新型防振装置在750 kV输电线路地线防振中的应用研究

彭毅，安宁，刘胜春，杨光，郭学健

(1.甘肃省电力公司，兰州市，730050;2.中国电力科学研究院，北京市，102488;3.甘肃省电力设计院，兰州市，730050)

0 引言

甘肃河西750 kV输电线路是西部大开发重点工程——新疆与西北750 kV电网联网、甘肃风电外送工程的重要组成部分，该工程对结束新疆电网孤网运行、打通甘肃风电外送通道具有重要的里程碑意义，使西北地区的水、火、风电“打捆”东送成为现实。河西750 kV线路所处地形平坦开阔，植被少，刮风日数多，风速均匀、平稳，其地线特别是双回路塔的挂点高(70～100 m)、档距大、微风振动持续时间比其他地区持久、振动幅度大，长期运行会导致地线振动超标，引起疲劳断股，给线路的安全、稳定运行带来严重威胁。因此，有必要结合750 kV工程开展地线的防振研究，为工程设计和建设提供技术支撑，同时也为西北其他地区同类输电线路的防振提供依据，对确保线路的安全、稳定运行具有重要的意义。

1 线路微风振动概述

导地线微风振动是发生范围广、持续时间长的一种振动形式。层流风吹过导线后会在导线的背后产生漩涡，俗称“卡门漩涡”，如图1所示［1］。规则的漩涡脱落会引起导线在与风向垂直的方向上周期性的振动，由于引起这种振动的风速通常为0.5～10 m/s，所以称为微风振动。当风速较大时，尾流中的漩涡变得不稳定，速度变化也不规则，变成湍流尾流，此时反而不易形成微风振动。

导线微风振动的频率与导线的直径和风速有关，它们的关系式［2］为

式中:f为导线振动频率，Hz;v为风速，m/s;D为导线直径，m;St为 Strouhal数，一般取 0.185 ～0.2。

图1 卡门漩涡示意Fig.1 Schematic diagram of Carmen vortex

微风振动具有“锁定效应”(又称“同步效应”)，即实际流速和对应脱落频率由式(1)确定的流速之比为0.87～1.37时，地线的振动频率和旋涡的脱落频率都不变化。实际地线微风振动的频率均为基频的整数倍，而基频又很小，且微风振动存在“锁定效应”，因此可以认为任何为0.5～10 m/s的风速均能够引起地线的微风振动。从这个意义上讲，地线的微风振动几乎每时每刻都在发生，因此，必须采取有效的防振措施来抑制地线的微风振动，使其处于安全范围内。

2 河西地区超高压线路地线微风振动故障

甘肃河西地区导地线微风振动强烈，经常发生防振锤滑移、脱落等故障，严重的引起导地线断股，威胁线路的安全运行。酒泉超高压输电公司所辖330 kV输电线路常常发生因风振引起间隔棒、防振锤线夹滑移和脱落等故障，防振锤滑脱、掉落等事件一直威胁着线路的安全运行。截止2010年4月底间隔棒防振锤事件累计达562件，其中防振锤滑脱、掉落事件158件;引起导线断股危急事件3件，严重事件1件。武威输变电工区管辖330 kV线路共发生38次导线防振锤脱落。原凉金一线(现河金一线和河凉一线)线路投运后，次年就有少量间隔棒和防振锤滑移的事件发生，此后间隔棒和防振锤滑移、断股、脱落等事件时有发生，2008年至2011年初，共发现间隔棒防振锤缺陷419处。这说明甘肃河西地区输电线路导地线的微风振动非常严重，传统的防振装置已经不能满足要求，需研制新的防振装置抑制导地线的微风振动。地线防振锤滑移见图2。

3 750 kV线路地线微风振动特点

甘肃河西750 kV线路地线微风振动具有以下特点:

(1)微风振动频率范围广。根据沿线气象站的风速统计数据和地线参数，计算得到地线的微风振动频率为6.3～111 Hz，说明只要在引起微风振动的风速范围内，都会产生相应频率的微风振动。

图2 河金一线地线防振锤发生滑移Fig.2 Slip of dampers in ground wire of Hejin line

(2)微风振动持续时间长。地形和气候条件表明，线路所处地区刮风日数多，地线微风振动几乎时刻都在发生，频度远高于其他地区。

防振锤是线路防振的基本元件，普通线路地线用FG型防振锤的2个锤头对称布置，线夹与地线通过钢板固定，这种防振锤在运行中存在以下问题:

(1)不能有效抑制地线微风振动，防振效果不够理想。FG型防振锤为对称布置，只有2个谐振频率，其谐振范围较小，无法有效覆盖地线微风振动的全部频率范围。在地势平坦、风速平稳持久地区，当地线振动频率超出防振锤谐振频率时，防振锤基本没有防振效果，反而在线夹处形成节点，造成该处地线断股。

(2)在运行中容易产生滑移。FG型防振锤通过钢板和螺栓与地线固定，在微风振动强烈地区，防振锤振动过大容易造成线夹滑移，从而磨损导线，长时间的磨损会导致地线断股。

4 新型防振装置的研制

鉴于传统的FG型防振锤无法有效覆盖地线微风振动的频率范围，因此需研制结构合理的多频防振锤，必要时组合使用。对于大档距线路，还可采用“阻尼线+防振锤”组合防振，以获得最优的防振效果。同时，传统防振锤线夹采用螺栓夹持，长期振动后容易松动进而磨损地线，因此在防振锤线夹的结构形式上也要进行改进，采用安装方便、防滑性能好的线夹，减轻运行维护的工作量，提高长期运行可靠性。

为满足地线防振的特殊要求，专门研制了适用于地线的2种型号专用预绞式线夹防振锤。首先根据线路参数和气象条件确定地线的谐振频率范围，然后运用防振锤设计理论结合经验开展防振锤的设计［3-4］，最后对研制的防振锤进行型式试验，根据结果再进行优化。新研制的预绞式线夹防振锤锤头采用不等重、不对称布置，如图3所示，具有4个分布合理的谐振频率。预绞式线夹防振锤线夹为U形，从地线下面与地线面接触，不仅握着可靠、防滑性能好、安装方便，而且对地线的作用力通过预绞丝分散，消除了应力集中，有利于降低线夹处的动弯应变，避免了传统防振锤线夹集中握着造成应力集中容易损坏地线的问题。

图3 安装在地线上的预绞式线夹防振锤Fig.3 Damper with preformed clamps installed in ground wire

750 kV线路地线有3种型号规格，分别是镀锌钢绞线1×19－13.0－1270－B(GJ－100)、铝包钢绞线JLB20A－100和JLB20A－150;具有2种外径，分别是13.0和15.75 mm。设计了2种防振锤，型号分别为FR-3和FR-2，其谐振频率见表1。

表1 研制防振锤的谐振频率Tab.1 Resonance frequency of developed damper

为考核专门研制的2种防振锤的性能，按照DL/T 1099—2009《防振锤技术条件和试验方法》的要求进行了型式试验，包括机械强度、功率特性和振动疲劳试验，试验结果均满足标准相应要求，试验合格。2种型号防振锤功率特性曲线见图4。从图中可以看出，每种防振锤均具有4个不同的谐振频率，组合后共有8个谐振频率，可覆盖微风振动全部频段的较宽范围。与普通的FG型防振锤相比，新型防振锤不仅频率范围更广，而且线夹防滑型号好，握着更加牢靠，有利于地线的长期稳定运行。

考虑到在微风振动特别强烈地区，单纯使用防振锤长期运行后防振效果会降低，从保证线路长期运行可靠性的角度考虑，采用“阻尼线+防振锤”形式的防振方案是比较理想的。与防振锤相比，阻尼线具有频率宽、耐振性能好的特点，常常应用在大跨越工程的防振上。这种组合型防振装置具有两者的优点，一方面频段更广，能覆盖微风振动全部频段的更大频率范围;另一方面，防振锤安装在阻尼线的内部，其振动相对较小，有利于长期稳定运行。

图4 预绞式线夹防振锤功率特性曲线Fig.4 power characteristic of damper with preformed clamps

预绞式“阻尼线+防振锤”防振方案如图5所示，阻尼线采用钢芯铝绞线LGJ-300/25，通过预绞式阻尼线线夹与地线固定。该方案综合阻尼线和防振锤的防振效果，试验结果表明其具有良好的防振效果。

图5 预绞式阻尼线+防振锤防振方案Fig.5 Anti-vibration plan combining damper with preformed clamps and damping wire

我国绝大多数大跨越均采用“阻尼线+防振锤”型式的防振方案，多年来的运行经验和测振结果表明，这种防振方案不仅效果好，而且长期运行可靠性高，运行维护工作量少。对微风振动特别强烈的地区，从确保线路长期稳定运行的角度出发，推荐采用“阻尼线+防振锤”型式的防振方案。

5 新型防振装置的应用

根据地线防振锤和预绞式的性能特点，结合地线防振锤的安装经验［5］，本次新型防振装置的安装按照以下原则:

(1)对单回路地线，当档距在300 m以下时每端安装1个FR-2型防振锤，档距为300～700 m时每端安装FR-2、FR-3型防振锤各1个，档距超过700 m时每端安装FR-3型防振锤1个、FR-2型防振锤2个。防振锤采用等距安装，相邻防振锤距离为0.75 m。

(2)对双回路地线，当档距在300 m以下时每端安装FR-2、FR-3型防振锤各1个，相邻防振锤距离为0.9 m;档距大于300 m时每端安装1组预绞式阻尼线+防振锤。

对于微风振动特别强烈的地段，采用预绞式线夹“防振锤+阻尼线”联合防振方案。安装在750 kV线路地线上的预绞式线夹“防振锤+阻尼线”联合防振方案见图6。

图6 安装在750 kV地线上的预绞式线夹“防振锤+阻尼线”Fig.6 Damper with preformed clamps and damping wire installed in 750 kV ground wire

本次研制的新型防振锤获得国家实用新型专利。新型防振锤招标价格略高于传统防振锤，价格控制在概算允许范围以内。在750 kV武胜—河西—酒泉—敦煌线路工程中，大量采用了新型地线防振装置，绝大部分地段单回路段全部采用新型预绞式线夹防振锤，双回路段采用新型预绞式线夹“防振锤+阻尼线”和全防振锤2种方式。共使用12000余套预绞式线夹防振锤，500余套预绞式阻尼线。

输电线路导地线的微风振动现场测试非常必要［6］，为了解新型防振装置应用于750 kV输电线路地线后的实际效果，先后分别在2条线路上进行了现场测振。从2次现场测振结果可以看出，预绞式线夹防振锤和“预绞式防振锤+阻尼线”联合防振方案最大的动弯应变为97 με(单峰值)，明显低于地线动弯应变的许用值200 με，表明推荐的防振方案具有良好的防振效果。

6 结语

在750 kV武胜—河西—酒泉—敦煌线路中全面采用了新型防振装置，室内微风振动模拟试验表明2种型式的防振装置均具有良好的防振效果，实际线路安装新型防振装置后进行的现场测振进一步验证了模拟试验的科学性，结果表明采用新型防振装置能将地线的微风振动抑制在较低的范围内，能确保地线的长期稳定运行。现场施工表明新型防振锤安装方便、握着牢靠、不易滑移、减少维护工作量。750 kV线路地线防振研究成果不仅适用于750 kV输电线路，同样适用于其他超高压线路，对于已纳入“十二五”规划的新疆电力外送特高压输电线路更具有直接的应用价值，可以在超高压、特高压输电线路中推广应用，具有广阔的应用前景。

［1］ Transmission line reference book:Wind induced conductor motion［M］.Electric Power Research Institute，Palo Alto.California，USA，1979.

［2］郑玉琪.架空输电线微风振动［M］.北京:水利水电出版社，1987.

［3］李效韩，李邦宜，徐乃管.装防振锤的架空输电线系统的微风响应［J］.中国电机工程学报，1997，17(5):352-355.

［4］李效韩，李邦宜，徐乃管.防振锤非线性参数识别［J］.中国电机工程学报，1996，16(2):142-144.

［5］张殿生.电力工程高压送电线路设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2003.

［6］张会韬，架空输电线路微风振动危害的实例及现场测振的重要性［J］，电力建设，1997，16(9):38-41.