浅谈架空输电线路导线损伤问题分析及防护措施

浅谈架空输电线路导线损伤问题分析及防护措施摘要：笔者结合多年现场工作经验，对架空输电线路导线损伤成因进行了分析，并总结了相关的防护措施，仅供同行业人员参考。关键词：输电线路；导线疲劳损伤；成因：措施1架空输电导线疲劳损伤的成因架空输电线路导线普遍采用嵌入式握紧线夹固定，经过材料力学分析与工程实际检测证明，主要承受静态应力和动态应力两类应力。1．1静态应力架空输电导线在握紧型线夹连接处静态应力主要有：（1）直接来自线路导线的张力；（2）在悬垂点导线弯曲引起的静态弯曲应力；（3）在导线连接支撑点由张力，弯曲应力，导线内部应力共同作用在线夹处集中形成很强的径向挤压力。1．1．1张力导线的张力在导线中产生了静态应力，在钢芯铝绞线中由于导线各点的应力不同，导线的张力随着温度变化而不匀称变化。在最低气温-40℃时，导线的内应力可达70MPa~100MPa，这时导线上高张力使绷紧的导线自振动增强，进而引发严重的振动。1．1．2静态弯曲应力架空输电导线在悬垂线夹处的静态弯曲应力与导线的悬垂弧度和导线的张力有关，与导线的柔韧性和线夹的外形有关。1．1．3挤压应力架空输电导线的挤压应力是导线受力的重要组成部分，在导线磨损过程中起很大作用。挤压应力与悬垂线夹的衬垫有关，并随着导线张力及悬垂线夹握着力的增加而增大。1．2动态应力架空输电导线在覆冰、大风、环境温度变化时产生动态应力，动态应力在量值上变化很大，动态应力依据振动程度可分为微风振动，大风舞动，分裂导线子导线间的次档距振荡，脱冰跳跃型跳动和电晕引起的振动。1．2．1微风振动架空输电导线在0.5m/s~5m/s的均匀微风垂直作用于导线时，会在架空线的背风侧形成一个以5Hz~150Hz频率变化的风力涡流。当风力涡流对架空线的冲击频率与架空线固有的自振频率相等时，会使架空线竖直平面内因共振而引起振动加剧，从而形成架空线的振动。微风振动振幅较小，振动初始时产生了交互式应力，在轴向张力方面只有很小的变化，不至于对架空导线静态强度产生较大的影响，但却会由于长时间的振动而使架空线中的铝线线股以及相关金具产生疲劳损伤，从而影响线路运行安全性。1．2．2舞动在5m/s~15m/s的风力作用在非对称外形的导线上产生脉动力，形成大幅度的舞动，这是一种由于空气动力不稳定而产生的现象。输电线路导线在不均匀覆冰及风力的作用下引起的一种低频率（约为0.1Hz~4Hz）,大振幅（约为导线直径的20~300倍）振动。导线发生舞动时，除了垂直方向运动以外，往往伴随有扭转方向的运动。舞动的发生相对于微风振动来说概率较低，但舞动的能量很大，持续时间较长，危害性较大，危害有机械的，也有电气的。从机械方面来说，由于舞动幅度大，并伴有扭转运动，因此对导线金具的强度和耐疲劳性能是一个严峻的考验，严重时会造成断线停电事故。从电气方面来看，同样由于舞动幅度大，容易发生相间闪络，造成导线烧伤，跳闸事故，从而影响线路运行的可靠性。严重的舞动使作用于支撑点的弯曲应力变大，以及张力的大起大落导致金具及附件随着导线的疲劳而损坏。1．2．3次档距振荡通常在4m/s~8m/s的风力作用下，架空输电线路分裂导线上两间隔棒之间子导线的振荡，引起次档距振荡。次档距振荡是一种由迎风侧子导线的尾流所诱发的背风侧子导线的不稳定振动现象，这是一种分裂导线特有的振动形式。次档距振荡频率为（1Hz~3Hz），振幅可达导线直径的几倍到几十倍，介于微风振动和舞动之间，次档距振荡的危害，主要是造成间隔棒与导线之间的机械损伤。来自分裂导线振动的反复弯曲应力发生在导线与间隔棒的连接处，对悬垂线夹处的静态弯曲应力没有影响，在分裂导线振动严重的区域可以发现螺栓型间隔棒的疲劳损伤痕迹。1．2．4脱冰跳跃型跳动覆冰使得架空导线垂直荷载增大，产生弹性伸长。在脱冰时刻架空导线上的薄片成片崩落，积蓄的弹性储能瞬间释放，迫使架空导线跳起，引起上下跳动。脱冰跳动很容易使上、下层导线产生短路。因此覆冰区导线的排列方式要保证在垂直方向，错开一定间距。1．2．5电晕引起的振动超高压输电线路在潮湿环境条件下，在电位梯度超过2kV/mm，较小截面或导线破股处会产生电晕放电。随着电晕现象的激化，会将带电的水微粒子射出，反作用力作用于导线上引起有规律的振动。电晕振动的频率低，振幅小，危害轻微。2架空输电导线振动理论分析2.1振动起因架空输电线路的导线（避雷线）受到稳定的微风作用时，便在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流漩涡，从而使得导线受到一个上下交变的脉冲动力作用。当气流漩涡的交替变化频率与导线的固有自振频率相等时，导线在垂直平面内产生共振，即引起导线振动。导线振动的波形为驻波，即波形不变，波腹上下交替变化，而且导线振动时间常常达到全年时间的30%~50%。无论导线以什么频率振动，线夹出口处总是第一波的节点，所以振动致使导线在线夹出口处反复拗折，引起材料疲劳，最后导致断股、断线事故发生，对架空输电线路正常安全运行危害极大，必须引起高度重视，采取防振技术措施。2.2振动频率和波长2.2.1振动频率根据试验，当导线受到稳定的微风作用时，气流漩涡的交替变化频率与风速和导线直径有关，其频率为：=200V/d（1）式中：—气流漩涡的交替变化频率（Hz）；V—风速（m/s）；d—导线直径（mm）。输电线路导线为两端固定的一条弦线，其固有自振频率为：式中：—导线固有自振频率（Hz）；T—导线张力（N）；W—导线单位长度重力（N/m）；σ—导线应力（MPa）；g1—导线自重比载（N/m·mm2）；λ—导线振动波波长（m）。2.2.2振动波长根据共振的条件，即由式（1）和式（2）关系，可以求出导线振动波的波长λ为：则振动波的半波长λ/2为：3架空输电导线振动防护措施从理论上讲可采用增加杆塔数量，降低导线应力的办法来提高导线抗疲劳能力，但这种方法因增加了投资成本而不经济，从而要采取其它防护技术措施，控制疲劳损伤。根据引起导线振动的原因及其影响因素和振动破坏机理，防振措施可以从以下几个方面考虑。3．1防止和削弱振动的方法（1）在导线上加装防振装置，以吸收或者减弱振动能量。例如目前广泛采用的防振锤、阻尼线等防振装置。（2）利用线路设备本身对导线振动的阻尼作用，减小导线振动振幅。例如采用柔性横担、偏心导线等。（3）从根本上消除引起导线振动的条件。例如选线路径避开易震区；降低年平均运行应力到不发生振动的程度等。3．2提高线路设备耐震性能的方法（1）在线夹处导线上加装护线条或打背线，以增强线夹出口附近导线的刚性，减少弯曲应力、挤压应力和磨损程度，同时也能对导线振动起到一定阻尼作用。例如广泛采用预绞丝护线条。（2）改善线夹的耐震性能，推广使用防振线夹。对于中心回转型悬垂线夹采用适度增加转动点外包络角度，以及线夹转轴位置的灵活程度，从而线夹随着导线的上下振动能灵活转动，减小导线在线夹出口处的弯曲应力。（3）在技术经济条件许可的条件下，尽可能降低导线的静态应力。修订《线路设计规程》中在年平均气温气象条件下，“年平均运行应力上限”不超过瞬时破坏应力16%~25%的规定,并采取必要的防振措施。3．3护线条护线条是用具有弹性高、强度大的铝合金丝按规定根数编制，预制成螺旋状的预绞丝护线条，紧紧缠绕在导线外层，装入悬挂点线夹中，以增加线夹出口附近导线的刚度，降低导线所承受的静态和动态的弯曲应力，使应力均匀分布，从而保护导线（见图1）。护线条不能控制线路的振动，而仅仅是消除它的影响，另外护线条也不能使导线在长期振动条件下不发生疲劳破坏，因此还需要采用减振器来控制振动。3．4减振阻尼器减振阻尼器分调频率减振器和冲击型减振器，依据振动特点分别对导线振动进行防治。3．4．1调频率减振器防振锤是一种广泛使用的调频率减振器，其原理是当导线振动时防振锤的夹板也随导线上下移动，由于两个重锤具有较大的惯性不能和夹板同步移动，致使防振锤的钢绞线两端的重锤不断上下弯曲，使股线之间不断磨擦，从而消耗导线振动传给它的能量，达到削弱振动的防振效果（见图2）。防振锤是利用频率变化特征的一种动态吸收装置，防振锤的型号随波形频率范围的不同而变化，频率越高选用的防振锤越轻，防振锤安装的地点应尽量接近波腹，以最大限度地消耗导线振动能量。为了使防振锤对可能出现危险的各种振动都发挥其消振作用，防振锤的安装位置应照顾到最大及最小波长的振动。当线路档距较大或导线较粗时，可适当增加防振锤的数量，以便提高防振效果。3．4．2阻尼线阻尼线的防振原理相当于多个联合的防振锤。阻尼线是用一种挠性较好的钢绞线或子导线同牌号的导线按花边状扎固在悬垂点两侧的导线上，阻尼线的花边可将档距中振动传到线夹附近的振动波及所带来的能量消耗掉，从而使振动大大减弱，达到消振效果（见图3）。通常情况下，调频率减振器有一个特定的频率特征范围，这个频率覆盖一般张力、风速条件下导线微风振动频率，由于小直径导线具有较高的频率，阻尼线对高频振动有较好的防振效果，故比较适合于小截面导线或大跨越档距的防振。3．4．3冲击型减振器防振鞭是目前最常用的一种冲击型减振器。防振鞭对小直径的线路，静态线路和光纤线路的高频率振动的减振非常有效，防振鞭通过与线缆的撞击来消散振动能量进而达到减弱线路微风振动的效果（见图4），这种类型的减振器对于小截面的导线非常有效，而对于较大截面的导线效果就不太理想了。总之它的减振效果取决于防振鞭与导线之间质量和频率的关系。3．4．4防舞动鞭防舞动鞭是用来防止架空输电导线的舞动。当架空输电导线舞动时，导线本身具有一种振动的扭转方式，它可以转化为垂直的椭圆运动，进而引起较高的应力组合，致使导线发生损伤。当舞动开始时，防舞动鞭可以制止这种扭转力作用于导线上，从而使导线从扭转中稳定下来，防舞动鞭改变了风力作用于导线的空气动力性形状，这时导线表现出很强的稳定性，这种装置对于抑制舞动的发生非常有效（见图5）。3．5阻尼型防翻转间隔棒阻尼型防翻转间隔棒主要防止导线舞动翻转及次档距振荡造成导线与间隔棒之间的磨损。为此在330kV及以上线路上，采用阻尼型防翻转间隔棒取代以前普通型间隔棒，以提高保护导线的效率（见图6），从而使线路更安全地运行。4结论（1）架空输电导线的疲劳损伤是由静态应力和动态应力引起的。解决这个问题的关键是依据线路振动的特点，制造相应的防护金具，如：护线条、防振锤、阻尼线、防振鞭等共同来降低线路悬垂点上的组合应力，从而有效地延长导线及支撑金具的使用寿命。（2）架空输电导线在风口地段常发生导线舞动现象，这使导线在很短的时间内发生很大的张力变化和动态变形，从而导致导线产生严重的损坏，为防止导线舞动的频发，在线路风口地段的档距中使用防舞动鞭，有效地降低导线舞动的发生。（3）架空输电导线次档距振荡是分裂导线上两间隔棒之间子导线发生的振动现象。这种振动介于微风振动和舞动之间，由于长期的振动会造成导线与隔棒之间的磨损。为此采用阻尼型防翻转间隔棒来消除这种磨损并防止子导线翻转，从而提高线路运行的可靠性。参考文献：［1］赵先德.输电线路基础［M］.第2版.北京：中国电力出版社，2010，5.［2］刘振亚主编.特高压电网［M］.第1版.北京：中国经济出版社，2005.［3］郭应龙，李国兴等著.输电线路舞动［M］.第1版.北京：中国电力出版社，2003.注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。