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不容忽视的架空输电线微风振动

微风振动是最常见的架空输电线路振动形式,如果引起防振装置失效,易导致导线断股甚至断线,造成损失。中国电科院全面梳理了微风振动的研究历史和现状,并提出相关建议,为线路设计和运行部门提供参考。

我国幅员辽阔,不同地区的地理条件和气象特征差异性大。架空输电线路点多、面广、线长,110千伏及以上电压等级输电线路总长度已超过100万千米。

架空输电线路在运行中不可避免经受风的作用,导线和地线(以下简称输电线)会诱发风致振动。微风振动是最常见的振动形式,大部分线路的微风振动防治都通过安装防振装置得以控制。但近年来有多条架空输电线路因微风振动引起防振装置失效,导致导线断股甚至断线,造成重大损失。我国新疆、内蒙古等地区风速持久均匀,输电线微风振动强度大,必须引起足够的重视。中国电科院全面梳理了微风振动的历史和现状,提出相关建议,为线路设计和运行部门提供科学参考。

输电线微风振动是如何形成的,有什么特点?

层流风吹过圆柱体后会在尾流中形成一个规则的旋涡流型,漩涡在圆柱体的两侧交替脱落,对圆柱体产生一个垂直于风向的交替作用的周期力。美国航天工程学家冯·卡门最早系统阐述了这种现象,所以这种涡道被称为“卡门涡街”。

架空输电线路的输电线悬挂在杆塔上,承受一定张力,具有多个自振频率。输电线横截面为圆形,水平方向层流风吹过输电线后,背风侧的卡门涡街对输电线产生一个竖向交变力。当交变力的频率与输电线的自振频率一致时,便引起输电线垂直方向的振动。引起这种振动的风速通常在0。5米/秒至10米/秒范围内,因此,这种竖向的振动称为“微风振动”。

输电线微风振动具有频率高、振幅小、持续时间长的特点,常见频率范围为3赫兹至120赫兹,振幅通常不超过输电线的直径。输电线微风振动具有锁定效应,当输电线以旋涡脱落频率或相近频率振动时,会对尾流产生很强的整流作用,以至旋涡脱落频率与输电线的振动频率趋于一致。当风速在一定范围内变化时,输电线与漩涡的频率均保持不变,很明显地反映出同步效应。所以,输电线一旦发生微风振动,在风速变化的一定范围内,同步效应将使振动持续下去。因此,如果微风振动持续时间长,可以认为输电线的微风振动时刻发生。

输电线的微风振动是一种复杂的流固耦合现象,从本质上讲属于强迫振动。卡门涡街是诱发输电线振动的原因,同步效应使得振动得以维持,自限作用的存在限制了微风振动的振幅。

输电线微风振动有哪些危害?

微风振动容易引起输电线疲劳断股或金具损坏,严重威胁着输电线路的安全。20世纪50年代末期,我国开始注意到架空输电线的微风振动问题。1962年,当时的水利电力部电力建设研究所(现中国电力科学研究院)组织有关部门对我国19133千米架空输电线的微风振动情况进行了调查,包括数百回线路及大跨越线路运行情况,结果发现普遍存在着断股现象。例如,某线路输电线采用钢芯铝绞线,平均运行张力为输电线额定拉断力的25%,因未安装防振锤,当线路运行2年后检查1098个线夹,发现断股322处,占比为29.3%。根据调查结果,技术人员对振动严重的线路加强了防振措施,同时开展了试验研究工作,取得了一定成效。

自然界的风每时每刻都存在,因此输电线的微风振动也是长期存在的。输电线长期振动所产生的累积效应会导致输电线疲劳断股、金具磨损、绝缘子受损、杆塔构件损坏等,因此在运行中应高度重视输电线的微风振动问题。

因微风振动引起的输电线路导地线断股是线路安全运行的严重隐患。输电线路一旦发生断股、断线,将给电网安全运行带来巨大威胁,停电和换线损失巨大,因此必须对输电线路微风振动的防治给予足够的重视。

微风振动引起的输电线疲劳断股等故障是长期累积作用的效果。一般情况下,输电线的微风振动难以用肉眼直接观察到。一旦发生防振装置损坏或脱落,输电线的疲劳断股现象就已经比较严重。输电线由多根单线绞制而成,其中一根或多根单线断股后,应力会转移其他单线上,会加剧发生疲劳破坏。因此,输电线出现疲劳断股后,应立即采取补救措施,改进防振装置,防止故障进一步扩大。

输电线微风振动的防治措施及建议

在输电线上安装防振装置是抑制微风振动的基本措施,常见的防振装置有防振锤、阻尼线等,通过防振装置耗能来降低输电线路的振动强度。

1925年,美国工程师斯托克布里奇最早提出了防振锤的设想,并申请了专利。斯托克布里奇防振锤由线夹、钢绞线和锤头三部分组成,在后来的发展中,锤头和线夹出现了新的结构型式,但原理没有变化。防振锤通过线夹安装在输电线上,输电线微风振动时,防振锤随之振动,钢绞线发生弯曲变形,通过其钢绞线的股间磨擦,把振动输电线的动能变为热能消耗掉。其耗能的大小与线夹振动速度有关,速度越大,耗能越多。防振锤的应用,有效抑制了输电线微风振动,基本解决了微风振动引起的疲劳断股问题,是输电线防振的基本手段。

超高压输电线路导线均采用分裂型式,并安装阻尼间隔棒,由于阻尼间隔棒对子导线的微风振动具有牵制作用,因此,多分裂导线的微风振动强度低于同条件下的单导线。对于四分裂导线,当安装阻尼间隔棒且导线平均运行张力不大于导线额定拉断力的25%时,500米及以下档距可不安装防振锤。

大跨越线路具有挂点高、档距大、所处地形开阔的特点,水面上空容易形成层流风,引起输电线激振的风速范围广。因此,输电线吸收风能较普通线路大得多,其微风振动强度也远远高于普通线路,且输电线几乎每时每刻都在振动,若防振措施不当,则极易发生由于输电线动弯应变过大而导致的疲劳断股、甚至断线等事故。

大跨越输电线的防振方案通常采用阻尼线型式。阻尼线通常为钢芯铝绞线,通过线夹与输电线固定;输电线振动时,阻尼线随之振动,从而实现耗能减振的作用。

1930年,澳大利亚工程师贝特发明了最早的阻尼线。此后由此演变而来的防振装置有贝特阻尼线+防振锤、交叉阻尼线、圣诞树阻尼线等。这些防振装置的基本原理都是改变输电线的振动模式,通过自身的振动消耗系统的振动能量,从而降低输电的微风振动水平。我国大跨越输电线防振方案以贝特阻尼线+防振锤联合防振方案为主,具有良好的消振效果和丰富的运行经验,对保证大跨越输电线的安全稳定运行发挥了重要的作用。

总体而言,我国架空输电线路的输电线微风振动问题已经基本实现可控、在控,但是由于地区的差异,在持续稳定风区,输电线的微风振动仍然不容忽视。应采取差异化的设计方法,适当降低输电线的平均运行张力,并安装以阻尼线为主的防振方案,合理选择防振锤,必要时进行防振效果验证试验,将输电线的微风振动强度控制在允许范围内。

关键词: 输电线
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不容忽视的架空输电线微风振动

作者:刘胜春  发布时间:2019-03-26   来源:中国电科院

微风振动是最常见的架空输电线路振动形式,如果引起防振装置失效,易导致导线断股甚至断线,造成损失。中国电科院全面梳理了微风振动的研究历史和现状,并提出相关建议,为线路设计和运行部门提供参考。

我国幅员辽阔,不同地区的地理条件和气象特征差异性大。架空输电线路点多、面广、线长,110千伏及以上电压等级输电线路总长度已超过100万千米。

架空输电线路在运行中不可避免经受风的作用,导线和地线(以下简称输电线)会诱发风致振动。微风振动是最常见的振动形式,大部分线路的微风振动防治都通过安装防振装置得以控制。但近年来有多条架空输电线路因微风振动引起防振装置失效,导致导线断股甚至断线,造成重大损失。我国新疆、内蒙古等地区风速持久均匀,输电线微风振动强度大,必须引起足够的重视。中国电科院全面梳理了微风振动的历史和现状,提出相关建议,为线路设计和运行部门提供科学参考。

输电线微风振动是如何形成的,有什么特点?

层流风吹过圆柱体后会在尾流中形成一个规则的旋涡流型,漩涡在圆柱体的两侧交替脱落,对圆柱体产生一个垂直于风向的交替作用的周期力。美国航天工程学家冯·卡门最早系统阐述了这种现象,所以这种涡道被称为“卡门涡街”。

架空输电线路的输电线悬挂在杆塔上,承受一定张力,具有多个自振频率。输电线横截面为圆形,水平方向层流风吹过输电线后,背风侧的卡门涡街对输电线产生一个竖向交变力。当交变力的频率与输电线的自振频率一致时,便引起输电线垂直方向的振动。引起这种振动的风速通常在0。5米/秒至10米/秒范围内,因此,这种竖向的振动称为“微风振动”。

输电线微风振动具有频率高、振幅小、持续时间长的特点,常见频率范围为3赫兹至120赫兹,振幅通常不超过输电线的直径。输电线微风振动具有锁定效应,当输电线以旋涡脱落频率或相近频率振动时,会对尾流产生很强的整流作用,以至旋涡脱落频率与输电线的振动频率趋于一致。当风速在一定范围内变化时,输电线与漩涡的频率均保持不变,很明显地反映出同步效应。所以,输电线一旦发生微风振动,在风速变化的一定范围内,同步效应将使振动持续下去。因此,如果微风振动持续时间长,可以认为输电线的微风振动时刻发生。

输电线的微风振动是一种复杂的流固耦合现象,从本质上讲属于强迫振动。卡门涡街是诱发输电线振动的原因,同步效应使得振动得以维持,自限作用的存在限制了微风振动的振幅。

输电线微风振动有哪些危害?

微风振动容易引起输电线疲劳断股或金具损坏,严重威胁着输电线路的安全。20世纪50年代末期,我国开始注意到架空输电线的微风振动问题。1962年,当时的水利电力部电力建设研究所(现中国电力科学研究院)组织有关部门对我国19133千米架空输电线的微风振动情况进行了调查,包括数百回线路及大跨越线路运行情况,结果发现普遍存在着断股现象。例如,某线路输电线采用钢芯铝绞线,平均运行张力为输电线额定拉断力的25%,因未安装防振锤,当线路运行2年后检查1098个线夹,发现断股322处,占比为29.3%。根据调查结果,技术人员对振动严重的线路加强了防振措施,同时开展了试验研究工作,取得了一定成效。

自然界的风每时每刻都存在,因此输电线的微风振动也是长期存在的。输电线长期振动所产生的累积效应会导致输电线疲劳断股、金具磨损、绝缘子受损、杆塔构件损坏等,因此在运行中应高度重视输电线的微风振动问题。

因微风振动引起的输电线路导地线断股是线路安全运行的严重隐患。输电线路一旦发生断股、断线,将给电网安全运行带来巨大威胁,停电和换线损失巨大,因此必须对输电线路微风振动的防治给予足够的重视。

微风振动引起的输电线疲劳断股等故障是长期累积作用的效果。一般情况下,输电线的微风振动难以用肉眼直接观察到。一旦发生防振装置损坏或脱落,输电线的疲劳断股现象就已经比较严重。输电线由多根单线绞制而成,其中一根或多根单线断股后,应力会转移其他单线上,会加剧发生疲劳破坏。因此,输电线出现疲劳断股后,应立即采取补救措施,改进防振装置,防止故障进一步扩大。

输电线微风振动的防治措施及建议

在输电线上安装防振装置是抑制微风振动的基本措施,常见的防振装置有防振锤、阻尼线等,通过防振装置耗能来降低输电线路的振动强度。

1925年,美国工程师斯托克布里奇最早提出了防振锤的设想,并申请了专利。斯托克布里奇防振锤由线夹、钢绞线和锤头三部分组成,在后来的发展中,锤头和线夹出现了新的结构型式,但原理没有变化。防振锤通过线夹安装在输电线上,输电线微风振动时,防振锤随之振动,钢绞线发生弯曲变形,通过其钢绞线的股间磨擦,把振动输电线的动能变为热能消耗掉。其耗能的大小与线夹振动速度有关,速度越大,耗能越多。防振锤的应用,有效抑制了输电线微风振动,基本解决了微风振动引起的疲劳断股问题,是输电线防振的基本手段。

超高压输电线路导线均采用分裂型式,并安装阻尼间隔棒,由于阻尼间隔棒对子导线的微风振动具有牵制作用,因此,多分裂导线的微风振动强度低于同条件下的单导线。对于四分裂导线,当安装阻尼间隔棒且导线平均运行张力不大于导线额定拉断力的25%时,500米及以下档距可不安装防振锤。

大跨越线路具有挂点高、档距大、所处地形开阔的特点,水面上空容易形成层流风,引起输电线激振的风速范围广。因此,输电线吸收风能较普通线路大得多,其微风振动强度也远远高于普通线路,且输电线几乎每时每刻都在振动,若防振措施不当,则极易发生由于输电线动弯应变过大而导致的疲劳断股、甚至断线等事故。

大跨越输电线的防振方案通常采用阻尼线型式。阻尼线通常为钢芯铝绞线,通过线夹与输电线固定;输电线振动时,阻尼线随之振动,从而实现耗能减振的作用。

1930年,澳大利亚工程师贝特发明了最早的阻尼线。此后由此演变而来的防振装置有贝特阻尼线+防振锤、交叉阻尼线、圣诞树阻尼线等。这些防振装置的基本原理都是改变输电线的振动模式,通过自身的振动消耗系统的振动能量,从而降低输电的微风振动水平。我国大跨越输电线防振方案以贝特阻尼线+防振锤联合防振方案为主,具有良好的消振效果和丰富的运行经验,对保证大跨越输电线的安全稳定运行发挥了重要的作用。

总体而言,我国架空输电线路的输电线微风振动问题已经基本实现可控、在控,但是由于地区的差异,在持续稳定风区,输电线的微风振动仍然不容忽视。应采取差异化的设计方法,适当降低输电线的平均运行张力,并安装以阻尼线为主的防振方案,合理选择防振锤,必要时进行防振效果验证试验,将输电线的微风振动强度控制在允许范围内。

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