[科普中国]-微风振动

微风振动基本理论

微风振动是由于风的激励而引起的导线振动。发生振动现象的风速一般范围为0.5~10m/s，但近年来发现，当地形平坦及外界干扰很少的情况下，风速达到10m/s及以上时也观察到强烈振动。在导线未安装防振器的情况下，微风振动最大双振幅不超过导线直径的2倍，振动频率范围为3~120 Hz，振动的半波长为1.5~20m。振动持续时间较长，一般为数小时，有时可达数天。

微风振动从流体力学上的原因是微风吹过导线后形成的卡门涡流引起的。借助于风洞试验可以观察到这种现象。把一个圆柱体水平放置在风洞试验段中，圆柱体两端采用刚性固定，当风从直角方向吹过圆柱体时，圆柱体背后将产生漩涡，如下图所示。1

这种漩涡被称为“卡门涡流”。圆柱体背风处的漩涡上下交替产生，不断地离开圆柱体向后面延伸，逐渐消失。这种上下交替产生的漩涡，在圆柱体上将产生一种上下交替的作用力，由此形成微风振动。

危害在输电线路中，微风振动是导致线路损伤的主要原因。其高频小振幅的特点，不像线路舞动的破坏那样明显，具有一定的隐蔽性，有时很难从输电导线外表发现，而是从导线的内层开始，这给巡线工作带来一定的困难，通常是出现防振器毁坏脱落或疲劳断股后才发现，此时造成的危害已相当严重。

对微风振动的深入研究发现，当架空线突变应力的大小超过一定限度后，且经过突变应力多次交替作用，在线股损伤或有应力集中的部位将产生很细的裂纹，在裂纹的尖端有严重的应力集中，因而在突变应力的反复作用下导致裂纹的继续扩展；长时间突变应力作用后，随着裂纹的不断扩展，线股有效截面积不断减少，当截面减少到一定限度时，在一个偶然的振动或冲击下，线股就会沿削弱的截面发生突然断裂，见图中(a)。当导线使用的金具刚度比较大时，松弛的支撑点尤其是绝缘子绑线部位容易发生磨损破坏，压接管、悬垂线夹以及压接耐张线夹也很容易出现疲劳破坏，见图中(b)。

采用护线条、防振锤、防振鞭、阻尼线夹等为微风振动特别设计的防振金具，在防振器具经过长期运行后，其性能参数逐渐改变，特性退化，消振性能大大减弱。

微风振动影响因素(1)风速：当有稳定、均匀的风速吹向导线时容易引起振动，最容易出现振动的风速范围为0.5~5m/s。当风速过大，气流和地面产生很强烈的摩擦，以致吹过导线的风的均匀性受到影响，从而使导线不能产生稳定的振动；当风速偏小，导线振动则没有足够的能量形成。

(2)风向：最容易使导线形成稳定振动的风向是以45°~90°之间角度吹向导线，夹角越接近90°，越易产生微风振动，当夹角在30°~45°之间时振动稳定性很小，时有时无而且不能持续，角度在20°以下的通常不会出现振动现象。

(3)导线悬挂高度：导线悬挂越高，越容易发生微风振动，悬挂点高度主要影响导线所处的风环境。如果其他环境条件一样，上限风速随悬挂点高度增加而增大，使易发生振动的频段增宽。同时悬挂点越高，气流受地面影响越小，越容易引起导线振动，导致振动几率和持续时间有所增加。CIGRE会议曾调查了某双回路输电线，发现上导线比下导线更易发生断股事件。疲劳断股部位发生的概率中，悬挂在20m的上导线占51.5%、悬挂在18m的中相导线占27%、悬挂在16m的下导线占21.5%。微风振动的形成及持续时间与导线悬挂点高度密切相关，在防振设计时需要考虑悬挂点高度的影响。2

(5)地形：风的均匀性与地形地貌紧密相关，导线振动强度受线路地区环境情况影响较大。CIGRE中通过A～D（地形愈来愈起伏不平）四种不同地区环境，提出环境修正系数，以此体现地形对导线振动的影响。据分析，在地形开阔平坦的地区，风越均匀。微风振动越强；但悬挂点高度小于树木高度，且穿越林区的输电导线，通常不考虑微风振动现象。由于高山、树林、高层建筑物等具有屏蔽风的作用．而在大档距跨越河流、湖泊、海峡、旷野等能导致薄层风流的地形，线路易产生稳定的微风振动。

(6)导线应力：导线动应力随静态应力的增加而增大，导致静应力大的线路更容易出现振动现象。导线的平均运行应力增大时导线自阻尼吸收能量变小，根据能量平衡原理，导线振幅和动弯应力增大，导线的疲劳极限降低。耐振能力变弱，导线容易产生微风振动，而且动弯应力增大会加速导线疲劳断股甚至断线。

防振措施微风振动防振措施主要从两方面着手：一是在架空线上加装防振装置，用来吸收或减弱振动的能量，以达到防振的目的，如采用防振锤、阻尼线以及新近的弹簧防振；二是加强导线耐振能力，改善导线的耐振性能，如护线条。

防振锤利用防振锤防振是最常用的防振方法。基本防振装置有Stoekbridge防振锤（FG和FD系列）、FR音叉型防振锤、扭矩防振锤，其中Stoekbridge防振锤是最为广泛的防振装置，其能产生由锤头自转的一频振动和锤头绕固定点转动的二频振动，其谐振频率在10、15、25、45Hz附近。

防振锤一般是根据导线的牌号来选择。第一个防振锤应安装在线夹出口的第一个半波长内，其安装的原则是：在最大波长和最小波长情况下．防振锤的安装位置都处在第一个半波范围内，并对这两种波长的波腹点都有相等的距离。

护线条护线条安装在架空线线夹处，使线夹附近架空线刚度加大，从而抑制架空线的振动弯曲，减小导线的弯曲应力和挤压应力，提高导线的耐振能力。目前，我国广泛使用铝镁硅合金的预绞丝护线条。

分裂根数导线微风振动时，导线主要在垂直面产生波动，其最大双倍振幅约等于导线直径。由于分裂导线子导线相互影响，改变了导线周围的气流，使导线振动强度减弱。安装间隔棒后，各子导线间相互牵制，要保持同步振动的可能性很小，其谐振条件已被破坏。再则间隔棒本身亦有消振作用，因而分裂导线较单导线其振动强度和持续时间均要小得多。据测试，4分裂导线较单导线振幅可减少87%~90%。

此外，对于振动严重地段及大跨越档距的架空线常常采用复合防振，以获得较好的防振效果。如：护线条加防振锤、阻尼线加防振锤，护线条加阻尼线加防振锤等。2