输电线路覆冰舞动原因分析和治理措施

任胜军，任嘉浩

(1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120；2.北京市第十三中学，北京 100088)

输电线路覆冰舞动原因分析和治理措施

任胜军1，任嘉浩2

(1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120；2.北京市第十三中学，北京 100088)

某220 kV线路发生覆冰舞动现象，引发输电线路出现相间短路故障、铁塔横担损坏、金具串及导线落地等严重事故。通过查询事故记录、现场走访调研、理论分析等多种手段综合分析了此次事故的诱因及机理，并据此提出了针对性的防治措施，以防止舞动灾害的再次发生，保障输电线路的安全稳定运行。

输电线路；舞动；覆冰；防舞装置

0 引言

舞动是输电线路导线因覆冰形成非圆截面，在水平方向风作用下诱发产生的一种低频、大振幅的自激振动。输电线路一旦发生舞动，将造成诸多危害；如果导致线路出现相间故障，将引发线路跳闸、停运，严重时将引发导线断股、金具损坏、塔材弯曲、基础开裂等机械损伤。

舞动的产生与气象环境息息相关，雨雪天气明显增加的冬季和初春时节是我国线路舞动灾害频发的高峰时期。2016-11-20，河北省某200 kV线路发生覆冰舞动现象，舞动持续时间超过20 h且幅值较大，导致输电线路出现相间短路故障，造成线路长时间停运。

1 现场事故情况

2016-11-20T21:18，某线路发生故障，AB相间短路跳闸，重合闸成功。

2016-11-20T21:28，BC相间短路跳闸，重合闸不成功。

2016-11-21T10:00，经现场巡视，线路仍在舞动，不具备送电条件，此时尚未发生塔材受损、横担脱落事故。线路附近多条500 kV，220 kV及110 kV线路亦同时发生舞动。

2016-11-21T15:00，经现场巡视，发现47号耐张塔外角侧中相导线横担部分断裂；小号侧中相横担主材断裂落地，跳线串及小号侧耐张串落地；46号直线塔右侧中相横担扭转变形，横担未落地，悬垂串倾斜。

2 线路覆冰舞动的机理

导线覆冰舞动灾害是输电领域的重要问题，迄今为止，已有多国专家学者围绕覆冰舞动的机理和模型展开了研究。

目前，主流模型有：垂直舞动机理、扭转激发舞动机理和偏心惯性耦合失稳机理。

2.1 垂直舞动机理

垂直舞动模型忽略导线扭转运动，只考虑导线由风激励产生的升力L和阻力D，其值可表示为：

式中，P为单位长度导线的投影面积(不计覆冰厚度)；V为风速；ρ为空气密度；CL为升力系数，可正可负；CD为阻力系数，总为正值。当出现 CL/θ+CD＜0(θ为攻角)时，导线将产生自激振荡。

2.2 扭转激发舞动机理

扭转激发舞动机理兼顾了垂直方向的空气动力作用和导线的扭转作用。当空气扭转阻尼是负值且大于导线扭转固有阻尼时，导线将开始自激扭振。一旦满足式(3)所示条件，则扭转频率与垂直振动频率重合，将引发线路舞动。

式中，αk和ωk分别为导线第k阶扭振腹点振幅和圆频率，V0为与线路走向垂直的水平风速，θ0为初始攻角。

2.3 偏心惯性耦合失稳机理

除垂直振动和扭转振动外，覆冰导线还存在偏心惯性。它将引起攻角变化，使相应的升力对横向振动形成正反馈，加剧横向振动。此为偏心惯性耦合失稳机理，是最全面的模型，分别从垂直、水平和扭转振动3个自由度进行分析，在舞动的仿真模拟、舞动影响因素的定性分析方面具有广泛的应用。

3 导线覆冰舞动原因分析

导线舞动是一种复杂的流固耦合振动，是多种复杂因素相互作用的结果。针对此次220 kV输电线路事故情况，通过分析气象条件、线路结构与参数、线路所处的地理条件，探究线路舞动的原因。

3.1 气象条件

覆冰舞动是风和冰联合作用后的结果。经现场调查发现，此次舞动灾害发生时为雨雪大风天气。事故线路的导线表面有新月形覆冰，覆冰改变了导线的几何形状，在导线的一侧形成翼面。当大风来袭时，导线上部的压力随气流速度的增大而减小，与导线下部产生压差，使得导线同时承受上扬力和水平力的作用。上扬力与导线的自身重力作用引发导线产生垂直振荡，又因导线偏心覆冰，进而扭转振荡；一旦振荡频率与导线固有频率吻合，舞动随即产生。

3.2 线路结构与参数

气象条件可视为导线舞动的外因，而线路自身的结构和参数则是导线舞动的内因。在同样的外界工况下，输电线路的档距、导线分裂数和导线直径对导线舞动发生的概率及幅值有直接影响。对于单根导线，随着档距的增大，导线舞动幅值先增加后减小；而对于分裂导线，随着档距的增大，舞动幅值随之增大。导线分裂数越多、直径越大，导线扭转刚度则越大，导线上出现不规则覆冰的概率越大，从而更容易引发导线舞动。该220 kV输电线路为2分裂导线，导线型号为JL/LB20A-630/45铝包钢芯铝绞线。

3.3 线路所处地理环境

此次舞动发生时风向为东北方向，与线路约成80°夹角。线路所处地带空旷且地形平缓，风速大且持续稳定，极易形成舞动。

4 线路覆冰舞动的治理措施

此次长时间、大振幅的覆冰舞动对220 kV线路造成了严重破坏，因此提供以下应对措施。

4.1 提高线路设计强度

导线舞动会对导线绝缘子串及其连接金具产生较大的冲击力，极易造成绝缘子及金具的损坏。提高绝缘子、金具的安全系数，使用双联悬垂串、双线夹、优选预绞式线夹，均可提高绝缘子串的抗舞动性能。

在耐张塔转角内外侧均安装跳线串，可抑制耐张串大幅摆动而牵连跳线的摆动，有利于减小跳线对耐张线夹的往复作用力，从而提高耐张线夹抗疲劳性能，减小跳线发生风偏放电的几率。

根据耐张塔横担发生损坏的情况，横担加双帽可以在舞动情况下有效防止因螺栓松动导致的杆塔破坏现象(事故塔除挂线节点外其他部位的螺栓未加双帽)。

4.2 加装防舞装置

目前常用的防舞装置有相间间隔棒、线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、失谐摆及偏心重锤等。此次舞动事故持续时间长、波及范围广，建议加装相间间隔棒，以减小导线舞动幅度，提高线路抗舞动能力。

4.3 提高铁塔可靠性

目前应对线路舞动的方式主要有主动防治和被动承受2种。针对被动承受方式，应该整体考虑线路设计的安全系数。目前线路设计相关部分的安全系数最薄弱的环节往往是铁塔；如果铁塔受损，金具、绝缘子及导线或地线也往往会落地，必然导致绝缘子和导地线受到不同程度的损坏。另外，因铁塔加工周期较长，铁塔受损将会制约抢修及恢复通电时间，而金具、导线及绝缘子因有备件不限制抢修时间。故从加快恢复通电、减少因停电造成的影响角度出发，在进行防舞动设计时，应尽可能提高铁塔的可靠性。

5 结束语

结合事故记录情况，围绕气象条件、线路结构和参数、线路所处地理环境等方面分析了此次线路发生覆冰舞动的原因。依托偏心惯性耦合失稳机理，从垂直、水平和扭转振动3个自由度定性分析了舞动的影响因素及对线路的破坏作用力情况。为减少线路因覆冰舞动对电网的安全稳定性的影响，从提高线路电气和机械设计强度、加装防舞装置等方面探讨了治理和防治措施，保障线路安全稳定运行。

1 周四化．输电线路防舞动治理[J]．电力安全技术，2013，15(6)：57-58.

2 郭应龙，李国兴，尤传永．输电线路舞动[M]．北京：中国电力出版社，2003．

3 李新民，朱宽军，李军辉．输电线路舞动分析及防治方法研究进展[J]．高电压技术，2011，37(2)：484-490．

4 刘昌盛，刘和志，姜丁尤，等．输电线路覆冰舞动研究综述[J]．科学技术与工程，2014，24(14)：156-164．

2016-08-30。

任胜军(1970-)，男，教授级高级工程师，主要从事输电线路设计等工作，email：rensj@ncpe.com.cn。

任嘉浩(1999-)，男，高中生，北京市第十三中学在读。