输电线路覆冰舞动及解决措施分析
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摘要：本文阐述了设置相间间隔棒和带可旋转线夹的分裂导线间隔棒能有效防御导线覆冰舞动灾害。
2008年1月发生在我国南方地区的冰冻灾害，使南方电网遭受了有史以来最为严重的破坏。据统计，湖南电网14条500kV、44 条220kV 和121条110 kV线路停运；江西电网17条500kV、57条220kV和168条110kV线路停运； 浙江电网23条500 kV、21条220 kV和14条110kV线路停运。雪灾造成国家电网直接经济损失104.5亿元，灾后电网恢复重建和改造需要投入资金390亿元。
导线覆冰舞动是输电线路覆冰灾害之一。导线覆冰后，形成非圆形界面，在风的激励下产生低频、大幅振动，并极易与铁塔形成塔-线藕联体系，放大舞动效应。长时间的舞动导致杆塔、绝缘子、导线及金具受到异常不平衡冲击而疲劳损伤，以及造成导线相间和相对地闪络，严重威胁电网的安全运行。有必要就导线覆冰舞动的原因进行分析并探索经济、有效的措施防御导线覆冰舞动，减少高压架空线路的覆冰损害。
1． 导线覆冰舞动的原因
导线覆冰形成的原因是过冷却的冻雨在自重与风的作用下滴落到温度为0 ℃以下的导线上时，冻结成冰凌，附着在导线表面，并不断积累，形成覆冰。由于冻雨自重与风的相互作用，覆冰首先在迎风向导线斜上表面形成并发展，如图1 中“1”位置所示，随着覆冰的积累，当导线的抗扭刚度不足以抵抗覆冰偏心对导线截面形心引起的弯矩时，导线发生扭转，使导线表面的覆冰趋向均匀，如图1（a）所示；如导线的抗扭刚度较大时，如大截面导线和分裂导线， 不均匀覆冰的自重不足以使导线扭转，或使导线发生扭转的角度较小时，导线表面覆冰不均匀的现象较为突出，简化为如图1（b）所示模型。
下面以LGJ400 导线（D=27.63mm）为例分析不均匀覆冰导线舞动的启动条件。假设均匀覆冰时厚度为10mm，将导线不均匀覆冰的截面形状简化为半椭圆状，椭圆的短直径b与导线截面半径相等，覆冰迎风面积简化为过m点的切面，切面与水平面的夹角为45°，切面的宽度与覆冰截面的长半径a相等，如图1（b）所示。
根据覆冰截面积与均匀覆冰时相等可得切面的宽度为：
假定线路所在地基本风速为V，风速与导线长度方向垂直，导线离地高度50 m，B类地形，忽略导线风载体型系数与风振系数，则风压引起的1m长度导线上扬力Fy为：
由本算例可见，当基本风速达到27.22 m/s时，不均匀覆冰导线便具备了舞动的启动条件，并进一步诱发导线产生低频（0.1～3Hz）、大幅（约为导线直径5～300倍）自激振动，亦称舞动。导线的舞动受风速、风向、线路档距、导线型号、覆冰形状等多种因素影响，但舞动的轨迹基本为以垂直方向为长径的椭圆，如图2 所示。
2． 覆冰舞动对策
采用带可旋转线夹的导线间隔棒代替传统的分裂导线间隔棒和安装相间间隔棒可以防止不均匀覆冰导线的舞动，降低舞动灾害的发生。这两种方法在国外已经广泛应用， 运行结果表明效果良好。我国目前这两种导线防舞动方法尚未大范围推广，下面分别介绍这两种防舞动措施。
2.1 防舞动相间间隔棒
在导线相间安装绝缘间隔棒，把一个档距分割为几个小的区间，相当于减小档距，抑制振动的发生；相间间隔棒传递异相导线振动的能量，使不同导线振动相互影响，扰乱导线位相，抑制导线振动；保证相间距离，防止闪络发生。
传统的相间间隔棒的绝缘材料是瓷制的，自重大，增加铁塔的荷载，往往需要考虑提高铁塔的强度，而且会增加导线的弧垂，导致导线对地面净空距离不满足要求。SR相间间隔棒的开发很好地解决了这一问题， 其绝缘部分由FRP 材质聚合物绝缘子内芯外包硅橡胶材质的外皮构成， 如图3所示。这种间隔棒质量轻，强度高，耐久性好，目前已经开发出500 kV及以内各等级线路相匹配的SR相间间隔棒，并在工程中大量应用。
2.2 带可旋转线夹的导线间隔棒
传统的导线间隔棒的所有线夹都与导线固连，导线抗扭刚度大， 即使在导线覆冰不均匀的情况下，导线也难以在覆冰偏心重力的作用下扭转趋向均匀，导线覆冰的不均匀现象严重，在强风作用下易产生舞动现象。带可旋转线夹的导线间隔棒为日本旭电机技术研究中心研发，该线夹已在日本广泛应用，运行结果表明其防舞动效果佳、安全性高。目前，我国对于该种线夹的应用尚处于起步阶段。
以四分裂导线为例分析带可旋转线夹的导线间隔棒防御导线覆冰舞动的原理。将间隔棒的迎风向两个线夹设置为可旋转线夹，可旋转线夹允许导线在一定角度内扭转，扭转幅度范围为-80°～+80°，在不均匀覆冰偏心自重的作用下易于发生扭转；右侧两根导线由于固定线夹的作用抗扭转刚度较左侧导线大，在不均匀覆冰作用下难以扭转，因此不均匀覆冰现象严重。覆冰形状的不同使得迎风向和背风向导线覆冰的迎风角不同，在风压作用下产生力的方向不再一致，甚至相反，从而防止覆冰导线舞动，如图4所示，另外还有一种为可旋转线夹是对称分布的。带可旋转线夹的导线间隔棒是在传统导线间隔棒的基础上设计发明的，不但具有防止覆冰导线舞动功能，而且完全具备传统导线间隔棒的所有性能和特点。
应用于两分裂导线和四分裂导线的带可旋转线夹的间隔棒构造如图5所示。
3． 总结
导线覆冰舞动是架空输电线路的覆冰引起的灾害之一， 舞动的产生与覆冰截面形状和风速有关，具有一定截面形状和尺寸的覆冰导线在风速达到某一数值时，风压对导线与覆冰产生的上扬力将超过自身重力，使舞动的形成具备了启动条件。经过国外多年运行经验，相间间隔棒和带可旋转线夹的分裂导线间隔棒能有有效而且经济地防御导线覆冰舞动灾害，这两项导线防舞动技术具有一定的推广价值。
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