1、输配电线路设计输配电线路设计 刘增良 杨泽江 主编第第9 9章章 导线和避雷线的振动和防振导线和避雷线的振动和防振9.1 9.1 导线和避雷线振动的类型和特点导线和避雷线振动的类型和特点 根据频率和振幅的不同,导线的振动主要可分为以下3种:高频微幅的微风振动高频微幅的微风振动、中频中幅的次挡距振中频中幅的次挡距振动动和和低频大振幅的舞动。低频大振幅的舞动。此外还包括脱冰跳跃，横向碰击，短路振荡和湍流振动等 导线受到微风(13 级)吹拂时,将产生周期性振动,称为微风振动.其特点是振幅小,一般不超过10 mm;频率高,通常为5100 Hz;振型为正弦拍频波;振动机率很大,一般认为导线一直处于微风振
2、动状态。线路所处地形及挡距大小与微风振动关系较大。大挡距跨河(海)线路(通常称为大跨越导线)振动较剧烈。这主要是由于水面开阔、平坦,微风通过时几乎不受任何阻挡,给水面上的架空输电线路以最大的微风振动能量,使导线受到严重的微风振动危害。特别是导线上线夹出口处,由于长期处于曲折状态,若不采取任何防振措施,线股上将产生很大的动弯应变,长期如此将导致疲劳断股,影响线路安全。9.1.1 9.1.1 微风振动微风振动9.1.2 9.1.2 舞动舞动 舞动是一种由导线上的非对称覆冰引起的低频率(01 Hz)、大振幅(几m 至十几m,约为导线直径的5一300倍)的振动现象。舞动多在导线覆冰厚度3 mm 以上、
3、气温0 C 左右发生。此时,如遇上616 m/s 的风力(47 级风),极易发生舞动（由于其形态上下翻飞，形如龙舞，故称舞动）。引起舞动的因素大致引起舞动的因素大致有三个方面，即线路的走向、地形与地势，当地的气有三个方面，即线路的走向、地形与地势，当地的气象条件（不均匀覆冰），线路的结构。象条件（不均匀覆冰），线路的结构。舞动最容易发生在弧垂较低的部位。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。我国发生舞动最多的是沈阳、鞍山、丹东、盘锦、沈阳、鞍山、丹东、盘锦、锦州锦州一带。其次是湖北省的荆州、武汉、宜昌、荆门湖北省的荆州、武汉、宜昌、荆门地区。这是因为每年的冬季及初
4、春季节，我国西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流在我国东北部、中部的偏沿海地区相汇，这些地区极易形成冻雨或凇雨地带使导线覆冰，并且由于风力较强，满足了输电线路起舞的基本要素而诱发舞动。分裂导线比单导线容易舞动。分裂导线比单导线容易舞动。单导线覆冰时,由于扭转刚度小,在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转,使覆冰接近圆形;而分裂导线覆冰时,由于间隔棒的作用,每根子导线的相对扭转刚度比单导线大得多,在偏心覆冰作用下,导线的扭转极其微小,不能阻止导线覆冰的不对称性,导线覆冰易形成翼形断面。9.1.3 9.1.3 次挡距振荡次挡距振荡 次挡距振荡就是指发生在分列导线相邻两间隔棒之间的挡距中的一种振荡
5、。次挡距振荡在线路中较少出现，通常在风速为 5 15 m/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，常常是各导线不同期的摆动、周现性的分开和聚拢，导线在空间的运动轨迹呈现椭圆形状。次挡距振动造成分裂导线相互撞击,损伤导线和间隔棒。容易产生次挡距振荡的条件如下：容易产生次挡距振荡的条件如下：1.1.分裂导线的间距与导线直径比值分裂导线的间距与导线直径比值2.2.线路的地理条件线路的地理条件3.3.次挡距大小次挡距大小 要求导线间距与导线直径比值在 15-18 之间 防止措施：防止措施：双分裂导线采用垂直布置,或采用消振作用
6、的阻尼间隔棒，以及增大子导线之间的间距等9.1.4 9.1.4 电晕舞动电晕舞动 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，电晕舞动可导致导线、绝缘子和金具等的损伤，同时又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或分裂导线。9.1.5 9.1.5 横向碰击横向碰击 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。横向碰击易发生在山谷或水坝口等风力集中的地方。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。9.1
7、.6 9.1.6 短路振荡短路振荡 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，使每个次挡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。9.1.7 9.1.7 湍流振动湍流振动 导线在强风作用下也会发生振动。在 10m/s风速时，20Hz 左右，振幅与微风振动的振幅相差不大。湍流振动的波形，一般是在低频振动中寄生着高频振动波。9.29.2振动的基本理论振动的基本理论9.2.1 9.2.1 导线的振动导线的振动 当电线受到稳定的横向风均匀作用时，在电线被风面将形成按一定频率上
8、下交替出现的气流旋涡，它的依次出现和脱离使电线受到同一频率的上下交变的冲击力。该冲击力的频率fF与风速和电线直径有关，根据试验可按下式计算:9.2.1.19.2.1.1振动的起因振动的起因 导线的振动频率与风速成正比，与导线的直径成反比，风速越快，振动的频率就越高，导线越细，振动的几率就越大。以输电线路常用的LGJ一185mm2钢芯铝绞线为例，在常见风速(25级，风速为16 107 ms)时，其振动频率将在30110 Hz范围内，因此，导线受风力吹动时，振动频率在100 Hz左右是经常出现的自然现象。导线振动的波形为驻波，即波节不变，波腹上下交替变化，而且一年中导线振动的什么频率振动，线夹出口
9、处总是一波节点，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.9.2.1.2 9.2.1.2 导线的振动特性和影响因素导线的振动特性和影响因素1 1 导线振动的特性导线振动的特性 导线的受风力吹动产生的振动按下式的规律变化：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.最大振动角最大振动角导线的允许振动角导线的允许振动角 导线固有自振频率fD和导线应力有关，随着应力的变化，导线有不同的固有自振频率。而气流旋涡的交替变化频率介与风速v有关。当气流旋涡的交
10、替变化频率介与导线某一固有自振频率相等时，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，同时导线应力也有所变化，导线固有自振频率也随之变化，有可能在另一频率。2.2.影响振动的因素影响振动的因素 影响振动的因素主要有：风速、风向、挡距、悬风速、风向、挡距、悬点高度、导线应力以及地形、地物等。点高度、导线应力以及地形、地物等。1 1）风的影响：）风的影响：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。如果挡距增大，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
11、线振动的风速范围 风向和线路方向成4545-90-90夹角时，导线产生稳定振动。（2 2）导线的直径和挡距的影响）导线的直径和挡距的影响挡距越大、导线直径越小，挡中形成完整半波数的机会越多，也就是导线产生共振的机会越多，导线振动程度也越严重。（3 3）应力对振动的影响）应力对振动的影响 静态应力越大，加重振动烈度。为此，在线路设计考虑防振问题时，选择代表性的气象条件，即年平均气温气象条件，并规定这个气象条件下导线的实际应力不得超过某一规定值，即年平均运行应力。9.3 9.3 导线的防振动和防舞动导线的防振动和防舞动导线振动和舞动是威胁输电线路安全运行的重要因素。振动和舞动产生的危害是多方面的,
12、诸如:跳闸、导线电弧烧伤、金具损坏、导线断股、断线、倒塔等。振动和舞动会造成重大的经济损失和社会影响。近年来我国架空输电线路发生舞动状况：近年来我国架空输电线路发生舞动状况：湖北湖北:2003 年2 月10 日及3 月5 日,500 kV 龙斗、斗双等输电线路发生了2 次强烈的舞动,舞动最大振幅超过7 m,最长持续时间约10 h。舞动造成金具(包括铁塔螺栓)严重磨损、断裂、脱落,绝缘子钢脚断裂,导线断股、脱落,导线对地线放电、线路跳闸,送电被迫中断。2001 年元月2325 日,500 kV 葛凤输电线路荆门-潜江段发生了大面积、长时间(持续46 h)、强烈的舞动,舞动幅度达10 m,致使多基
13、耐张塔螺栓松动、塔材脱落,跳线磨损、金具损坏,随时有倒塔的危险,葛凤线被迫中断送电,进行抢修。河南河南:2000 年12 月1 日及2001 年1 月11 日,河南电网多条220 kV 线路发生了导线舞动,造成金具损坏、线路跳闸、大面积停电等恶性事故。2003 年2 月910 日,河南电网13 个地市的线路遭受了导线舞动的侵害,舞动振幅达56 m,造成豫南、豫东地区17 条220 kV 线路、15 条110 kV线路、198 条10 kV 线路跳闸,损失负荷265 MW,损失电量178.5 万kWh。2008年1月11日至13日，河南500千伏姚邵线导线发生强烈舞动，持续60小时，倒塔5基。辽
14、宁辽宁:1999 年11 月24 日,辽宁电网发生大面积舞动,集中在两锦地区,舞动线路达30 多条,造成66kV 线路发生断线和混线,并引起跳闸;500 kV 董王线部分球头断裂、断线、倒塔,送电被迫中断。2004 年2 月2122 日,雨转雪同时伴有大风,气温骤降,导致输电线路覆冰、导线严重舞动,线路跳闸。辽宁省的沈阳、大连、辽阳、营口、抚顺、鞍山、盘锦7 个城市相继出现了不同程度的停电事故。其中沈阳、大连2 个城市较为严重,大连市线路跳闸140 条次,一个耐张档内连续6 基杆塔倒塌,30 座66 kV 变电所停电。沈阳11 条66 kV 线路多次跳闸,9 座66 kV 变电所停电,当天16
15、40 左右,桃仙国际机场停电,这是沈阳桃仙国际机场遭遇开航以来最长时间的一次停电,导致多次航班被迫取消,机场被迫关闭30 h。2010.1.20日山东电网500千伏黄滨（黄骅滨州）I线故障跳闸，500千伏益川（淄川益都）I、II线故障跳闸。短短3个小时内，山东电网12条500千伏线路跳闸33次。9.3.1 9.3.1 防振措施防振措施防振措施可从以下两方面着手：(1)设法防止和减弱振动；(2）提高设备的耐振性能(1)(1)设法防止和减弱振动的方法有：设法防止和减弱振动的方法有：1 1）设法消除引起导线振动的条件。如线路路径避开易振区；年平均运行应力降低到不易发生振动的程度等。2 2）利用线路设
16、备本身的阻尼作用，以减小导线的振动。如采用柔性横担、偏心导线、防振线夹等。3 3）在导线上加装防振锤和阻尼线以吸收或减弱振动能量，消除导线振动对线路的危害。1 1）在线夹处导线加装护线条或打背线，以增加线夹出口附近导线的刚性，减少弯曲应力及挤应力和磨损，同时也能对导线振动起一定阻尼作用2 2）改善线夹的耐振性能(2(2）提高设备的耐振性能）提高设备的耐振性能2.2.防振装置的安装防振装置的安装 我国常用的防振装置有FDFD、FGFG哑铃型防振锤、哑铃型防振锤、FHFH环环式扭矩型防振锤式扭矩型防振锤和经过改进的新新FRFR音叉音叉(锤头形状锤头形状)型型防振锤防振锤和护线条护线条以及防振线阻尼
17、间隔棒防振线阻尼间隔棒等FHFH环式扭矩型防振锤环式扭矩型防振锤FDFD、FGFG哑铃型防振锤哑铃型防振锤FRFR音叉型防振锤音叉型防振锤 大多数防振器的消振原理是将振动能量吸收转化为热振动能量吸收转化为热能或声能而散发掉能或声能而散发掉，从而降低了导线的振幅，或是将大或是将大部分振动行波反射回到档距中及限制那些严重的振动传部分振动行波反射回到档距中及限制那些严重的振动传给不耐振的悬挂点给不耐振的悬挂点。另外，绝缘子串、金具及杆塔等也对振动有一定的阻尼作用。分裂导线通过间隔棒把子导线联系在一起，使各子导线互相牵扯，从而破坏和抑制了分裂线持续稳定振动的形成，起到干扰和阻尼的作用。防振锤的安装防振
18、锤的安装 在选择防振锤型号时，首先防振锤的固有自振频率应与导线可能发生的振动频率范围相适应；其次防振锤的重量要适当，另外，还应与导线型号相配合。防振锤的选择按表9-4选择 防振锤安装位置的确定原则是：在最大波长和最小波长情况下，防振锤的安装位置在线夹出口处第一个半波范围内，并对这两种波长的波节点或波腹点具有相同的接近程度，即在这两种情况下防振锤安装点的“相角”的正弦绝对值相等。即 nmsinsin防振锤的安装距离防振锤的安装距离 防振锤的安装距离（对悬垂线夹来说，是指自线夹出口至防振锤夹板中心间的距离；对耐张线夹来说，当采用一般轻型螺栓式或压接式耐张线夹时，也指自线夹出口至防振锤夹板中心间的距
19、离）实际工程中，安装一个防振锤不足以抑制风力，这就需要安装多个防振锤 阻尼线是一种结构简单但理论计算及其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线与架空线的连接点，发生反复折射，使挡内的稳定振动遭到破坏，振动能量逐渐消耗掉。阻尼线取材方便、重力小、频率特性宽。通过实验证实，低频率振动时，防振效果较好，高频率振动时，阻尼线消振效果较好。3.3.阻尼线的安装阻尼线的安装 导线直径小，悬挂点高，导线的振动频率高；所以，阻尼线较适合于小截面导线的防振。阻尼线通常于防振锤配合，用于输电线路大跨越。阻
20、尼线的扎固点应考虑导线发生最大和最小振动波长时均能起到消振作用。当扎固点位于波腹点或两个相邻绑扎点的相对变位最大时消振性能最好。例题例题9-1 9-1 某架空输电线路中，有一耐张段各挡挡距分别为200、360、273米，导线为LGJ-95/20型，导线直径为13.87mm,自重比载g1=35.187N10-3/(m mm2)，代表挡距l=300m,已知导线最高气温时应力为68.55N/mm2，最低气温时应力为99.45N/mm 2 试选防振锤的型号，安装距离并统计该耐张段所需防振锤的个数。解：由表9-49-4，选用FD-2型防振锤。由表9-29-2，选振动风速，vm=5m/s,vn=0.5m/
21、s.最大振动半波长:最小振动半波长:安装距离安装距离 由表由表9-59-5，该耐张段所需防振锤的个数，该耐张段所需防振锤的个数9.3.29.3.2导线防舞导线防舞 根据不同的线路防舞途径,可将线路防舞措施归纳为避舞、抗舞和抑舞避舞、抗舞和抑舞3 种。一般应优先采用避舞、抗舞措施,无法实施或效果不佳时可采用抑舞措施.避舞措施通过调查研究地形、地貌和气象条件,以选择适当的线路路径、走向来避舞防舞。舞动易发生在导线易覆冰、风大而平稳的气象区域,在选择线路路径时,应考虑尽可能避开雨淞、湿雪频繁、冬季多风以及宽阔江河、峡谷、迎风山坡和山脊等地形易舞动地区。此外,在选择线路走向时,应尽量使之平行于冬季主导
22、风向。避舞措施避舞措施（1）尽可能避开或少穿雨淞或冻雨地带。（2）尽可能避开电线易覆冰、冬季多风且风向与 线路交角接近正交的开阔江河、峡谷、迎风山坡和山脊等易舞动地段。（3）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度为好，夹角越小越不利于舞动的形成。抗舞措施是在不破坏舞动条件前提下,通过提高线路的电气和机械强度来抵抗导线舞动,使线路设备能在导线舞动时不被破坏并保持安全运行。可分别从以下两个方面进行。抗舞措施抗舞措施（1 1）提高杆塔机械强度）提高杆塔机械强度 对铁塔螺栓进行紧固，加装防松螺栓，防止倒塔断线事故；同时考虑由于加装防舞设施，使导线自重增加5对铁塔垂直
23、荷载的影响以及导线弧垂增大对塔高的影响，提高铁塔强度。（2 2）提高绝缘子串安全系数）提高绝缘子串安全系数 线路舞动时将产生巨大的动态荷载，绝缘子串首当其 冲，从各地发生的舞动事故来看，绝缘子串(包括金具)舞动损坏是较为普遍的现象。因此，为增加线路的抗舞性能，绝缘子串应予加强。新建线路可根据工程实际情况在易舞动区域绝缘子串的安全系数适当增加。对绝缘子而言，增大绝缘子串的质量(加重锤)有助于降低应张力变化引起的振幅。同时采用v型绝缘子串可抑制振动，可提高抗舞性能。抑舞措施是在舞动严重的线路上加装防舞装置,以破坏舞动形成的条件,抑制舞动的幅度,消除舞动可能造成的危害,保证线路安全运行。抑舞措施抑舞
24、措施（1）通过改变导线特性来抑制舞动，多数防舞器属于此类，包括失谐摆、抑制扭振型防舞器、双摆失谐摆、抑制扭振型防舞器、双摆防舞器、整体式偏心重锤等防舞器、整体式偏心重锤等；（2）通过提高导线系统的自阻尼来抑制舞动，如由加拿大A.T.Edwardi(爱德华滋)设计的终端阻尼器终端阻尼器；（3）通过提高风动阻力来达到抑制舞动，如由A.S.Richardson(理查德逊)研制的空气动力阻尼器空气动力阻尼器；（4）通过扰乱沿档气流来达到抑制舞动，如扰流防扰流防舞器；舞器；（5）提高导线的运行张力和缩短档距也可达到一定的抑制舞动的效果。（6）其它防舞装置及措施，如阻尼型防舞器、相间阻尼型防舞器、相间间隔
25、棒防舞间隔棒防舞等序号序号防舞器防舞器主要特点主要特点1双摆防舞器适用于分裂导线，安装方便，防舞效果较好。2相间间隔棒存在老化、放电、弯曲等问题，可应用于220kV以下电压等级的输电线路，紧凑型线路可采用，防舞效果较好。3扰流防舞器（防舞鞭）主要用于覆冰较薄的地区，单导线上应用多于分裂导线。4阻尼器、减振器对低频舞动较有效。5偏心重锤适用于分裂导线，应注意对微风振动的影响，防舞效果较好。序号序号防舞器防舞器主要特点主要特点6失谐摆单导线上应用有效，分裂导线上的应用有待研究。7压重防舞器（集中防振锤）应注意对导线弧垂、微风振动等的影响。8动力减振器国外应用较多。9线夹回转式间隔棒 防舞效果良好，对线路不会产生负面影响。10线夹回转式间隔棒双摆防舞器防舞效果好，需与线夹回转式间隔棒结合使用。
