關(guān)于架空輸電線路導(dǎo)線損傷的研究

1、    關(guān)于架空輸電線路導(dǎo)線損傷的研究    劉岳東摘要：當(dāng)前，架空線路的導(dǎo)線損傷，斷股，輕則降低載流量，重則造成短線事故，影響線路的安全運(yùn)行，給人民生活帶來很多不便的安全隱患。本文主要分析了架空輸電線路導(dǎo)線損傷的原因及對策。關(guān)鍵詞：架空輸電線路 ；振動 ；對策1、架空輸電線路導(dǎo)線損傷的原因11 動態(tài)應(yīng)力架空輸電導(dǎo)線在覆冰、大風(fēng)、環(huán)境溫度變化時產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力，動態(tài)應(yīng)力在量值上變化很大，動態(tài)應(yīng)力依據(jù)振動程度可分為微風(fēng)振動，大風(fēng)舞動，分裂導(dǎo)線子導(dǎo)線間的次檔距振蕩，脫冰跳躍型跳動和電暈引起的振動111 微風(fēng)振動架空輸電導(dǎo)線在0.5m/s5m/s的均勻微風(fēng)垂直作用

2、于導(dǎo)線時，會在架空線的背風(fēng)側(cè)形成一個以5hz150 hz頻率變化的風(fēng)力渦流。當(dāng)風(fēng)力渦流對架空線的沖擊頻率與架空線固有的自振頻率相等時，會使架空線豎直平面內(nèi)因共振而引起振動加劇，從而形成架空線的振動。微風(fēng)振動振幅較小，振動初始時產(chǎn)生了交互式應(yīng)力，在軸向張力方面只有很小的變化，不至于對架空導(dǎo)線靜態(tài)強(qiáng)度產(chǎn)生較大的影響，但卻會由于長時間的振動而使架空線中的鋁線線股以及相關(guān)金具產(chǎn)生疲勞損傷，從而影響線路運(yùn)行安全性。112 舞動在5m/s15m/s 的風(fēng)力作用在非對稱外形的導(dǎo)線上產(chǎn)生脈動力，形成大幅度的舞動，這是一種由于空氣動力不穩(wěn)定而產(chǎn)生的現(xiàn)象。輸電線路導(dǎo)線在不均勻覆冰及風(fēng)力的作用下引起的一種低頻率（約

3、為0.1hz4hz）,大振幅（約為導(dǎo)線直徑的20300倍）振動。導(dǎo)線發(fā)生舞動時，除了垂直方向運(yùn)動以外，往往伴隨有扭轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動。舞動的發(fā)生相對于微風(fēng)振動來說概率較低，但舞動的能量很大，持續(xù)時間較長，危害性較大，危害有機(jī)械的，也有電氣的。從機(jī)械方面來說，由于舞動幅度大，并伴有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此對導(dǎo)線金具的強(qiáng)度和耐疲勞性能是一個嚴(yán)峻的考驗，嚴(yán)重時會造成斷線停電事故。從電氣方面來看，同樣由于舞動幅度大，容易發(fā)生相間閃絡(luò)，造成導(dǎo)線燒傷，跳閘事故，從而影響線路運(yùn)行的可靠性。嚴(yán)重的舞動使作用于支撐點的彎曲應(yīng)力變大，以及張力的大起大落導(dǎo)致金具及附件隨著導(dǎo)線的疲勞而損壞。113 次檔距振蕩通常在4m/s8m/s的

4、風(fēng)力作用下，架空輸電線路分裂導(dǎo)線上兩間隔棒之間子導(dǎo)線的振蕩，引起次檔距振蕩。次檔距振蕩是一種由迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的尾流所誘發(fā)的背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線的不穩(wěn)定振動現(xiàn)象，這是一種分裂導(dǎo)線特有的振動形式。次檔距振蕩頻率為（1hz3hz），振幅可達(dá)導(dǎo)線直徑的幾倍到幾十倍，介于微風(fēng)振動和舞動之間，次檔距振蕩的危害，主要是造成間隔棒與導(dǎo)線之間的機(jī)械損傷。來自分裂導(dǎo)線振動的反復(fù)彎曲應(yīng)力發(fā)生在導(dǎo)線與間隔棒的連接處，對懸垂線夾處的靜態(tài)彎曲應(yīng)力沒有影響，在分裂導(dǎo)線振動嚴(yán)重的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)螺栓型間隔棒的疲勞損傷痕跡。114 脫冰跳躍型跳動覆冰使得架空導(dǎo)線垂直荷載增大，產(chǎn)生彈性伸長。在脫冰時刻架空導(dǎo)線上的薄片成片崩落，積蓄的彈性儲能瞬

5、間釋放，迫使架空導(dǎo)線跳起，引起上下跳動。脫冰跳動很容易使上、下層導(dǎo)線產(chǎn)生短路。因此覆冰區(qū)導(dǎo)線的排列方式要保證在垂直方向，錯開一定間距。115 電暈引起的振動超高壓輸電線路在潮濕環(huán)境條件下，在電位梯度超過2kv/mm，較小截面或?qū)Ь€破股處會產(chǎn)生電暈放電。隨著電暈現(xiàn)象的激化，會將帶電的水微粒子射出，反作用力作用于導(dǎo)線上引起有規(guī)律的振動。電暈振動的頻率低，振幅小，危害輕微。12 靜態(tài)應(yīng)力架空輸電導(dǎo)線在握緊型線夾連接處靜態(tài)應(yīng)力主要有：（1）直接來自線路導(dǎo)線的張力；（2）在懸垂點導(dǎo)線彎曲引起的靜態(tài)彎曲應(yīng)力；（3）在導(dǎo)線連接支撐點由張力，彎曲應(yīng)力，導(dǎo)線內(nèi)部應(yīng)力共同作用在線夾處集中形成很強(qiáng)的徑向擠壓力。12

6、1 張力導(dǎo)線的張力在導(dǎo)線中產(chǎn)生了靜態(tài)應(yīng)力，在鋼芯鋁絞線中由于導(dǎo)線各點的應(yīng)力不同，導(dǎo)線的張力隨著溫度變化而不勻稱變化。在最低氣溫-40時，導(dǎo)線的內(nèi)應(yīng)力可達(dá)70mpa100mpa，這時導(dǎo)線上高張力使繃緊的導(dǎo)線自振動增強(qiáng)，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的振動。122 靜態(tài)彎曲應(yīng)力架空輸電導(dǎo)線在懸垂線夾處的靜態(tài)彎曲應(yīng)力與導(dǎo)線的懸垂弧度和導(dǎo)線的張力有關(guān)，與導(dǎo)線的柔韌性和線夾的外形有關(guān)。123 擠壓應(yīng)力架空輸電導(dǎo)線的擠壓應(yīng)力是導(dǎo)線受力的重要組成部分，在導(dǎo)線磨損過程中起很大作用。擠壓應(yīng)力與懸垂線夾的襯墊有關(guān)，并隨著導(dǎo)線張力及懸垂線夾握著力的增加而增大。2、架空輸電導(dǎo)線振動理論分析2.1 振動起因架空輸電線路的導(dǎo)線（避雷線）受

7、到穩(wěn)定的微風(fēng)作用時，便在導(dǎo)線背后形成以一定頻率上下交替變化的氣流漩渦，從而使得導(dǎo)線受到一個上下交變的脈沖動力作用。當(dāng)氣流漩渦的交替變化頻率與導(dǎo)線的固有自振頻率相等時，導(dǎo)線在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生共振，即引起導(dǎo)線振動。導(dǎo)線振動的波形為駐波，即波形不變，波腹上下交替變化，而且導(dǎo)線振動時間常常達(dá)到全年時間的30%50%。無論導(dǎo)線以什么頻率振動，線夾架空輸電線路導(dǎo)線疲勞損傷及防護(hù)措施出口處總是第一波的節(jié)點，所以振動致使導(dǎo)線在線夾出口處反復(fù)拗折，引起材料疲勞，最后導(dǎo)致斷股、斷線事故發(fā)生，對架空輸電線路正常安全運(yùn)行危害極大，必須引起高度重視，采取防振技術(shù)措施。2.2 振動頻率和波長2.2.1 振動頻率根據(jù)試驗，當(dāng)

8、導(dǎo)線受到穩(wěn)定的微風(fēng)作用時，氣流漩渦的交替變化頻率與風(fēng)速和導(dǎo)線直徑有關(guān)，其頻率為：fp=200 v/d（1）式中：fp氣流漩渦的交替變化頻率（hz）；v風(fēng)速（m/s）；d導(dǎo)線直徑（mm）。輸電線路導(dǎo)線為兩端固定的一條弦線，其固有自振頻率為：（2）式中：fd導(dǎo)線固有自振頻率（hz）；t導(dǎo)線張力（n）；w導(dǎo)線單位長度重力（n/m）；導(dǎo)線應(yīng)力（mpa）；g1導(dǎo)線自重比載（n/m·mm2）；導(dǎo)線振動波波長（m）2.2.2 振動波長根據(jù)共振的條件ff=fd，即由式（1）和式（2）關(guān)系，可以求出導(dǎo)線振動波的波長為：（3）則振動波的半波長/2為：（4）3 、架空輸電導(dǎo)線防振措施從理論上講可采用增加桿

9、塔數(shù)量，降低導(dǎo)線應(yīng)力的辦法來提高導(dǎo)線抗疲勞能力，但這種方法因增加了投資成本而不經(jīng)濟(jì)，從而要采取其它防護(hù)技術(shù)措施，控制疲勞損傷。根據(jù)引起導(dǎo)線振動的原因及其影響因素和振動破壞機(jī)理，防振措施可以從以下幾個方面考慮。31 防止和削弱振動的方法（1）在導(dǎo)線上加裝防振裝置，以吸收或者減弱振動能量。例如目前廣泛采用的防振錘、阻尼線等防振裝置。（2）利用線路設(shè)備本身對導(dǎo)線振動的阻尼作用，減小導(dǎo)線振動振幅。例如采用柔性橫擔(dān)、偏心導(dǎo)線等。（3）從根本上消除引起導(dǎo)線振動的條件。例如選線路徑避開易震區(qū)；降低年平均運(yùn)行應(yīng)力到不易發(fā)生振動的程度等。32 提高線路設(shè)備耐震性能的方法（1）在線夾處導(dǎo)線上加裝護(hù)線條或打背線，以

10、增強(qiáng)線夾出口附近導(dǎo)線的剛性，減少彎曲應(yīng)力、擠壓應(yīng)力和磨損程度，同時也能對導(dǎo)線振動起到一定阻尼作用。（2）改善線夾的耐震性能，推廣使用防振線夾。對于中心回轉(zhuǎn)型懸垂線夾采用適度增加轉(zhuǎn)動點外包絡(luò)角度，以及線夾轉(zhuǎn)軸位置的靈活程度，從而線夾隨著導(dǎo)線的上下振動能靈活轉(zhuǎn)動，減小導(dǎo)線在線夾出口處的彎曲應(yīng)力。（3）在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件許可的條件下，盡可能降低導(dǎo)線的靜態(tài)應(yīng)力。修訂線路設(shè)計規(guī)程中在年平均氣溫氣象條件下，“年平均運(yùn)行應(yīng)力上限”不超過瞬時破壞應(yīng)力16%25的規(guī)定,并采取必要的防振措施。33 護(hù)線條護(hù)線條是用具有彈性高、強(qiáng)度大的鋁合金絲按規(guī)定根數(shù)編制，預(yù)制成螺旋狀的預(yù)絞絲護(hù)線條，緊緊纏繞在導(dǎo)線外層，裝入懸掛點線

11、夾中，以增加線夾出口附近導(dǎo)線的剛度，降低導(dǎo)線所承受的靜態(tài)和動態(tài)的彎曲應(yīng)力，使應(yīng)力均勻分布，從而保護(hù)導(dǎo)線。護(hù)線條不能控制線路的振動，而僅僅是消除它的影響，另外護(hù)線條也不能使導(dǎo)線在長期振動條件下不發(fā)生疲勞破壞，因此還需要采用減振器來控制振動。34 減振阻尼器減振阻尼器分調(diào)頻率減振器和沖擊型減振器，依據(jù)振動特點分別對導(dǎo)線振動進(jìn)行防治。341 調(diào)頻率減振器防振錘是一種廣泛使用的調(diào)頻率減振器，其原理是當(dāng)導(dǎo)線振動時防振錘的夾板也隨導(dǎo)線上下移動，由于兩個重錘具有較大的慣性不能和夾板同步移動，致使防振錘的鋼絞線兩端的重錘不斷上下彎曲，使股線之間不斷磨擦，從而消耗導(dǎo)線振動傳給它的能量，達(dá)到削弱振動的防振效果。防

12、振錘是利用頻率變化特征的一種動態(tài)吸收裝置，防振錘的型號隨波形頻率范圍的不同而變化，頻率越高選用的防振錘越輕，防振錘安裝的地點應(yīng)盡量接近波腹，以最大限度地消耗導(dǎo)線振動能量。為了使防振錘對可能出現(xiàn)危險的各種振動都發(fā)揮其消振作用，防振錘的安裝位置應(yīng)照顧到最大及最小波長的振動。當(dāng)線路檔距較大或?qū)Ь€較粗時，可適當(dāng)增加防振錘的數(shù)量，以便提高防振效果。342 阻尼線阻尼線的防振原理相當(dāng)于多個聯(lián)合的防振錘。阻尼線是用一種撓性較好的鋼絞線或子導(dǎo)線同牌號的導(dǎo)線按花邊狀扎固在懸垂點兩側(cè)的導(dǎo)線上，阻尼線的花邊可將檔距中振動傳到線夾附近的振動波及所帶來的能量消耗掉，從而使振動大大減弱，達(dá)到消振效果。通常情況下，調(diào)頻率減

13、振器有一個特定的頻率特征范圍，這個頻率覆蓋一般張力、風(fēng)速條件下導(dǎo)線微風(fēng)振動頻率，由于小直徑導(dǎo)線具有較高的頻率，阻尼線對高頻振動有較好的防振效果，故比較適合于小截面導(dǎo)線或大跨越檔距的防振。343 沖擊型減振器防振鞭是目前最常用的一種沖擊型減振器。防振鞭對小直徑的線路，靜態(tài)線路和光纖線路的高頻率振動的減振非常有效，防振鞭通過與線纜的撞擊來消散振動能量進(jìn)而達(dá)到減弱線路微風(fēng)振動的效果（見圖1），這種類型的減振器對于小截面的導(dǎo)線非常有效，而對于較大截面的導(dǎo)線效果就不太理想了?？傊臏p振效果取決于防振鞭與導(dǎo)線之間質(zhì)量和頻率的關(guān)系。圖1防振鞭344 防舞動鞭防舞動鞭是用來防止架空輸電導(dǎo)線的舞動。當(dāng)架空輸電

14、導(dǎo)線舞動時，導(dǎo)線本身具有一種振動的扭轉(zhuǎn)方式，它可以轉(zhuǎn)化為垂直的橢圓運(yùn)動，進(jìn)而引起較高的應(yīng)力組合，致使導(dǎo)線發(fā)生損傷。當(dāng)舞動開始時，防舞動鞭可以制止這種扭轉(zhuǎn)力作用于導(dǎo)線上，從而使導(dǎo)線從扭轉(zhuǎn)中穩(wěn)定下來，防舞動鞭改變了風(fēng)力作用于導(dǎo)線的空氣動力性形狀，這時導(dǎo)線表現(xiàn)出很強(qiáng)的穩(wěn)定性，這種裝置對于抑制舞動的發(fā)生非常有效（見圖2）。1-握緊段；2-支撐段；3-一個螺旋長度；4-防舞段圖2防舞動鞭35 阻尼型防翻轉(zhuǎn)間隔棒阻尼型防翻轉(zhuǎn)間隔棒主要防止導(dǎo)線舞動翻轉(zhuǎn)及次檔距振蕩造成導(dǎo)線與間隔棒之間的磨損。為此在330kv及以上線路上，采用阻尼型防翻轉(zhuǎn)間隔棒取代以前普通型間隔棒，以提高保護(hù)導(dǎo)線的效率，從而使線路更安全地運(yùn)行。結(jié)束語架空輸電導(dǎo)線在風(fēng)口地段常發(fā)生導(dǎo)線舞動現(xiàn)象，這使導(dǎo)線在很短