发生舞动时为北风，与线路走向基本垂直，风速大部分在 8m/s左右，个别达到了 15m/s。地理因素线路的地理条件亦是引起导线舞动的重要因素。在雨凇区内，有平稳层流大风，且当线路走向与风向夹角大于45°的开阔地带 (平原地区、江河湖泊等 )及峡谷、迎风山坡、山脊等微地形是容易发生舞动的则舞动的可能性地带。统计还表明线路走向与风向的夹角越接近垂向，越大，这是因为风垂直吹向非对称椭圆形导线时产生的升力和扭矩最则舞动的可能性大。故障段线路经过地段为地势开阔，地形为平地或低矮的丘陵。线路结构的影响线路结构参数 （张力、弧垂、档距长度、导线特性、分裂导线的几何参数等）对导线舞动存在影响。国内外大量的输电线路运行实践说明，分裂导线比单导线更易发生舞动。 国内单导线的大跨越发生舞动的也较罕见，而国内分裂导线的大跨越发生舞动已有多处， 大截面导线比小截面导线易于舞动， 导线应力在01时为 20180MPa易于发生舞动，分裂导线大档距易于舞动。实例分析舞动是一种大幅值、低频率的导线振荡。根据国内外观测记录，导线舞动的全振幅可达几米到十几米， 对于一般线路档距来讲， 舞动振幅a（椭圆轨迹的长轴 ）与弧垂的比例大概是 20%,也可能达到40%,最大可达到 100%。对于强舞动区，对一般档口，最大 a值可取 12m,对大跨越档口可取 20m。一般而言，假定导线舞动时地线不舞动，此时地线仅产生与导线相靠近的风偏角 Q口导线舞动轨迹为椭圆， 椭圆长g轴a与垂线间的夹角 0通常取 5D101，导线口垂 fc的风偏角中取c10115°,地线口垂 fg的风偏角Q根据其保护角的正负和对舞动导g线可能发生的严重接近情况来确定,最小取0°,最大可比导线风偏角大5°。导线沿长轴向下舞动的最大振幅通常取a1=(0.2角大5°。导线沿长轴向下舞动的最大振幅通常取a1=(0.210.25)a,向上的最大振幅通常取a2=(0.810.75)a。舞动轨迹的椭圆短轴bD0.4aD为确保舞动时线路不产生相间及相对地短路，需保证在可预测的舞动振幅的情况下相间及相对地有足够的电气间隙。为此，应根据线为确保舞动时线路不产生相间及相对地短路，需保证在可预测的舞动振幅的情况下相间及相对地有足够的电气间隙。为此，应根据线路的气象状况估算可能发生的舞动振幅，可用下式进行估算。椭圆形长轴：a椭圆形长轴：a二(021.0)f(m)c2m/sf为覆冰舞动导线口垂，冰厚为 5mm,气温为0°,风速为 8.2m/sc椭圆形短轴： b=0.4a导线向下舞动的最大振幅： a1=0.2a椭圆形夹角： 0=5°导地线口垂风偏角： ①=tg-1(g4/g1)对于覆冰舞动情况, 相对地动态接近距离按照工频电压间隙取值为0.6m,相对相动态接近距离按照工频电压取值为 1.0m,能够保证线路安全运行。以下为湖南省 2010年1月导线舞动致使跳闸的沙口口线为例计算。沙口口线现场照片沙口1线 72#173#导线放电痕迹 沙口口线 72#173#导线放电痕迹沙口1线 72#173#档地形地貌沙口1线 72#173#档地形地貌左侧为沙黎口线左侧为沙黎口线73#塔73#塔沙口口线72#]73#档地形地貌右侧为沙口口线72#塔表2—4沙口口线故障点导线舞动轨迹椭圆图计算参数档距(m)557557□□□□□□□□□(m)2.6612.662□□□□□□□□□fc(m)28.4528.24□□□□□□□□□fc(m)28.4528.24□□□□□□□□□20%25%□□□□□a(m)5.77.1□□□□□b(m)2.32.8□□□□□□□□□□□a1(m)1.11.4□□□□□(°)5.05.0□□□□□□□(°)8.68.6沙口口线故障点导线舞动轨迹椭中导线横口下导线横口沙口口线故障点导线舞动轨迹椭圆图（设计情况）圆图（模拟情况）20%满足电气间隙要求，沙口口线舞动幅值达到导线口垂的25%，中导线与下导线的电气距离小于1.0m,所以造成导线相间放电。沙口口线故障点导线舞动轨迹椭中导线横口下导线横口沙口口线故障点导线舞动轨迹椭圆图（设计情况）圆图（模拟情况）20%满足电气间隙要求，沙口口线舞动幅值达到导线口垂的25%，中导线与下导线的电气距离小于1.0m,所以造成导线相间放电。从上图可以看出：杆塔设计时导线舞动幅值与弧垂比例取档距和舞动幅值关系下列为双回路线路中、下相间放电分析档距和舞动幅值的关系。双回路导线舞动时中、下导线舞动轨迹为形状一致的两个椭圆，按照理论计算，不论导线弧垂多大，这两个椭圆的相对位置关系不变，因而对不同塔型可直接求出相间放电的极限舞动幅值，如下表所示。

塔型SZ3SZ61□□□□□□□□□□□□□5.8m5.6mSZ3塔和SZ61塔极限舞动幅值表2—5表2—5大幅值取12m,计算 SZ3塔和SZ61塔档口和舞动幅值的关系如表 2—3、表2—6所示。表2-6 SZ3塔档口和舞动幅值的关系^___£垂比例、□□□□ (m)档口(mj^x0.20.250.30.40.50.812000.801.001.201.602.003.204.002401.151.441.732.302.884.615.762501.251.561.882.503.135.006.252691.451.812.172.893.625.797.243001.802.252.703.604.507.209.003402.312.893.474.625.789.2511.563502.453.063.684.906.139.8012.003802.893.614.335.787.2211.5512.004003.204.004.806.408.0012.0012.004393.854.825.787.719.6412.0012.004504.055.066.088.1010.1312.0012.004814.635.786.949.2511.512.012.0

^^___弧垂比例、、□□□□ (m)^-'档口(m)\^0.20.250.30.40.50.817005005.006.257.5010.0012.0012.0012.005385.797.248.6811.5812.0012.0012.005506.057.569.0812.0012.0012.0012.006007.209.0010.8012.0012.0012.0012.00表2—7 SZ61塔档口和舞动幅值的关系^^__弧垂比例、、□□□□ (mP''^档口(m)^^0.20.250.30.40.50.812000.801.001.201.602.003.204.002361.111.391.672.232.784.465.572501.251.561.882.503.135.006.252641.391.742.092.793.485.586.973001.802.252.703.604.507.209.003342.232.793.354.465.588.9211.163502.453.063.684.906.139.8012.003742.803.504.205.606.9911.1912.004003.204.004.806.408.0012.0012.00

^^__£垂比例、、□□□□ (m)^-'档口(m)x、0.20.250.30.40.50.814323.734.675.607.469.3312.0012.004504.055.066.088.1010.1312.0012.004734.475.596.718.9511.1912.0012.005005.006.257.5010.0012.0012.0012.005295.607.008.4011.1912.0012.0012.005506.057.569.0812.0012.0012.0012.006007.209.0010.8012.0012.0012.0012.00从上表可以看出： 在240m以下档口， 即使舞动幅值和口垂相等也不会造成相间放电 （不考虑施工误差 ）,因此，对于大于 240m的档口应采取防舞动措施。3治理措施微风振动的防治措施微风振动是由风速风向稳定的微风引起， 在下风头处引起的导线受“卡门漩涡”交替风力引起的导线振动其特点是振幅小，振频极高。在整个档距内，不管架空线以何种波长和频率振动，都以两端固定点即线夹出口处的架空线受损最为严重。当架空线微风振动的强度超过允许水平时，必须采取防振措施降当架空线微风振动的强度超过允许水平时，必须采取防振措施降低动弯应力和振动持续时间，以保护线夹出口处的架空线。3.1.1拟制微风振动的措施目前国内拟制微风振动的措施主要有以下几种：1）尽量减少振动产生的条件材料的疲劳极限与静态应力（平均应力）的大小有关，线路上的导材料的疲劳极限与静态应力（平均应力）的大小有关，线路上的导线是在有应力的条件下发生振动的，要想不使导线产生振动疲劳断股，必须限制振动的弯曲应力及振动强度。根据《110kV口750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)中的相关规定，根据《110kV口750kV架空输电线路设计规范》(GB50545-2010)中的相关规定，导、地线平均运行应力上限和防振措施见表3-1所示。表3-1导、地线平均运行张力的上线和相应的防振措施情 况防口措施□□□□□□□□□（抗拉强度%)□□□□□钢绞线□□□□□500m的开阔地区不需要1612□□□□□500m的非开阔地区不需要1818

□□□□□ 120m不需要1818□□□□□□护线条22-□□□□□□防振锤(阻尼线)□□□□□□2525较高的架空线平均应力可以降低线路造价， 但对防振不利；应力太低，则会造成线路造价过高。 因此根据实际振动情况和采取的防振措施，合理地选择架空线平均运行应力是必要的。吸收导线的振动能量可在线路上加装防振装置， 如防振锤和阻尼线或采用自阻尼大的导线。1)防振锤防振锤是目前使用最广泛的一种积极防振措施， 国内外均有几十年的运行经验，对减弱或消除架空线振动危害的效果显著， 可以将振动的最大双倍振幅降低至十几分之一。当架空线发生振动时，防振锤上下运动，利用重锤的惯性，使其

钢绞线产生内摩擦消耗架空线的大部分振动能量，空气对重锤的阻尼钢绞线产生内摩擦消耗架空线的大部分振动能量，空气对重锤的阻尼消耗一部分能量，防振锤线夹处消耗和反射一部分能量。 根据能量平衡原理，防振锤的能量消耗使微风振动的强度降低。阻尼线采用相当长度的一段绞线 （通常与导线规格相同 ），平行的挂在导线的下侧，并每隔一定距离用线夹使之与导线可靠地固定， 形成花边状，可以构成多种多样的型式和尺寸，统称为阻尼线。阻尼线通常与防振锤配合，用于输电线路大跨越 （花边的设计格式很多，根据工程具体情况而定 ）。阻尼线是一种结构简单但理论计算极为复杂的分布型消振器。 架空线振动时， 固定在架空线上的阻尼线相继振动， 架空线及阻尼线本身线股之间产生摩擦， 消耗部分能量； 另一些振动能量由振动波通过阻尼架空线的连接点，发生反复折射，使档内的稳定振动遭到破坏，振动能量逐渐消耗掉。自阻尼导线从防振目的出发， 专门创造的一种阻尼作用很大的导线， 其阻尼作用可达到一般导线的 3115倍，这种导线即称为自阻尼导线，或称为“防振导线”。自阻尼导线可以提高导线的使用张力，并减少或取消防振装置，从而降低输电线路的造价。 大跨越档距长度的选择不再受防振问题限制，免除了防振装置维护检修工作带来的困难。运行实践表明，自阻尼导线除了降低振幅以外，振动的延续时间也可显著地减少。近年来我国在大跨域档距上越来越多的采用了自阻尼线防振， 大多数运行情况是比较满意的。 但从运行中也反映自阻尼线在某些频率范围内还不够理想， 特别是在低频范围， 也出现过自阻尼线的档距外侧的节点处产生导线断股情况。加强导线的耐振性能可采用疲劳强度极限高的导线，安装护线条、预绞丝线夹、改善线夹结构等措施。3.2舞动的防治措施舞动是由于能量的输入导致系统失稳造成的， 是一种动力不稳定的现象。 在一个周期内输入振动系统的能量等于该系统所消耗的能量时，系统是稳定的， 而当输入系统的能量大于系统所消耗的总能量时，系统就会失稳，振幅将逐渐增大，直到达到一个新的平衡。线路长期舞动可能会造成跳闸、 掉串、断线甚至倒塔， 严重威胁线路安全运行。拟制舞动措施目前，国内常用的拟制舞动的措施有如下几种：安装空气动力稳定器各种空气动力稳定器都是基于流体力学的原理， 通过改变导线的外形和空气动力特性使之不利于发生舞动。 如采用溶冰措施和表面光滑的导线也属于其中方法之一。 其他方法还有采用定点安装空气动力阻尼器及扰流线，扰流刺、扰流板等，但都很少采用过。安装吸收舞动能量的阻尼器在档距的两端安装吸收舞动能量的阻尼器，用以提高导线舞动系在档距的两端安装吸收舞动能量的阻尼器，用以提高导线舞动系统的自阻尼作用，使舞动受到抑制。安装改变系统结构特性的抑舞动器改变系统结构特性的抑舞动装置，其原理是采用结构力学的方法，改变舞动系统的固有扭转或横振频率、质量分布和元件连接方式法，改变舞动系统的固有扭转或横振频率、质量分布和元件连接方式等动力学特性，达到抑制舞动。防舞设计经过易舞区新建线路的防舞设计主要从以下四个方面进行：合理选择线路走向和路径。提高线路电气强度。提高线路机械强度。加装防舞装置。3.2.2.1合理选择线路走向和路径新建线路应尽可能避开舞动多发区， 避开雨淞或冻雨地带； 尽可能避免横穿风口、江河湖面；在平原开阔地带，应尽可能避免线路走向与冬季主导风向夹角过大， 一般小于45°为好， 夹角越小越不利于舞动的形成。3.2.3提高线路电气强度1)舞动电气间隙导地线布置应首先满足架空送电线路设计技术规程的相关规定。

以保证舞运行电压下相间及相对地应不小于舞动后的最小电气间隙，以保证舞表3—2表3—2各电压等级的最小电气间隙电压等级110kV220kV500kV相间间隙(m)0.51.02.1相对地(m)0.30.61.32)舞动振幅为确保舞动时线路不产生相间及相对地短路，可预测的舞动振幅应有足够的电气间隙。为此，应根据线路气象条件估算可能发生的舞为确保舞动时线路不产生相间及相对地短路，可预测的舞动振幅应有足够的电气间隙。为此，应根据线路气象条件估算可能发生的舞动振幅，根据估算的舞动振幅，进行塔头尺寸设计。3.2.4提高线路机械强度提高线路机械强度是指适当提高杆塔、导线、金具、绝缘子等的机械强度，在线路舞动时不致因设备强度不足而发生事故，可分别从机械强度，在线路舞动时不致因设备强度不足而发生事故，可分别从以下两个方面进行。1)提高杆塔机械强度加大铁塔底宽和顶宽，是提高输电铁塔振动可靠性的有效途径，此外可适当提高铁塔设计安全系数，以提高其抗舞动能力，在舞动多此外可适当提高铁塔设计安全系数，以提高其抗舞动能力，在舞动多发区的杆塔，应加强螺栓的防松性能。2)提高电力金具及绝缘子机械强度线路舞动时将产生巨大的动态荷载，金具及绝缘子的安全系数可

线路舞动时将产生巨大的动态荷载，金具及绝缘子的安全系数可能不满足强度安全的需要，为此对经过舞动多发及强舞动地区线路的能不满足强度安全的需要，为此对经过舞动多发及强舞动地区线路的金具及绝缘子设计安全系数应适当提高， 提高幅度应视可能出现舞动的强度而定， 一般可将金具设计安全系数提高至 3.014.0,绝缘子设计安全系数提高至 3.514.5,以确保金口及导线能抵抗中等强度的舞动。由于舞动造成磨损会使得金具失效， 可采用耐磨金具以提高抗舞能力。对绝缘子而言,增大绝缘子串的质量有助于降低张力变化引起的振幅。3.2.5加装防舞装置局部微气象、微地形线路,由于舞动可能性大,即使采取了增大机械及电气强度的方法仍不能满足线路防舞需要, 为提高线路运行的安全稳定性,对局部敏感区段在线路设计时就应进行防舞设计, 在计入防舞装置的质量后导线平均运行应力不大于导线破坏应力的 25%。加装防舞装置的质量应严格控制, 一般情况下在一档内安装防舞器总质量不大于全档导线总质量的 8110%。为防止防口装置损伤导线并降低导线的振动水平, 在防舞装置线夹处宜加装预绞丝护线条。 常用的防舞装置有防舞动动力减振器、 集中防振锤、 相间间隔棒、 矢摆器等。4结论及运用新建线路的防振、防舞措施合理选择线路走向和路径。平原开阔地带、江面、湖面、海面等地面粗糙度小,易使架空线

持续稳定的振动。故在平原开阔地带，应尽可能避免线路走向与主导持续稳定的振动。故在平原开阔地带，应尽可能避免线路走向与主导风向夹角