输电线路舞动的分析与防治

王鹏+唐博+戴舒

摘要：输电线路舞动给电力系统的安全运行带来了很大危害，容易导致继电保护动作及导线、金具、绝缘子甚至杆塔的严重损坏。分析导致舞动的因素，阐述4种导线舞动机理，提出避舞、抗舞、抑舞3种防舞措施，为防止输电线路舞动提供参考。

关键词：输电线路；舞动；危害；机理；防治

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0055-03

架空线上的覆冰断面为带冀状的偏心筒形，若遇到风的激励，架空线就会产生一种低频率（0.1～3.0 Hz）、大振幅（约为直径的20～300倍，可达10 m）的自激振动，这种振荡称为舞动。我国是舞动多发国家，曾多次发生舞动事故，造成了较严重的经济损失和社会影响。随着近几年电网大容量长距离的建设发展，我国线路发生舞动的概率明显增大，因此，开展舞动研究与防治具有重要的意义。

1 架空线舞动的危害

舞动产生的危害是多方面的，如造成线路保护装置跳闸、导线电弧烧伤、金具磨损或损坏、绝缘子钢脚断裂，以及导线断股、断线、倒塔等安全事故。1） 导线的舞动幅度较大且持续时间较长，容易造成线路闪络故障。2） 导线舞动发生在多个档距内，如果发生线路跳闸情况，则会在很长一段时间内频繁跳闸，迫使该线路中断供电。3） 发生舞动时，导线会沿着线路方向来回窜动，使悬垂绝缘子串顺线路方向摆动，导致各种金具连接处发生滑动磨擦。金具之间磨擦相对较大，绝缘子串越短磨损越严重，特别是架空地线线夹船体的凸轴处尤为严重。4） 舞动会造成拉倒杆塔、折断输电线等严重事故，从而导致重大经济损失。

2 架空线舞动形成因素

导线舞动是一种复杂的流固耦合振动，其形成的因素非常多且互相影响，归纳起来，舞动的形成主要取决于气象条件、线路的结构与参数、线路的走向以及线路所处的地理位置等相关因素。

2.1 气象条件

舞动的必要条件是风，主要条件是覆冰。覆冰气象再加上风的激励，很容易造成导线舞动。因此，冬季是导线舞动的多发季节，主要原因是冬季在导线上容易出现覆冰，尤其是在冻雨或雨夹雪的天气条件下。在风的作用下，导线的覆冰呈现不规则的翼状截面，同时有的导线出现雨凇、雪淞及湿雪现象，这都极易造成导线的舞动。根据空气动力学原理，翼状的覆冰使导线对风的激励更敏感，其产生的舞动更强烈。当然也有薄冰或无覆冰而发生的舞动，但这种情况极少见，一般在我国西北部空气湿度较低又有大风的地区出现。

2.2 线路的结构与参数

不合理的线路结构与参数也是形成舞动的重要因素之一。随着我国超高压特高压长距离大容量输电的形成，我国电网建设已明显呈现多分裂、大截面的发展趋势，从而增大了导线舞动的可能性。

在相同的环境、气象条件下，分裂导线要比单导线容易产生舞动，大截面导线要比常规截面导线易产生舞动。1） 单导线覆冰时，由于扭转刚度小，在偏心覆冰的作用下，导线容易发生很大扭转。而分裂导线中每隔几十米有一个间隔棒，每根子导线的相对扭转刚度高于同截面的单导线，在偏心覆冰的作用下，导线的扭转极其微小，导线覆冰的不对称性因得不到缓解而易形成翼形断面，所以作用在分裂导线上的空气动力载荷自然会比单导线大得多。因此，对于分裂导线来说，由风激励产生的升力和扭矩远远大于单导线。500 kV超高压输电线路多采用四分裂甚至多分裂导线，较易发生舞动。2） 大截面导线的相对扭转刚度比小截面导线大些。这是由于大截面导线在偏心覆冰后难以产生自身扭转，使得覆冰层更多地堆积在同一方向，使导线迎风面与背风面的冰层厚度差增大，覆冰导线截面的偏心度比起小截面导线要严重得多，因此产生舞动的可能性比小截面导线大。

档距大小与舞动也存在着关系。目前有两种观点：其一，档距短的扭振固有频率和横向固有频率比档距长的高，一般不会在低频带发生耦合谐振，因而可通过缩短档距来防止舞动。其二，同样的导线，其短档距的相对扭转刚度比长档距的大，迎风面覆冰时扭转角小，更易形成翼形覆冰，在相同的风激励作用下，升力、扭矩要大些，更易于舞动。

2.3 线路的走向及所处的地理位置

一般来说，各种截面模型的空气动力学试验都是按照风向垂直于模型的轴线方向来进行的。事实上，在这种情况下模型所承受的作用力最大，所表现出来的空气动力现象最为典型。如果风向与物体的轴线之间有一定夹角，将风激励力分解为垂直和平行于导线的两个力，真正起激振作用的是风激励力的垂直分量，而平行分量一般是不会起激励作用的。由此可见，一段线路舞动的程度与状态，主要决定于风向对导线轴的夹角。当夹角为90°时，对舞动的影响最大；反之，当夹角趋向于0°，则引起舞动的可能性最小。所以，线路的走向要参考当地的气象条件，尽量减小线路走向与风向的夹角。此外，不规则的气流对导线的空气动力载荷将会有一定程度的相互抵消，而同一方向的气流所造成的空气动力载荷会相互叠加。所以，与山区或丘陵地区相比，平原、开阔地区无论从风速还是空气的流动来说，都易促使架空线舞动的形成。

3 架空线舞动机理

3.1 Den Hartog的垂直舞动机理

该理论认为，当风吹向偏心覆冰导线时产生升力和阻力，只有当升力曲线斜率的负值大于阻力时，导线截面动力不稳定，舞动才能产生。由于没有考虑导线的扭转运动，对于覆冰导线在其长轴与风向一致时的舞动现象，该理论不能解释。该理论数学表达式为：

CD+?CL/?α<0 （1）

式中：CL为空气动力升力系数；CD为空气动力阻尼系数；α为偏心冰导线迎风攻角。

该理论框图如图1所示。

3.2 Nigol的扭转舞动机理

该理论认为，当覆冰导线的空气动力扭转阻尼为负且大于导线的固有扭转阻尼时，扭转运动成为自身扭振，当扭转振动频率接近垂直或水平振动频率时，横向运动受耦合力的激励产生一交变力，在此力作用下导线发生大幅度的舞动。该理论考虑了导线扭转的影响，这是对前述舞动理论的重要补充和发展，但它不能说明薄冰或无覆冰舞动现象。该理论数学表达式为：

CDα0+（1+θkv/Aωk） ?CL/?α<0 （2）

式中：θk，ωk分别为导线第k阶扭转振动的振幅和角频率；v为与线路走向垂直的水平风速；α0为偏心覆冰导线初迎风攻角。

该理论框图如图2所示。

3.3 偏心惯性耦合失稳机理

该理论认为，导线舞动属于三自由度运动，绝大多数情况下都将同时出现3种振动，即扭转、垂直和水平。由于覆冰导线存在偏心惯性，既可能通过横向运动（垂直和水平）产生扭转运动，此时在升力曲线负斜率区域内舞动积累能量，在正斜率区域内则反之；也可能通过扭转运动诱发横向运动，此时扭转运动通过耦合项产生交变力，导致垂直和水平舞动既可发生在升力曲线的负斜率区域内，也可发生在正斜率区域内。该理论能较好地解释实际观测到的很多舞动现象，但它仍不能对薄、无覆冰舞动现象作出合理解释。该理论框图如图3所示。

3.4 低阻尼系统共振舞动机理

该理论由我国学者蔡廷湘提出。该理论认为，在风作用下，整个架空输电线路各组成部分都会产生不同幅度的振动，在特殊气象条件下，导线气动及结构阻尼降低，振动增加并使线路产生系统共振从而形成舞动。该理论能够解释传统舞动原理不能解释的许多舞动现象，如薄、无覆冰舞动等，但该理论缺乏试验研究，有待实践验证。

4 架空线舞动的防治

导线防舞措施分为3种：避舞、抗舞和抑舞。在输电线路设计时，应优先采用避舞和抗舞措施，当有其他因素限制时需要考虑采用抑舞措施。

4.1 避舞

舞动常发生在导线覆冰大风地区。在电线路规划时，要合理规划线路走向和路径，综合考虑生态环境条件、工程造价和当地气象参数等，避开雨凇冻雪出现频繁、大风较多地带，同时避开大的跨越（如宽阔的江河、峡谷、迎风的山坡和风口地带），尽量使线路走向与冬季的主导风向一致。

4.2 抗舞

当输电线路已经确定且不能改变气象条件的情况下，需要提高导线系统抵抗舞动的能力。可以通过提高线路的机械强度和电气性能来抵抗外界因素带来的舞动。导线舞动的轨迹是垂直于导线轴线的椭圆形，因此，可以在塔头结构设计上，采取相应措施来防止导线与导线、导线与地线间的碰撞。同时，采用抗舞动线夹，可以在舞动情况下保护导线不受损伤。

4.3 抑舞

抑舞主要是对具有发生舞动可能性的线路加装防舞器。针对不同的舞动机理选用不同的防舞动器材去防治（如图4所示）。

5 结语

导线舞动是很强的非线性振动，其影响因素有多种。要在理论和实践方面彻底解决舞动问题，必须坚持不懈地将理论研究、科学试验与实际工程相结合，联系不同学科，并借鉴国际研究成果，开展系统性和整体性的研究。

CDα0+（1+θkv/Aωk） ?CL/?α<0 （2）

式中：θk，ωk分别为导线第k阶扭转振动的振幅和角频率；v为与线路走向垂直的水平风速；α0为偏心覆冰导线初迎风攻角。

该理论框图如图2所示。

3.3 偏心惯性耦合失稳机理

该理论认为，导线舞动属于三自由度运动，绝大多数情况下都将同时出现3种振动，即扭转、垂直和水平。由于覆冰导线存在偏心惯性，既可能通过横向运动（垂直和水平）产生扭转运动，此时在升力曲线负斜率区域内舞动积累能量，在正斜率区域内则反之；也可能通过扭转运动诱发横向运动，此时扭转运动通过耦合项产生交变力，导致垂直和水平舞动既可发生在升力曲线的负斜率区域内，也可发生在正斜率区域内。该理论能较好地解释实际观测到的很多舞动现象，但它仍不能对薄、无覆冰舞动现象作出合理解释。该理论框图如图3所示。

3.4 低阻尼系统共振舞动机理

该理论由我国学者蔡廷湘提出。该理论认为，在风作用下，整个架空输电线路各组成部分都会产生不同幅度的振动，在特殊气象条件下，导线气动及结构阻尼降低，振动增加并使线路产生系统共振从而形成舞动。该理论能够解释传统舞动原理不能解释的许多舞动现象，如薄、无覆冰舞动等，但该理论缺乏试验研究，有待实践验证。

4 架空线舞动的防治

导线防舞措施分为3种：避舞、抗舞和抑舞。在输电线路设计时，应优先采用避舞和抗舞措施，当有其他因素限制时需要考虑采用抑舞措施。

4.1 避舞

舞动常发生在导线覆冰大风地区。在电线路规划时，要合理规划线路走向和路径，综合考虑生态环境条件、工程造价和当地气象参数等，避开雨凇冻雪出现频繁、大风较多地带，同时避开大的跨越（如宽阔的江河、峡谷、迎风的山坡和风口地带），尽量使线路走向与冬季的主导风向一致。

4.2 抗舞

当输电线路已经确定且不能改变气象条件的情况下，需要提高导线系统抵抗舞动的能力。可以通过提高线路的机械强度和电气性能来抵抗外界因素带来的舞动。导线舞动的轨迹是垂直于导线轴线的椭圆形，因此，可以在塔头结构设计上，采取相应措施来防止导线与导线、导线与地线间的碰撞。同时，采用抗舞动线夹，可以在舞动情况下保护导线不受损伤。

4.3 抑舞

抑舞主要是对具有发生舞动可能性的线路加装防舞器。针对不同的舞动机理选用不同的防舞动器材去防治（如图4所示）。

5 结语

导线舞动是很强的非线性振动，其影响因素有多种。要在理论和实践方面彻底解决舞动问题，必须坚持不懈地将理论研究、科学试验与实际工程相结合，联系不同学科，并借鉴国际研究成果，开展系统性和整体性的研究。

CDα0+（1+θkv/Aωk） ?CL/?α<0 （2）

式中：θk，ωk分别为导线第k阶扭转振动的振幅和角频率；v为与线路走向垂直的水平风速；α0为偏心覆冰导线初迎风攻角。

该理论框图如图2所示。

3.3 偏心惯性耦合失稳机理

该理论认为，导线舞动属于三自由度运动，绝大多数情况下都将同时出现3种振动，即扭转、垂直和水平。由于覆冰导线存在偏心惯性，既可能通过横向运动（垂直和水平）产生扭转运动，此时在升力曲线负斜率区域内舞动积累能量，在正斜率区域内则反之；也可能通过扭转运动诱发横向运动，此时扭转运动通过耦合项产生交变力，导致垂直和水平舞动既可发生在升力曲线的负斜率区域内，也可发生在正斜率区域内。该理论能较好地解释实际观测到的很多舞动现象，但它仍不能对薄、无覆冰舞动现象作出合理解释。该理论框图如图3所示。

3.4 低阻尼系统共振舞动机理

该理论由我国学者蔡廷湘提出。该理论认为，在风作用下，整个架空输电线路各组成部分都会产生不同幅度的振动，在特殊气象条件下，导线气动及结构阻尼降低，振动增加并使线路产生系统共振从而形成舞动。该理论能够解释传统舞动原理不能解释的许多舞动现象，如薄、无覆冰舞动等，但该理论缺乏试验研究，有待实践验证。

4 架空线舞动的防治

导线防舞措施分为3种：避舞、抗舞和抑舞。在输电线路设计时，应优先采用避舞和抗舞措施，当有其他因素限制时需要考虑采用抑舞措施。

4.1 避舞

舞动常发生在导线覆冰大风地区。在电线路规划时，要合理规划线路走向和路径，综合考虑生态环境条件、工程造价和当地气象参数等，避开雨凇冻雪出现频繁、大风较多地带，同时避开大的跨越（如宽阔的江河、峡谷、迎风的山坡和风口地带），尽量使线路走向与冬季的主导风向一致。

4.2 抗舞

当输电线路已经确定且不能改变气象条件的情况下，需要提高导线系统抵抗舞动的能力。可以通过提高线路的机械强度和电气性能来抵抗外界因素带来的舞动。导线舞动的轨迹是垂直于导线轴线的椭圆形，因此，可以在塔头结构设计上，采取相应措施来防止导线与导线、导线与地线间的碰撞。同时，采用抗舞动线夹，可以在舞动情况下保护导线不受损伤。

4.3 抑舞

抑舞主要是对具有发生舞动可能性的线路加装防舞器。针对不同的舞动机理选用不同的防舞动器材去防治（如图4所示）。

5 结语

导线舞动是很强的非线性振动，其影响因素有多种。要在理论和实践方面彻底解决舞动问题，必须坚持不懈地将理论研究、科学试验与实际工程相结合，联系不同学科，并借鉴国际研究成果，开展系统性和整体性的研究。