[科普中国]-导线舞动

背景

随着我国经济的快速发展，对电能的需求量和对电能质量的要求也不断提高，电力能源已经成为社会存在和发展的必需品。但是由于各种因素的影响，我国部分地区电网事故还依然存在，电网事故不仅影响大、速度快、后果严重，而且直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。

输电线路导线舞动是长期以来影响本地区电网输电线路度冬安全的重要因素，其可以造成输电线路跳闸、铁塔横担部分螺栓脱落以及铁塔横担、跳线、绝缘子、金具受损，使得电网运行形势极为严峻2。

输电线路导线舞动的机制在输电线路中，当导线受到横向速度风载荷作用时，就会产生一个向上下加速度运动，就会使导线受到一个空气动力力矩的作用从而产生扭转。当扭转运动的频率与其垂直运动的频率同步时，就会产生导线舞动。由于目前对舞动的机理尚不完全明确，防止舞动的措施也还不够完备，但是从舞动的重复性可知，输电线的舞动显现是由规律可循的3。

并且由于架空输电线路杆塔是一种大跨度高耸结构、导线刚度较柔、自振周期大，对风载荷的激励十分敏感。在一些外在因素的作用下，输电线路的舞动幅度大，因此容易引起相间闪络，造成线路跳闸停电，而这种情况下的故障会给电网的安全运行带来较大的危害。4

输电线路导线舞动的原因导线的扭曲运行是助长舞动的主要原因，在大振幅导线舞动的时候，就会形成同一周期的扭转运动。对于导线本身吸收的能量，绝缘子、端部等金具所吸收的能量所占的比例就很小，舞动易于发生。导线的张力越大，导线本身吸收的能量就会越少，越有利于舞动的形成和发展。4

输电线路导线舞动的力学分析架空导线振动模态可分为面外和面内振动，面内振动模态又分为对称和反对称模态。与架空导线的初始构形类似，其动力特性的分析有解析法和有限元法两种。

动力特性的解析法解析法是根据达朗贝尔原理建立悬索的自由振动方程进行求解的方法。架空导线的垂跨比一般小于 1/8，并且主要关心面内竖向振动和面外振动，可以忽略纵线向的振动。

动力特性的有限元法解析法计算动力特性只适用于两端铰接的单档导线受到竖向均布荷载的情况，对于实际工程中多种荷载和复杂边界条件下的多档输电线的动力特性问题，需要利用有限元方法进行计算。研究认为，在一定的风速和攻角条件下，就会发挥舞动。由于可见，架空导线是否舞动与覆冰导线截面的气动力特性有关。4

输电线路导线舞动的防治措施输电线路导线舞动的防治是一个复杂的系统工程，各种输电线路导线舞动治理措施都只能在一定程度上抑制和削弱导线舞动，很难彻底消除。因此必须从规划设计到运行维护，在避、抗、防等各个环节进行综合治理，开展全过程舞动治理。

一是对舞动的线路设备进行全面检查，分析评估舞动对线路设备造成的影响。对舞动幅度大、持续时间长的线路金具和绝缘子进行抽样试验，对疲劳受损元件结合停电进行更换。二是对线路舞动区段开展防舞动治理，同塔双回线路至少一条线路采取防舞措施，重要联络线优先治理，其它未舞动区段结合地形、地貌、线路走向、杆塔结构等因素，开展舞动可能性分析，必要时进行治理，确保在发生大面积舞动的情况下，各电压等级线路，尤其是核心骨干网架、战略性输电通道、重要负荷供电线路等线路的安全稳定运行5。三是对线路加装线夹回转式间隔棒、相间间隔棒、双摆防舞器等防舞装置进行防舞技术改造。四是在舞动区安装必要的舞动监测装置，对输电线路舞动进行实时监测。建设分布式小型气象站，对气象信息进行监视和预警。为调度和应急处置提供技术手段，为舞动治理提供数据支撑。

比如 2013 年，某某境内遭遇大风侵袭，瞬时最大风力达 7 级，当地电业局立即启动恶劣天气应急预案，迅速组织人员对各变电站设备及供电线路进行特殊巡视，认真检查设备区母线及引流线有无松动、断股现象及设备上有无大风刮起的杂物，对输电线路易舞动区域和线下建筑区域加强巡视力度，杜绝一切因大风引起危及设备、线路的安全隐患，确保电网在恶劣天气下的安全运行。

总之，输电线的导线舞蹈给安全可靠运行造成了极大的危害，我们需要积极加强力学分析，才能做到有针对性的治理，保证导线舞动治理工作的长期性和连贯性。4

2009—2010年冬季线路舞动事故概述2009—2010年冬季,受7次大范围大风降温、雨雪冰冻等恶劣天气影响，公司系统河南、山西、湖南、江西、浙江、东北、辽宁、河北、山东、陕西、湖北、安徽、江苏等13个网省公司共634条66 kV及以上输电线路发生舞动现象，造成337条66 kV及以上电压等级线路发生闪络跳闸619次。

线路舞动除引起电气故障外，还同时造成螺栓松动、脱落，金具、绝缘子、跳线损坏，导线断股、断线，塔材、基础受损等严重的机械损伤。6

2009—2010年冬季线路舞动规律及特点分析研究结果表明，线路舞动是由于导线发生偏心覆冰后，在风的激励作用下产生的一种低频(约0. 1～ 3 Hz)、大振幅(> 10 m)的自激振动现象。舞动的形成主要取决于3方面的因素，即覆冰、风的激励(风速及风向)和线路结构参数。2009—2010年冬季发生的线路舞动属于典型的覆冰舞动，其发生条件、舞动表现形式、造成后果等与以往舞动规律基本一致，但也具有一些新特性。

舞动发生规律从气象条件看，2009年11月入冬以来的气象特点较往年存在较大差异，主要表现为降水多、降温幅度大、范围广、过程频繁、持续时间长、极端降温事件多等，每一次天气过程中均有雨雪冰冻，并伴有大风降温，极易诱发线路覆冰舞动。7次大面积线路舞动，基本都经历了雨淞或雨夹雪天气过程，并有明显的导线覆冰，覆冰厚度约为4～ 25 mm。

从线路走向看，舞动线路的路径区域以平坦开阔平原或丘陵为主，96%的舞动线路(区段)为东西走向。由于我国冬季的主导风向以北风或偏北风为主，发生舞动线路的走向与主导风向的夹角普遍> 45°。少数南北走向的舞动线路，舞动发生时的线路受微地形、微气象影响，舞动发生时风向与线路走向夹角较大。

从线路结构看，不同结构的线路舞动发生情况不尽相同，其中500 kV和220 kV线路舞动情况较多，占舞动线路总数的60%。发生舞动的500 kV线路，其导线多为4分裂、6分裂型式，220 kV线路导线多为双分裂型式；按杆塔结构型式分，架线较高的同塔双/多回线路占舞动线路的61.5%，舞动发生区域内的紧凑型线路普遍发生了舞动。

线路舞动特点与以往线路舞动事件相比，2009—2010年冬季线路舞动表现出一些新的特点：

1)舞动范围扩大，频度明显增加：2009— 2010年冬季7次舞动过程波及14个网省公司，湖北、河南、辽宁等传统的易舞区线路舞动仍较严重，而历史上极少发生舞动的河北、山东、浙江、山西、陕西、安徽和江苏等省份也相继发生了大范围的舞动现象，舞动区域范围明显扩大。冬季每一次大风降温、冰冻雨雪天气过程，都有线路舞动事件发生，仅河南就发生了3次大范围的线路舞动，舞动发生频度明显增加。

2)舞动发生规模较大，涉及电压范围广：据统计，2000— 2008年间公司系统500 kV、220 kV舞动线路总数分别为43条和54条；而2009— 2010年冬季的7次舞动中，500 kV、220 kV舞动线路为148和212条，远超过前9年总和。同时，舞动线路范围涉及10～ 500 kV各个电压等级线路，部分通讯线路、电铁接触网也发生了舞动故障。

因此，舞动已不能简单认为是个别地区、个别区段的小概率事件，当气象、覆冰、线路结构参数等条件满足舞动发生条件时，各区域、各电压等级输电线路均可能发生舞动，并导致线路事故的发生。

3)新型线路抗舞能力较弱：7次线路舞动过程中，同塔双(多)回线路较之单回线路、紧凑型线路较485之普通线路更易受到舞动影响，在相同气象、覆冰及地貌条件下，新型线路更易发生舞动，舞动发生后也更易发生跳闸故障，同时造成机械故障。在7次线路舞动过程中,同塔双回线路舞动390条，占舞动线路总数的62%；单回线路舞动244条，占总数的38%。同塔双回舞动线路中62%发生跳闸故障，单回舞动线路中39%发生跳闸故障；330 kV 4条舞动线路均为同塔双回线路。6

输电线路舞动对电网安全的影响和危害从以上舞动发生规律及特点的分析可知，输电线路舞动是一种对电网安全运行危害较大的故障类型，对在运的电网及正在建设中的特高压及“三华”同步电网的安全稳定运行影响巨大，必须认真开展相关研究,制定有效的防治方案和措施。

复杂结构输电线路更易舞动目前投运及建设中输电线路，大多采用6分裂、8分裂等多分裂导线结构，电网网架复杂，杆塔平均高度较高，并大量采用采用同塔双回杆塔，我国能源分布特点又决定了主要输电线路网架结构都是东西走向，线路距离较长，线路走廊气候和地理条件调价复杂，并且线路主体部分与冬季主导风向夹角较大，这些都形成了易于引起舞动的主要因素。

线路舞动事故易导致电网大面积停运线路舞动影响范围大，持续时间长，相间故障多发，容易导致电网大面积停电事故。2010-01-20山东发生大面积舞动，自8时18分起至21时50分，13条500 kV线路跳闸36条次，41条220 kV线路跳闸86条次，电网结构遭受严重破坏，烟威电网仅通过崂阳线并网。1月28日河北、山东、河南发生大面积舞动，华北与山东联网的辛聊双回线、黄滨双回线先后故障，山东与华北两次短时解列，阳城电厂送出的3回线路也先后因舞动导致永久故障，阳城电厂全停。

线路舞动事故易造成机械故障舞动不仅引起短路跳闸，长时间舞动还会导致杆塔螺栓松动、强度降低，金具、绝缘子、跳线损坏；导线断股、断线，塔材、基础受损甚至倒塔等大量机械损坏，抢修难度大。另外，舞动造成的杆塔螺栓松动、导线、金具、绝缘子隐性损伤等缺陷短时间内往往难以发现，对线路安全运行构成威胁。6

输电线路舞动治理方法为提高电网抵御自然灾害的能力，科学合理地选择防舞技术和措施，规范防舞方案设计，全面开展输电线路防舞治理，保证严重自然灾害条件下主网安全稳定运行和安全可靠供电。

舞动治理范围1)已发生舞动的输电线路相应舞动区段应开展防舞治理；其它未舞动区段应开展舞动可能性分析，结合地形、地貌、线路走向、杆塔结构等因素，必要时开展防舞治理。

2)与舞动线路处于同一区域的未舞动线路应开展舞动可能性分析，必要时开展防舞治理。同塔双回线路应对其中一条线路采取防舞措施。

3)500 kV及以上电压等级和220 kV重要输电线路应结合气象条件、地形、地貌、线路走向、线路参数、杆塔结构等因素开展舞动可能性分析，必要时开展防舞治理。

舞动治理技术措施在运输电线路舞动治理的主要措施是加装防舞装置或进行防舞技术改造，其中防舞装置主要包括：线夹回转式间隔棒、相间间隔棒、双摆防舞器等，上述防舞装置可组合应用。防舞技术改造包括：改善铁塔螺栓的防松性能；适当提高杆塔关键部位和相关金具的强度；适当缩小档距和耐张段长度，改变局部地区的线路走向，避开舞动地带等。

防舞装置选择原则1)500(330)kV及以上电压等级输电线路：①同塔双(多)回输电线路:优先采用线夹回转式间隔棒、相间间隔棒，其次是双摆防舞器、失谐摆及偏心重锤等。不同回路可采用不同的防舞装置；②单回输电线路：可采用线夹回转式间隔棒、双摆防舞器、失谐摆等；③紧凑型输电线路：优先采用相间间隔棒,其次是线夹回转式间隔棒；④特高压输电线路：优先采用线夹回转式间隔棒或线夹回转式间隔棒双摆防舞器，其次是双摆防舞器等。

2)220 kV及以下电压等级输电线路：①相导线垂直或三角排列时优先采用相间间隔棒，其次是线夹回转式间隔棒、双摆防舞器等;②相导线水平排列时优先采用线夹回转式间隔棒，其次是双摆防舞器、相间间隔棒、防舞鞭等。6