输电线路作为重要生命线工程的电力设施, 通常情况下, 输电线、杆塔体系具有杆塔体高、跨距大、柔性强等共同特点, 其对风荷载的反应敏感, 容易发生振动疲劳损伤和极端条件下的动态倒塌破坏。据统计, 在各类杆塔倒塌、导线断股等严重事故中, 由风引起的比例约占30%。由风荷载引起的输电线路杆塔的破坏不仅严重地影响人们的生产、生活, 给社会和人民生命财产造成严重的后果, 并且需要花费大量的资金和时间修复。
风对线路的危害, 除了大风引起倒杆、歪杆、断线等造成架空电力线路停电事故外, 还会因风在较低风速或中等风速情况下引起导线和避雷线振动, 发生跳跃, 造成碰线、混线闪络事故, 严重时会因导线振动造成断线、倒杆、断杆事故。工程实际中, 由风所引起并造成输电线路的故障的类型主要有:微风振动、舞动、风偏故障、大风故障、次档距振荡和杆塔结构疲劳及破坏等。
微风振动是在风速不大的情况下产生的垂直平面内的高频低辐的振动现象。当架空导线受到风速为0.5~8m/s稳定的横向均匀风力作用时, 在导线的背面将产生上下交替变化的气流旋涡 (又称卡门旋涡) , 该涡流的依次出现和脱离使导线在垂直平面内引起激烈振动。当这个交变的激励频率与导线的固有频率相等时, 导线将在垂直平面上发生谐振, 形成有规律的一上一下波浪状的往复运动, 即微风振动[2~5]。
微风振动是一种高频 (f=5Hz~100Hz) 低幅 (A≤导线直径, 有时只有10mm左右) 呈驻波型式的振动。微风振动的能量及振幅虽然都不大, 但是发生振动的时间却很长, 约占全年时间的30%~50%。悬垂线夹处的导线长期处于这种反复波折的状态, 容易引起导线的耐受疲劳强度降低, 导致断线, 金具磨损和杆塔部件损坏等。其所引起的线路疲劳断股等事故, 需要有一个累积时间和过程。一般发现危害是在产生疲劳断股或防振器毁坏脱落之后, 而这时线路危害较重。同时微风振动产生的破坏有一定的隐蔽性。疲劳断股有时会从导、地线内层开始, 从导线外部发现不了, 这给巡线工作造成假象。
舞动是指由水平方向的风对非对称截面线条所产生的升力而引起的一种低频 (频率约在0.1Hz~3Hz) 、大振幅 (振幅约为导线直径的5~300倍, 可达10m) 的自激振动。由于导线上的非回转对称的翼状覆冰和不同期脱冰而导致的避雷线的空气动力特性发生变化而引起的低频、高振幅的振动现象也可归结到舞动范围内[2~3]。
舞动的形成一般在气温t=0~-7℃, 风速v=5~15m/s, 冬季及早春, 地处风口地段或者开阔的平原, 风向与线路轴向的夹角为45°~90°, 海拔较低, 气压较高的区域。气压较高的区域, 由于导线在大气中的比重相对较高, 从而使得风易推动导线上下运动, 为舞动创造条件。舞动与电压等级关系不大, 各种电压等级的线路上均发生过舞动。其引起跳闸的次数较多, 与覆冰厚度没有显著的相关性, 与地形、档距、导线直径及导线张力之间有一定的关系。
舞动使杆塔产生很大的动荷载, 危及杆塔及导线的安全。舞动严重时, 塔身摇晃、耐张塔横担顺线摆动、扭曲变形、近塔身处联结螺栓会松动、损坏、脱落等。舞动可使导线相间距离缩短或碰撞而产生闪络烧伤导线, 并引起跳闸。舞动会使金具及部件受损, 如间隔棒握线夹头部松动或折断, 造成间隔棒掉落;悬垂线夹船体移动, 联结螺栓松动、损坏、脱落, 防振金具钢线疲劳、锤头掉落等。
风偏是指输电线受风力的作用偏离其垂直位置的现象。其容易造成运行线路导线相间放电, 导线对杆塔 (塔身、横担) 、边坡、树木、凸出的岩石或其它物体放电, 进而导致的线路跳闸的故障。一旦发生风偏跳闸, 其重合成功率较低, 造成线路停运的几率比较大。
风偏故障产生的原因主要有两个方面的原因: (1) 恶劣的气象条件是造成风偏闪络事故的诱因, 即发生风偏闪络的本质原因。当输电线路处于强风等恶劣环境下, 此时强风使得绝缘子串向杆塔方向倾斜, 减小了导线与杆塔间的空气间隙距离, 有时导线-杆塔空气间隙之间存在异物 (雨滴、冰雹、沙尘等) 降低了空气间隙的电气强度, 当该距离不能满足绝缘强度要求时便发生放电。 (2) 设计参数选择不当是造成风偏事故的根源。线路防风偏设计的主要参数是风偏角, 合理选择风偏角设计参数是保证输电线路最小空气间隙满足规程要求的前提, 在易于产生强风的某些微地形区设计参数选择不当, 一旦形成某些强对流天气, 就会发生风偏故障。
大风故障, 即大风影响输电线路的正常安全运行。通常由大风造成的故障有两类: (1) 风力超过杆塔的机械强度而发生的杆塔倾斜或歪倒所引起的事故。 (2) 风力过大使导线承受过大风压, 产生导线摆动以及在空气紊流作用下导致的导线不同期摆动, 从而引起导线之间相互碰撞而造成相间短路、闪络放电以至引起停电事故。
产生大风故障的原因主要有: (1) 设计方面。基准设计风速考虑不太合理, 设计裕度不足, 设计风荷载时未考虑阵风的动力效应等。 (2) 施工方面。遗留的缺陷未及时处理:如基础未夯实, 拉线夹角不符合要求等。 (3) 客观因素。客观气象恶劣, 风速超过了设计值。 (4) 运行维护方面。线路缺陷未及时发现或处理等。如塔材被盗未及时发现基础埋深不足, 卡盘外露等。
次档距振荡是在采用相分裂导线的线路, 在较大风 (风速v=7~20m/s) 的情况下发生的两间隔棒间线段的振荡现象[6]。当风横向吹向分裂导线时, 气流速度在迎风侧那根子导线的背向涡流区要降低, 形成一定的尾流区域, 分裂导线中一根或多根子导线就不可避免地处在迎风侧子导线形成的尾流中, 尾流中的子导线上下方气流速度会不一样, 按流体动力学原理则将产生升力和阻力, 阻力使该子导线作近于水平向的摆动, 升力则使该子导线作垂直面上下振动, 两者叠加成椭圆形的振荡, 这就是分裂导线的次档距振荡, 从而发生在交变的风力作用下的低频大振幅振动。
次档距振荡振幅、频率介于微风振动和舞动之间, 一般发生在水平面上, 呈椭圆形轨迹。次档距振荡会造成同相子导线互相碰撞和鞭击, 使导线碰伤, 进而造成阻尼性能差的间隔棒松动、脱离或破断, 以至需要更换造价昂贵的导线和金具。甚至造成导线断股、短路等恶性事故, 严重威胁架空导线及金具的运行寿命。
在风的长期作用下, 输电杆塔会产生振动, 长期的风致振动引起杆塔结构疲劳, 最终导致杆塔结构破坏, 引发倒塔事故。同时, 恶劣气候或者极端天气会造成输电杆塔结构和构件的内力超过许用值, 引起材料屈服, 最终引发倒塔事故。
针对我国近些年来高压输电线路频发的事故, 国内的研究者做过很多研究。从目前的研究结果来看, 我国近些年风致事故的主要原因有: (1) 客观上讲, 全球气候变化是一个主要原因。由于人类的不合理开发和利用自然资源, 使得全球的气候发生了变化, 灾害性以及极端天气呈现出越来越频繁的趋势。 (2) 输电塔-线体系是一种十分复杂的空间耦联体系, 这种耦合效应使得输电塔的动力特性和风振响应的评估十分困难、复杂, 而我国架空送电线路杆塔结构设计技术规定[7]把输电杆塔和输电线分开考虑进行计算, 输电塔的设计仅把输电线作为荷载考虑, 没有考虑到塔线耦合的相互影响[1]。而输电塔-线耦联体系的风振实际测试数据以及试验数据的相对缺乏, 使其抗风研究尚处于初期, 无论是灾害荷载的作用机理, 还是结构体系分析方法、结构设计理论、动力学控制等均存在很多缺陷。 (3) 高压输电杆塔抗风设计标准相对国外设计标准较低。我国对大跨越输电杆塔抗风设计的重现期为50年一遇的大风, 而对于普通的高压输电杆塔采用的是30年作为重现周期。而在国际通用线路设计标准IEC 60826中, 对于设计风速的重现周期最小都是50年, 美国输电线路结构荷载导则 (1991, ASCE) 对大风设计风速的重现期分别取50, 100, 200, 400年一遇。
对于微风振动, 目前工程上常用的措施主要有: (1) 利用线路上各组成部件本身特性或选用适宜的设计参数, 达到减弱或消除导线的微风振动。 (2) 在导线上安装有效的消振装置 (防振锤、阻尼线等) , 振动时, 导线带动消振装置一起振动, 导线的振动能量被消振装置吸收, 降低了导线的振动强度, 从而起到对导线的保护作用。 (3) 在导线上安装有效的保护措施 (护线条、防振线夹等) , 以保证线路在发生微风振动时不至于引起导线的损伤。
对于舞动, 目前工程上根据其形成的因素:覆冰及其截面形状、风速及其风向、导线系统自身参数, 着手于与此相应的防舞动措施。从气象条件考虑, 避开易于形成覆冰的区域与线路走向;从机械与电气的角度, 提高线路系统的抵抗舞动的能力;目前的防舞措施主要遵循“避舞”、“抗舞”、“抑舞”的原则。避舞, 即在规划、勘测、设计阶段就要充分考虑防舞要求, 预先排除舞动发生的外因, 灵活机动地采取避舞措施。具体做法如:认真调查气象资料, 合理划分舞动区, 合理选择路径和走向, 在易覆冰区采取必要的防冰措施。抗舞, 即在线路设计和运行时, 采取不要的措施来阻抗舞动的产生, 减少舞动造成的伤害。具体做法如:合理确定导线在塔头上布置设计;在强舞动区合理选择导线和金具;强舞动区内普通档距的线路可采用双联双线夹以增加线夹出口处导线抗弯强度等。抑舞, 即在线路设计运行时, 采取必要的措施来抑制舞动的产生。具体做法如下:在线路上安装相间间隔棒或防舞器 (如失谐摆、抑制扭振型防舞器、双摆防舞器、整体式偏心重锤等) , 通过改变导线特性起到抑舞的作用;通过各种防覆冰措施来达到抑制舞动的目的;提高导线的运行张力和缩短档距也能收到抑制舞动的效果。
对于风偏故障, 目前工程上常用的措施有: (1) 优化设计参数, 提高安全裕度。在设计阶段高度重视微地形气象资料的收集和区域划分, 根据实际的微地形条件合理提高局部风偏设计。对恶劣气象频现的事故多发地区的线路适当增加空气间隙裕度, 以减小线路投运后遇恶劣天气时出现跳闸的可能性。对现有风偏角计算模型进行修正, 考虑风向与水平面不平行与导线摆动时张力变化对风偏角及最小空气间隙距离的影响。 (2) 采取针对性防风偏闪络的措施。运行中, 对发生故障的耐张塔跳线串的外角跳线加装跳线绝缘子和重锤;对发生故障的直线塔的绝缘子串加装重锤。单串若加重锤达不到要求, 可将其改为双串倒V型, 以便加装双倍重锤。安装重锤时应尽量避免在悬垂线夹附近安装。
对于大风故障, 目前工程上常用的措施有: (1) 设计上:提高杆塔设计的安全系数, 增强杆塔, 导线等抗风性能。 (2) 运行维护方面:风季应加强巡查, 及时处理线路自身缺陷。特殊地段 (如风口、山顶、大档距、大高差、河水冲刷等地区) 的杆塔进行防风强化处理:如加拉线、加固基础等。 (3) 严格竣工验收, 对施工遗留的缺陷必须及时处理。
对于次档距振荡, 相对来说, 国内对次档距振荡的研究深度不够, 理论研究也在逐渐完善中, 对如何进一步有效的阻止次档距震荡的发生仍有很多不足。目前我国分裂导线次档距振荡防御主要根据国内外导线舞动的基本原理进行控制[6], 工程上一般采取增大分裂导线的间隔距离, 缩短导线次档距长度, 采用不同的导线排列方式, 以及采用柔性间隔棒等控制措施。
根据目前的输电线路运行和管理经验, 对风致输电杆塔倒塌灾害进行了分析和总结, 提出以下参考对策。 (1) 建立相应比较完善的风事故预警体系、应急机制以及故障后快速恢复机制, 加强输电线路风的危险性分析。在已有的灾害性风事故的工程数据和研究的基础上进行全面的分析和风险评估, 尤其是对台风、飑线风等极端强风灾害可能造成的输电线路大面积瘫痪的分析和评估[4]。 (2) 积极开展输电线路的抗风研究, 通过对输电塔-线耦联体系现场测试以及风洞试验的相关研究, 深入了解输电线路抗风特性, 以计算机辅助模拟, 现场风振实测和风洞试验的数据研究为基础, 进行输电杆塔抗风的合理化设计方法研究。 (3) 研究杆塔抗风的新技术, 推广使用先进可靠的杆塔抗风的新装备来提高输电线路的风灾防御能力。同时, 加强相关科研投入力度, 与气象部门充分合作, 做好输电线路在风灾发生前的预警工作, 发生后的快速恢复工作。
由于近年来, 极端的自然灾害频繁发生, 而且随着社会和经济的发展, 越来越多的高电压等级的输电线路逐步在勘察、设计、建造中。而输电线路等级越高, 其对风的敏感度就越来越强, 风致输电线路故障的问题也会越来越突出, 因此, 为保证输电线路的安全稳定运行, 针对各种风致输电线路故障, 要从根本抓起, 从线路设计做起, 在线路的施工、验收、运行维护阶段, 严格地按照相关的规程规范进行操作, 并根据近年来极端气候频发的态势, 进一步增大设计时的安全裕度, 有效地防止风对输电线路的危害。同时, 越来越多的工程仿真软件 (如ANSYS、COMSOL等) 也在逐步成熟的运用到风荷载对输电线路的作用的仿真模拟上, 对于风对塔线耦合影响的模拟, 已经得了很好的效果, 为工程实际提供了很重要的参考价值。总之, 风致输电线路故障越来越受到电力部门和学术、工程界的科技工作者的重视。
摘要：结合了我国有关抗风设计的规程规范, 总结了输电线路在风荷载的影响下, 在运行过程中产生的各种故障, 如微风振动、舞动、风偏故障、大风故障、次档距振荡和杆塔结构疲劳及破坏等。论述了风致输电线路各种故障的形式、形成原因、以及工程中所采取的措施。
关键词：输电线路,振动,风故障,防护措施
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[5] 李晓红, 薛彬.超高压输电线路的振动及防振措施[J].内蒙古电力技术, 2002, 20 (6) .
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