特高压直流输电线路大截面导线防振分析

王 鹏

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

导线长期处于野外露天之下，受到自然条件(风、雨、冰雪、雷电等)和其他外界条件的影响，容易发生各种事故，其中由于导线振动引发的事故最多。架空输电线路导线的微风振动是威胁输电线路安全运行的重要因素之一。大截面导线的出现及应用，对线路运行的安全性和可靠性提出了更高的要求，国内多条±800 kV特高压直流输电线路工程均采用1 250 mm2大截面导线输送。本文对特高压直流输电线路1 250 mm2大截面导线的防振进行研究[1]。

1 导线的自阻尼特性

在风的作用下，导线时刻处于振动状态。根据频率和振幅的不同，导线的振动大致可分高频微幅的微风振动、中频中幅的次档距振动和低频大振幅的舞动，其中的微风振动是威胁输电线路安全运行的最重要因素之一[2]。导线对微风振动能量的消耗一方面来自防振元件，另一方面则来自导线自身的阻尼特性。不同导线之间的自阻尼差异较大，通过功率法对数据拟合，得出导线自阻尼Pc的解析表达式：

Pc=Φ(f,Y)=10β(Y/D)α

(1)

式中：α和β是拟合出的系数；f为导线振动频率；D为导线外径；Y为导线波腹双振幅。

根据公式(1)，将2种1 250 mm2大截面导线的自阻尼拟合系数表达式列于表1。

表1 自阻尼拟合系数表达式

2 自阻尼条件下导线振动强度分析

振动强度是指振动幅值及其振动延续时间的多少，是衡量导线线股承受的动弯应力及振动次数是否能使导线在寿命期内不产生振动疲劳断股的重要判据。输电线路的导线振动体系，一方面由风力输给导线振动能量，另一方面又在导线体系内将能量消耗掉，当2种能量达到平衡状态时，就确定了导线稳定振动时的振幅[3]。

为比较两种1 250 mm2系列大截面导线JL1/G3A-1 250/70和JL1/G2A-1 250/100导线在自阻尼条件下振动强度的差别，将两者频响特性绘于同一坐标系下(见图1) 。从2种圆形导线的试验结果的对比看： 2种导线在25 Hz及以上的振动频率下，悬垂线夹出口处导线的动弯应变水平相当，即振动强度相当； 2种导线在25 Hz以下的振动频率下，1 250/100导线的在悬垂线夹出口处的动弯应变水平较1 250/70导线总体来说较低，尤其在15 Hz左右， 1 250/100导线的动弯应变明显低于1 250/70导线，说明1 250/100导线在低频下的振动强度低于1 250/70导线；单线股数较多的1 250/100导线在自阻尼条件下的振动强度低于单线股数较少的1 250/70导线[4]。

图1 自阻尼条件下1 250/70与1 250/100圆形导线频响特性比较

3 1 250 mm2导线防振锤布置方案研究

3.1 防振锤安装位置的计算

假定线夹出口是所有振动波的波节点，当安装第一个防振锤时，安装位置应在线夹出口所有振动波的第一个半波之内。在最长和最短波的情况下，防振锤的位置与最大和最小波腹的接近程度相同。

以悬垂(耐张)线夹出口作为防振锤安装位置的起算点，并且兼顾各个频率下的振动波长，第1个防振锤安装位置距悬垂(耐张)线夹出口距离b为：

(2)

式中：λM、λm分别为导线最大及最小振动波长；μ为系数。

μ和λM、λm分别为：

(3)

(4)

(5)

式中：vM为振动风速上限值；vm为振动风速下限值；TM为最高气温条件下导线运行张力；Tm为 最低气温条件下导线运行张力 ；m为单位长度质量。

上述公式是假定各种振动频率和振动强度出现的概率相同，这可能与实际情况有所出入。振动的危险性可能多在低频、长波段，应该使b更大一些为好；另外，当档距较大时，TM和Tm相差很小，可以用平均运行张力Tp代替TM和Tm，μ值一般为0.05～0.1，vM取7 m/s，vm取0.5 m/s，故防振锤安装位置的计算公式可以简化为[5]：

(6)

基于公式(6)，计算得到2种1 250 mm2大截面导线第1个防振锤的安装位置(见表2)。

表2 第1个防振锤的安装位置

3.2 防振锤安装位置效果验证

按照DL/T 1099—2009《防振锤技术条件和试验方法》防振效果评估方法，在导线档端1.78 m处各安装一个防振锤，在单峰值150με的技术条件下，最大保护档距为111 m；在导线档端2.08 m处各安装一个防振锤，在单峰值150με的技术条件下，最大保护档距为141 m；在导线档端2.38 m处各安装一个防振锤，在单峰值150με的技术条件下，最大保护档距为108 m。从上述对比试验的结果可以看出，公式(6)计算出的防振锤安装位置是较为优化的位置，在这种安装位置条件下，防振锤能够对导线起到更好的防护效果。

3.3 防振锤的安装原则

通过公式(6)可以计算得到第1个防振锤的安装位置，如需要安装多个防振锤，则可以采取等距安装的原则，即相邻防振锤之间的距离等于第1个防振锤的安装距离。实际线路的情况复杂，部分线路金具的安装位置会对防振锤的安装位置构成影响，因此，导线上第1个防振锤的安装位置要考虑避开线夹护线条的外延部分，其他防振锤可基于第1个防振锤的计算安装距离采取等距安装的原则布置。

3.3.1 铰链式防振锤布置

综合考虑计算结果及线路结构等因素，铰链式防振锤的布置方式见表3。

表3 FDY-9D铰链式防振锤的布置方式

3.3.2 预绞式防振锤安装位置

为了确定较优的防振锤安装位置，本文组以计算的安装位置为基础，向档中一侧移动一定距离作为新的防振锤安装位置，并对两种1 250 mm2大截面导线在上述位置安装预绞式防振锤进行了防振效果评估试验。以JL1/G3A-1 250/70导线为例，对预绞式防振锤安装在距离悬垂线夹出口2.28 m、2.38 m和2.48 m 3个位置进行了防振效果评估试验，试验结果表明：在导线档端2.28 m、2.38 m和2.48 m处各安装一个防振锤，在单峰值150με的技术条件下，最大保护档距分别为281 m、185 m和198 m。可见，预绞式防振锤安装在距离悬垂线夹较近的安装位置时防振效果更优，因此，确定预绞式防振锤的布置方式见表4。

表4 FDYJ-9D预绞式防振锤的布置方式

4 结论

本文基于防振效果评估条件，对2种1 250 mm2大截面导线进行了防振锤布置研究。通过对导线JL1/G3A-1 250/70和导线JL1/G2A-1 250/100的防振试验研究，基于防振试验结果，同时确保防振方案的安全可靠，并留有一定的安全裕度，给出推荐的防振锤布置方案。

a.铰链式防振锤安装不会与悬垂线夹护线条发生冲突，悬垂线夹内缠绕铝包带或安装护线条，以及耐张线夹情况下的防振方案为第1个防振锤距线夹出口距离2.08 m(JL1/G3A-1 250/70)和2.16 m(JL1/G2A-1 250/100)，其他防振锤基于第1个防振锤的计算安装距离采取等距安装的原则布置。

b.由于预绞式防振锤的安装需避免与悬垂线夹护线条发生冲突，其布置方案分两种情况给出。悬垂线夹内安装铝包带及耐张线夹情况下的防振方案与铰链式防振锤布置方案相同；悬垂线夹内安装护线条情况下的防振方案为第1个防振锤距线夹出口距离2.28 m(JL1/G3A-1 250/70)和2.26 m(JL1/G2A-1 250/100)，其他防振锤基于第1个防振锤的计算安装距离采取等距安装的原则布置。

参考文献：

[1] 黄豪士. 新型扩容导线[J]. 中国电力，2000，33(3)：42-45.

[2] 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，1997，18(9)：38-40．

[3] 徐乃管，王景朝，宗福琳.导线自阻尼的测量及实用归算方法[J]. 中国电力，1995，28(2)：17-20.

[4] 徐乃管，王景朝，董玉明.关于防振锤力学性能的探讨[J]. 电力建设，2001，22(3)：8-11.

[5] 黄豪士. 用于资源节约型输电线路的导线之二-节能型系列导线的主要品种和特性[J]. 电线电缆，2011(2)：16-21.