0 引言
架空输电线路导线灾害中,舞动是较为严重的一种灾害形式。统计资料表明,我国属于舞动灾害最严重的国家之一,截止目前,我国共发生有文字记录的舞动事故约290起(同一时间、同一地区发生的记为1起)。随着我国电网规模的快速发展和恶劣气象的频繁出现,电网发生舞动事故的频率明显增加,危害程度增大,几乎每年都会发生较严重的舞动故障,造成了严重的经济损失和社会影响。最严重的是2009年11月到2010年3月,河南、山东、湖南、江西、浙江、辽宁、河北等省相继出现7次大范围输电线路覆冰舞动现象,造成多条不同电压等级线路发生机械和电气故障,损失严重。其中山西、浙江、江西、湖南、河北、山东6省都是首次出现大规模的舞动现象,严重威胁电网的安全稳定运行[1-3]。
国内外在舞动研究与治理方面开展了大量工作,取得了一定的成效,但我国电网的舞动事故还是频繁发生,仍然是威胁电网安全稳定运行的主要因素之一。这主要是由于舞动是强非线性振动问题,无论是舞动机理研究还是防舞技术研究都有很大的难度,舞动问题是架空输电线路领域国际公认的难题。在机理研究方面,经过近百年的研究和发展,创立了4种有代表性的舞动激发理论,即Den Hartog机理(垂直振动激发机理)、O.Nigol机理(扭转振动激发机理)、惯性耦合机理、稳定性机理等。这些机理只是从某一方面或某个角度解释了舞动的发生问题,并不能解释各种舞动现象,或者说,舞动问题还没有一个统一的机理进行解释。在防舞技术方面,尤其是防舞装置方面,依据上述4种机理研发了数十种不同特点的防舞装置,但每种装置只能适用于某个地区、某种条件下的导线防舞,并没有一种放之四海而皆准的万能的防舞装置,并且,经济实用的常用防舞装置不到10种。因此,由于舞动问题的复杂性,其彻底解决的难度极大,舞动研究和治理还有很长的路要走。
目前常用的防舞装置主要包括相间间隔棒、双摆防舞器及回转型间隔棒等,但对于一些气象环境复杂地区仍不能完全解决舞动问题[4]。研究新型架空输电线路导线大幅振荡防治技术,研制适用于复杂环境下新型导线大幅振荡防治装置,针对不同环境等条件下导线舞动现象提出有效的防治方案,提升架空输电线路防灾设计水平,对保障超特高压线路的安全运行具有非常重要的意义。
1 限位式防舞机理
舞动初期,随着导线系统风能的积聚,导线发生小幅度的横向振动,并且会产生横向振动与扭转向振动的耦合作用。如果不采取措施,随着风能的输入,舞动幅值会不断增大,最终产生低频率(一般0.1~3 Hz)、大振幅(一般>3 m)的严重舞动,造成线路机械和电气故障,严重威胁电网的安全稳定运行。限位式防舞是指针对不同线路舞动特点,在模态分析的基础上,在可能发生舞动振型的波腹处增加约束装置,在安装点处形成波节点,以实现对舞动抑制作用的防舞方法。在1个档距中,如能形成若干个节点(即不发生振动的点),相邻2个节点之间就形成1个节距,这样就能把振动限制在各个节距之内了。通过对节点的合理布置,使振动得以抑制,或使各节距内的振动在以行波形式传播时相互干扰、相互削弱或抵消,从而达到抑制舞动的目的。
分析认为在导线档中若干位置布置拉线式约束是可行的,限制舞动初期的导线振动,并限制导线横向振动与扭转向振动的耦合,从而能抑制舞动的发生。如何在导线上合理、有效地配置限位式防治装置,以及防舞装置的机械和电气性能设计是限位式防舞技术的关键。
2 限位式防舞方案设计
2.1 限位点的确定
由于导线在悬挂时,一般以悬链线的形式存在,其形态类似于余弦曲线。静止状态下的形状可认为是1阶导线的向下方向的最大振荡幅度状态[5-6]。导线舞动时其形态分成1阶、2阶以及多阶形态,如
理论分析和实际观测表明,线路舞动出现的阶次具有一定的规律性。一般而言,400 m以下档距线路多出现1阶舞动;而档距在400~600 m之间时,常出现2阶舞动;而当档距>600 m时,常出现3阶及以上舞动[7-8]。因此,限位式防舞可把线路依档距分为3类考虑,综合考虑经济及运维需要,确定限位点的布置方案,如
图1
导线舞动示意图
Fig.1
Conductor galloping diagram
距>600 m时,可设置3个及以上限位点,具体方案见
2.2 限位点舞动荷载的计算
舞动将产生巨大的能量,在限位点增加约束装置会承受舞动产生的荷载,此荷载是限位式防舞装
置设计的关键[9-11]。采用导线悬垂线的静态变形计算方法,可以确定单相导线限位荷载的大小。这种方法较为粗略,但完全满足工程需要。
假设导线发生1阶舞动,即限位点位于档距中点。导线的自然弧垂f可表示为
式中：H0为导线张力,N;l为档距,m;q为导线单位长度重力,N/m。
当导线舞动时,其舞动幅度为y时,如
将式(1)、(2)代入挠曲方程可得
式中k为提升力F与导线总重力之比。在已知弧垂f和舞动幅度y的情况下,代入式(3),可得出k值。将k值代入式(4)可得F。
舞动幅度y可依据可能的冰风条件及线路参数经仿真计算得到。
当计算出限位点处的垂直荷载后,考虑安全需要,设置一合理安全系数后(一般安全系数n取2.5),即可确定限位装置的设计荷载,这是限位装置结构设计和材料选择的关键。
对于2阶及以上阶次的舞动,即采取多点限位防舞时,由于其舞动幅度一般比单阶舞动幅度小,限位荷载也小于1阶舞动的限位荷载,为安全起见,并考虑防治装置加工及施工安装的便利性,对多点限位时,其限位设计荷载取单点限位荷载。
3 限位式防舞方案仿真及试验
3.1 限位式防舞方案有限元分析
以2018年1月24日至2018年1月31日某地区输电线路大范围雨雪冰冻灾害时的气象条件进行线路舞动特性及舞动区域等级分析。根据舞动线路的塔线体系建立有限元模型,塔线体系按耐-直-耐-
表1
限位式防舞限位点布置方案
Table
1 Arrangement scheme of limited anti-dance limited location
图2
受力分析示意图
Fig.2
Diagram of force analysis
图3
连续5档塔线模型
Fig.3
Continuous five-stage tower-line model
表2
耐张段塔型型号
Table
2 Tower type of tensile section
直-直-耐布置,铁塔、导线、地线与绝缘子均采用梁单元建模。塔线模型如
该线路段塔线体系在自重-张力作用下进行找形分析[12-14],导线、地线的张力分布见
表3
舞动计算参数
Table
3 Galloping calculation parameters
图4
找形后导线初始运行张力
Fig.4
Initial operating tension of conductor after shape finding
假定全线5档导线均发生舞动,计算舞动时塔线体系的动力学响应。该线路设计参数及现场观测记录如
自2018年1月25日凌晨至1月28日出现长时间持续舞动,持续时间长、幅值大。根据所列线路的参数条件(包括导线型号、分裂数、运行张力以及档距),首先可得到各线路发生2阶舞动时,其稳态响应幅值随风速变化的响应曲线,如
由
利用有限元仿真方法和软件,对舞动时整个耐张档的动态张力和绝缘子受力情况进行分析,建立了计算模型,仿真结果及数据统计如
分析结果显示,当耐张塔左右两侧发生对称舞动时,绝缘子串产生的动态拉力峰值最大。当2阶舞动幅值为2~3 m时,单导线所承受的拉力仅为40 kN左右,尚不足其拉断力的50%,依然处于安全范围内,但其绝缘子所承受的拉力可以达到63 kN,极有可能对绝缘子的关键部分造成破坏,从而引发掉串事故。当2档导线进一步掉落的过程中,惯性力、弹性力和重力相耦合,会对右端的186号耐张
图5
找形后塔线系统轴力分布图
Fig.5
Axial force distribution of tower-line system after shape finding
表4
舞动区段设计参数及现场观测记录
Table
4 Design parameters of dancing section and field observation records
图6
稳态响应幅值随风速变化的响应曲线
Fig.6
Response curve of steady-state response amplitude varying with wind speed
图7
耐张档有限元模型仿真结果
Fig.7
Simulation results of tension-resistant finite element model
塔施加冲击载荷,造成其导线、绝缘子、横担以及塔材部分出现严重损坏。
根据
由
3.2 限位式防舞方案防治效果评估试验
根据限位式防舞方案在真型输电线路综合试验基地开展舞动防治效果评估试验[17-18],限位式防治装置安装位置示意图如
为评估防舞装置的防舞效果,本试验对上文中所述的几次大风条件下的导线张力变化情况进行了分析,如
通过防治效果评估试验结构表明：
1）安装限位式防舞装置之后,在风速达到起舞风速的情况下,导线张力变化不明显,导线舞动振幅未继续增大,验证了该装置舞动防治效果的有效性。
2）经过长时间在真型试验线路上的应用,装置外观完整,内部机械结构无损坏,因此满足现场运行所需要的强度要求。
4 限位式防治装置试点应用
4.1 限位式防治装置特点及适用性
限位式防治装置与常规防舞装置区别主要在于其通过强制限制导线的舞动幅值达到防舞的目的,而常规防舞装置多采用压重提升导线的起舞冰风阈值、改变导线扭转特性以减轻风的激励等方式。与现有防舞技术相比,限位式防舞技术防舞技术的
图8
5档导线及限位式防治装置安装图
Fig.8
Installation drawings of five-stage wire and limited preventive device
图9
应用限位式防舞方案后导线舞动仿真结果
Fig.9
Simulation results of conductor galloping by applying the limited anti-dancing scheme
图10
限位式防治装置安装位置示意图
Fig.10
Schematic diagram of installation position of limit preventive device
表5
舞动事件一览表
Table
5 List of dancing events
表6
舞动及张力变化情况表
Table
6 Dancing and tension change
主要是防舞效果最好,且具有可调节功能,其内部预留一段防腐钢丝绳可补偿导线因温升而引起的导线弧垂高度变化。
限位式防治装置结合基础、连接金具等装置形成一套系统,安装施工较复杂,其造价比常规防舞装置要高一些,建议在3级舞动区或常规防舞装置无法满足防舞需求的地区使用。对于山区及跨越段,因受地形影响,无法构建基础而无法使用。
4.2 限位式防治装置应用
通过对某公司架空输电线路舞动区域分布及特点和冰区灾害分布及特点进行分析,并与相关线路运行部门讨论,最终确定限位式防治装置试点应用线路,并根据限位式防舞方案开展试点应用工作。
2018年1月,限位式防治装置某试点应用线路发生大范围舞动现象,与安装限位式防治装置线路相关参数相似的耐张段发生多级铁塔损坏、掉串等事故。
试点应用线路舞动后,对安装限位式防治装置区域进行现场巡查,发现无铁塔损坏、掉串等现象,限位式防治装置无损坏且可正常工作。
通过试点应用表明,安装限位式防治装置能够有效提升架空输电线路的防舞能力,可以有效地保证线路舞动时的正常运行。
5 结论
1）基于节点分割原理,提出了限位式防舞机理,通过数值仿真计算,验证了其有效性,为架空输电线路防舞治理提供了理论依据。
2）结合架空输电线路的导线、分裂数及排列类型等方面的技术参数,提出了限位式防舞方案,并通过数值仿真计算及防治效果评估试验,验证了其有效性,为试点应用工作奠定了基础。
3）依据试点应用线路的相关参数,结合安装限位式防治装置后线路的舞动幅值、弧垂最低点最大张力等特性,开展了限位式防治装置试点应用工作,验证了限位式防治方法的有效性,为限位式防治装置的应用提供了相关依据。
参考文献
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