不容忽視的架空輸電線微風振動

微風振動是最常見的架空輸電線路振動形式，如果引起防振裝置失效，易導致導線斷股甚至斷線，造成損失。中國電科院全面梳理了微風振動的研究歷史和現(xiàn)狀，并提出相關建議，為線路設計和運行部門提供參考。

我國幅員遼闊，不同地區(qū)的地理條件和氣象特征差異性大。架空輸電線路點多、面廣、線長，110千伏及以上電壓等級輸電線路總長度已超過100萬千米。

架空輸電線路在運行中不可避免經(jīng)受風的作用，導線和地線（以下簡稱輸電線）會誘發(fā)風致振動。微風振動是最常見的振動形式，大部分線路的微風振動防治都通過安裝防振裝置得以控制。但近年來有多條架空輸電線路因微風振動引起防振裝置失效，導致導線斷股甚至斷線，造成重大損失。我國新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)風速持久均勻，輸電線微風振動強度大，必須引起足夠的重視。中國電科院全面梳理了微風振動的歷史和現(xiàn)狀，提出相關建議，為線路設計和運行部門提供科學參考。

輸電線微風振動是如何形成的，有什么特點？

層流風吹過圓柱體后會在尾流中形成一個規(guī)則的旋渦流型，漩渦在圓柱體的兩側(cè)交替脫落，對圓柱體產(chǎn)生一個垂直于風向的交替作用的周期力。美國航天工程學家馮·卡門最早系統(tǒng)闡述了這種現(xiàn)象，所以這種渦道被稱為“卡門渦街”。

架空輸電線路的輸電線懸掛在桿塔上，承受一定張力，具有多個自振頻率。輸電線橫截面為圓形，水平方向?qū)恿黠L吹過輸電線后，背風側(cè)的卡門渦街對輸電線產(chǎn)生一個豎向交變力。當交變力的頻率與輸電線的自振頻率一致時，便引起輸電線垂直方向的振動。引起這種振動的風速通常在0.5米/秒至10米/秒范圍內(nèi)，因此，這種豎向的振動稱為“微風振動”。

輸電線微風振動具有頻率高、振幅小、持續(xù)時間長的特點，常見頻率范圍為3赫茲至120赫茲，振幅通常不超過輸電線的直徑。輸電線微風振動具有鎖定效應，當輸電線以旋渦脫落頻率或相近頻率振動時，會對尾流產(chǎn)生很強的整流作用，以至旋渦脫落頻率與輸電線的振動頻率趨于一致。當風速在一定范圍內(nèi)變化時，輸電線與漩渦的頻率均保持不變，很明顯地反映出同步效應。所以，輸電線一旦發(fā)生微風振動，在風速變化的一定范圍內(nèi)，同步效應將使振動持續(xù)下去。因此，如果微風振動持續(xù)時間長，可以認為輸電線的微風振動時刻發(fā)生。

輸電線的微風振動是一種復雜的流固耦合現(xiàn)象，從本質(zhì)上講屬于強迫振動。卡門渦街是誘發(fā)輸電線振動的原因，同步效應使得振動得以維持，自限作用的存在限制了微風振動的振幅。

輸電線微風振動有哪些危害？

微風振動容易引起輸電線疲勞斷股或金具損壞，嚴重威脅著輸電線路的安全。20世紀50年代末期，我國開始注意到架空輸電線的微風振動問題。1962年，當時的水利電力部電力建設研究所（現(xiàn)中國電力科學研究院）組織有關部門對我國19133千米架空輸電線的微風振動情況進行了調(diào)查，包括數(shù)百回線路及大跨越線路運行情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)普遍存在著斷股現(xiàn)象。例如，某線路輸電線采用鋼芯鋁絞線，平均運行張力為輸電線額定拉斷力的25%，因未安裝防振錘，當線路運行2年后檢查1098個線夾，發(fā)現(xiàn)斷股322處，占比為29.3%。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，技術人員對振動嚴重的線路加強了防振措施，同時開展了試驗研究工作，取得了一定成效。

自然界的風每時每刻都存在，因此輸電線的微風振動也是長期存在的。輸電線長期振動所產(chǎn)生的累積效應會導致輸電線疲勞斷股、金具磨損、絕緣子受損、桿塔構(gòu)件損壞等，因此在運行中應高度重視輸電線的微風振動問題。

因微風振動引起的輸電線路導地線斷股是線路安全運行的嚴重隱患。輸電線路一旦發(fā)生斷股、斷線，將給電網(wǎng)安全運行帶來巨大威脅，停電和換線損失巨大，因此必須對輸電線路微風振動的防治給予足夠的重視。

微風振動引起的輸電線疲勞斷股等故障是長期累積作用的效果。一般情況下，輸電線的微風振動難以用肉眼直接觀察到。一旦發(fā)生防振裝置損壞或脫落，輸電線的疲勞斷股現(xiàn)象就已經(jīng)比較嚴重。輸電線由多根單線絞制而成，其中一根或多根單線斷股后，應力會轉(zhuǎn)移其他單線上，會加劇發(fā)生疲勞破壞。因此，輸電線出現(xiàn)疲勞斷股后，應立即采取補救措施，改進防振裝置，防止故障進一步擴大。

輸電線微風振動的防治措施及建議

在輸電線上安裝防振裝置是抑制微風振動的基本措施，常見的防振裝置有防振錘、阻尼線等，通過防振裝置耗能來降低輸電線路的振動強度。

1925年，美國工程師斯托克布里奇最早提出了防振錘的設想，并申請了專利。斯托克布里奇防振錘由線夾、鋼絞線和錘頭三部分組成，在后來的發(fā)展中，錘頭和線夾出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)型式，但原理沒有變化。防振錘通過線夾安裝在輸電線上，輸電線微風振動時，防振錘隨之振動，鋼絞線發(fā)生彎曲變形，通過其鋼絞線的股間磨擦，把振動輸電線的動能變?yōu)闊崮芟牡?。其耗能的大小與線夾振動速度有關，速度越大，耗能越多。防振錘的應用，有效抑制了輸電線微風振動，基本解決了微風振動引起的疲勞斷股問題，是輸電線防振的基本手段。

超高壓輸電線路導線均采用分裂型式，并安裝阻尼間隔棒，由于阻尼間隔棒對子導線的微風振動具有牽制作用，因此，多分裂導線的微風振動強度低于同條件下的單導線。對于四分裂導線，當安裝阻尼間隔棒且導線平均運行張力不大于導線額定拉斷力的25%時，500米及以下檔距可不安裝防振錘。

大跨越線路具有掛點高、檔距大、所處地形開闊的特點，水面上空容易形成層流風，引起輸電線激振的風速范圍廣。因此，輸電線吸收風能較普通線路大得多，其微風振動強度也遠遠高于普通線路，且輸電線幾乎每時每刻都在振動，若防振措施不當，則極易發(fā)生由于輸電線動彎應變過大而導致的疲勞斷股、甚至斷線等事故。

大跨越輸電線的防振方案通常采用阻尼線型式。阻尼線通常為鋼芯鋁絞線，通過線夾與輸電線固定；輸電線振動時，阻尼線隨之振動，從而實現(xiàn)耗能減振的作用。

1930年，澳大利亞工程師貝特發(fā)明了最早的阻尼線。此后由此演變而來的防振裝置有貝特阻尼線+防振錘、交叉阻尼線、圣誕樹阻尼線等。這些防振裝置的基本原理都是改變輸電線的振動模式，通過自身的振動消耗系統(tǒng)的振動能量，從而降低輸電的微風振動水平。我國大跨越輸電線防振方案以貝特阻尼線+防振錘聯(lián)合防振方案為主，具有良好的消振效果和豐富的運行經(jīng)驗，對保證大跨越輸電線的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要的作用。

總體而言，我國架空輸電線路的輸電線微風振動問題已經(jīng)基本實現(xiàn)可控、在控，但是由于地區(qū)的差異，在持續(xù)穩(wěn)定風區(qū)，輸電線的微風振動仍然不容忽視。應采取差異化的設計方法，適當降低輸電線的平均運行張力，并安裝以阻尼線為主的防振方案，合理選擇防振錘，必要時進行防振效果驗證試驗，將輸電線的微風振動強度控制在允許范圍內(nèi)。