1、線夾回轉(zhuǎn)式防舞動(dòng)間隔棒在特高壓輸電線路中的應(yīng)用研究金成生(上海市電力公司,上海200122摘要:在特高壓電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展過程中,為防止在特殊的運(yùn)行條件下特高壓線路產(chǎn)生舞動(dòng)對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成的威脅,通過分析導(dǎo)線舞動(dòng)的影響因素和舞動(dòng)機(jī)理及特高壓輸電線路的特殊性,結(jié)合線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的防舞動(dòng)機(jī)理,研究八分裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒在特高壓輸電線路中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:特高壓輸電線路;線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒;舞動(dòng);防舞動(dòng);覆冰;八分裂中圖分類號:TM72文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言我國幅員遼闊,能源分布不均衡,而經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,對電力的輸送距離和輸送容量提出了更高的要求。發(fā)展特高壓電網(wǎng),能有效地解決能源基地與負(fù)荷中心之間遠(yuǎn)

2、距離、大規(guī)模、大容量電力輸送的難題,從而提高輸電效率,降低線路損耗,減少投資成本,節(jié)約土地資源,是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的必然要求1。我國自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建設(shè)的晉東南-南陽-荊門1000kV特高壓交流輸變電示范工程已于2009年1月順利通過試運(yùn)行,現(xiàn)已正式投入商業(yè)運(yùn)行。該工程普通線路導(dǎo)線采用八分裂型式,大跨越采用六分裂型式,與超高壓線路相比,特高壓線路電壓等級高、分裂數(shù)多、導(dǎo)線截面大、導(dǎo)線的掛點(diǎn)更高、檔距更大、導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)持續(xù)時(shí)間更長2,3,隨著特高壓輸電線路建設(shè)的不斷開展,針對特高壓輸電線路的舞動(dòng)情況,研究抑制輸電線舞動(dòng)的裝置,對于輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。2輸電導(dǎo)線的舞動(dòng)及防舞架空輸電

3、線路導(dǎo)、地線振動(dòng)主要有微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)和次檔距振蕩三種形式。微風(fēng)振動(dòng)會(huì)造成導(dǎo)線疲勞斷股、導(dǎo)線和金具的磨損;舞動(dòng)會(huì)造成導(dǎo)線和金具的磨損,嚴(yán)重時(shí)甚至斷線、倒塔;次檔距振蕩容易導(dǎo)致間隔棒線夾的損壞和線夾處導(dǎo)線的磨損1。2.1導(dǎo)線舞動(dòng)架空輸電線路的舞動(dòng),是對輸電導(dǎo)線馳振的特指,是一種由于空氣動(dòng)力不穩(wěn)定而產(chǎn)生的現(xiàn)象,是輸電線路導(dǎo)線在不均勻覆冰及風(fēng)力的作用下引起的一種低頻率(約為0.13Hz、大振幅(約為導(dǎo)線直徑的20300倍的自激振動(dòng)現(xiàn)象。一般在振動(dòng)形態(tài)上表現(xiàn)為在一個(gè)檔距內(nèi)只有一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)半波。導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)時(shí),除了垂直方向運(yùn)動(dòng)以外,往往伴隨有扭轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)1。圖1所示為安裝有普通四分裂間隔棒的線路舞動(dòng)的

4、示意圖 。圖1線路舞動(dòng)示意由于舞動(dòng)的持續(xù)時(shí)間較長,會(huì)造成導(dǎo)線及金具的疲勞破壞、磨損和導(dǎo)線斷股,有時(shí)甚至造成輸電線路停電跳閘及桿塔傾斜或倒塌等惡性事故,嚴(yán)重威脅架空輸電線路的安全生產(chǎn)運(yùn)行,影響線路運(yùn)行的可靠性。經(jīng)過國內(nèi)外對導(dǎo)線舞動(dòng)的研究,影響導(dǎo)線舞動(dòng)的因素主要有以下4個(gè)方面:即線路走向,地形與地勢,當(dāng)?shù)貧庀髼l件以及線路結(jié)構(gòu)4。一般來說,溫度在05,風(fēng)速在10m/s左右的雨凇地區(qū),是舞動(dòng)的多發(fā)地區(qū)。我國曾經(jīng)發(fā)生過強(qiáng)舞動(dòng)的地區(qū)有:湖北荊門、荊州,東北鞍山,沈陽,安徽等地。在同樣的地理與氣象條件下,分裂導(dǎo)線要比單導(dǎo)線容易產(chǎn)生舞動(dòng);導(dǎo)線檔距越大,掛點(diǎn)越52高,則舞動(dòng)越嚴(yán)重;大截面導(dǎo)線比小截面導(dǎo)線較易產(chǎn)生

5、舞動(dòng)。2.2導(dǎo)線的舞動(dòng)機(jī)理舞動(dòng)的形成取決于覆冰、風(fēng)激勵(lì)和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)參數(shù)三方面的因素5。覆冰狀況由氣溫、降雨及降雪等條件決定,它具有隨機(jī)性,且它與風(fēng)速的組合也是隨機(jī)的。關(guān)于覆冰的條件以及冰型等相關(guān)的研究在文獻(xiàn)5中有較詳細(xì)的闡述。由于導(dǎo)線覆冰各種條件的差異,所覆冰雪的形狀各異,導(dǎo)線截面以及導(dǎo)線架設(shè)條件不同,再加上引起舞動(dòng)的風(fēng)速和風(fēng)向也變化無窮,所以發(fā)生導(dǎo)線舞動(dòng)現(xiàn)象的原因極為復(fù)雜,也就是說對導(dǎo)線舞動(dòng)的研究較多的受隨機(jī)因素的影響。 對于輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)的研究,國外從20世紀(jì)30年代就已開始,具有代表性的研究成果是美國Den Hartog 的垂直舞動(dòng)機(jī)理和加拿大O.Ni 2gel 的扭動(dòng)舞動(dòng)機(jī)理,它們曾對

6、舞動(dòng)理論的發(fā)展和舞動(dòng)防止產(chǎn)生過較大的作用。這兩個(gè)舞動(dòng)激發(fā)模式并非某條線路所固有6,它們在不同條件下出現(xiàn),當(dāng)首先達(dá)到橫向自激條件,出現(xiàn)Den Hartog 的垂直舞動(dòng),若先達(dá)到扭轉(zhuǎn)自激條件,則出現(xiàn)O.Nigel 舞動(dòng)。圖2(a 所示是未覆冰雪的圓形導(dǎo)線的受力情況,由圖2可以看出,因?yàn)闆]有產(chǎn)生升力作用,所以導(dǎo)線不會(huì)發(fā)生上下的振動(dòng)。而當(dāng)導(dǎo)線上覆冰雪時(shí),如圖2(b ,導(dǎo)線受到來自3個(gè)方向的作用力的共同作用,分析這3個(gè)作用力的必要條件是空氣動(dòng)力系數(shù)(阻力系數(shù)C D 、流體升力系數(shù)C L 、扭矩系數(shù)C M 。 圖2對導(dǎo)線的作用力由于導(dǎo)線外觀上呈非圓形斷面,在受到風(fēng)吹的情形時(shí)對導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生升力。依據(jù)其升力所產(chǎn)

7、生的振動(dòng)成為自激振動(dòng)并向舞動(dòng)方向發(fā)展。根據(jù)Den Hartog 的舞動(dòng)發(fā)生條件式(1,當(dāng)式(1成立時(shí)將發(fā)生舞動(dòng)。C D +C L0(1式中C D 阻力系數(shù);C L 流體升力系數(shù):覆冰模型與風(fēng)構(gòu)成的角度。現(xiàn)行的防舞措施主要從以下3個(gè)方面有針對性地進(jìn)行:(1從氣象條件考慮,避開易于形成舞動(dòng)的覆冰區(qū)域與線路走向;(2從機(jī)械與電氣的角度,提高線路系統(tǒng)抵抗舞動(dòng)的能力;(3從改變與調(diào)整導(dǎo)線系統(tǒng)的參數(shù)出發(fā),采取各種防舞裝置與措施(如圖3所示,抑制舞動(dòng)的發(fā)生。圖3防舞裝置與措施3特高壓輸電線路及其舞動(dòng)國家電網(wǎng)特高壓骨干網(wǎng)架將由1000kV 級交流輸電網(wǎng)和800kV 級直流系統(tǒng)構(gòu)成。特高壓輸電的突出特點(diǎn)是大容量

8、、遠(yuǎn)距離輸電。日本為特高壓輸電線路建設(shè)的需要,針對舞動(dòng)問題,在多條特高壓試驗(yàn)線段上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究,取得了較多的舞動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)線路上取得的舞動(dòng)資料數(shù)據(jù)來分析可以得出以下關(guān)于舞動(dòng)的結(jié)論1:(1從舞動(dòng)的發(fā)生條件來看,特高壓線路與超高壓線路基本相同。一般來說,導(dǎo)線上有覆冰,風(fēng)速10m/s 以上,風(fēng)向與線路走向基本垂直。(2從舞動(dòng)的特征來看,特高壓線路與超高壓線路也基本相同,舞動(dòng)軌跡包絡(luò)線一般為橢圓形,舞動(dòng)最大幅值發(fā)生在垂直方向。(3從舞動(dòng)的強(qiáng)度來看,多數(shù)情況是8、10分裂導(dǎo)線稍弱于4分裂導(dǎo)線,但也有相反的情況。總體上看,可以說特高壓線路8、10分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)強(qiáng)度與超高壓線路4分裂導(dǎo)線大體相當(dāng)

9、。602(4上述舞動(dòng)資料均在試驗(yàn)線上取得,由于特高壓線路掛點(diǎn)高,檔距大等特點(diǎn),且實(shí)際線路運(yùn)行環(huán)境不確定,實(shí)際線路的舞動(dòng)比試驗(yàn)線上舞動(dòng)可能更復(fù)雜。從以上結(jié)論可以看出,4分裂導(dǎo)線的線路運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對于八分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)研究是具有參考價(jià)值的。根據(jù)穩(wěn)定性機(jī)理57的要求,為確保特高壓輸電線路具有良好的防舞性能,必須根據(jù)特高壓輸電線路的具體特點(diǎn),分析考慮采用綜合的防舞措施和裝置。特高壓輸電線路分裂數(shù)多,風(fēng)的激勵(lì)效果強(qiáng),風(fēng)能輸入大,像交流輸電示范工程還經(jīng)過易舞區(qū),故易形成舞動(dòng)。線路的不均勻覆冰是線路舞動(dòng)的必要條件,若能改變線路覆冰的不均勻程度,使覆冰趨于均勻,或使不均勻覆冰變得無規(guī)則,則對特高壓線路(8分裂導(dǎo)線或

10、6分裂導(dǎo)線將顯著減輕風(fēng)的激勵(lì)效果,從而有效防舞。本文提出的線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的研制即基于此理論。 4線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒4.1間隔棒間隔棒是架空輸電線路中的一種防護(hù)金具,分相間間隔棒和分裂導(dǎo)線間隔棒,本文所指均為分裂導(dǎo)線間隔棒。特高壓輸電線路中一般采用阻尼間隔棒,一方面是使一相導(dǎo)線中各根子導(dǎo)線之間保持適當(dāng)?shù)木嚯x;另一方面是通過自身的阻尼特性,降低微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩對導(dǎo)線帶來的危害1。目前使用較為普遍的間隔棒,是一種將多根導(dǎo)線分開夾持并支撐的鋁合金框架式間隔棒,如圖4所示。 圖4普通間隔棒圖4所示間隔棒包括多個(gè)固定式線夾和一個(gè)多邊形的線夾支架。該固定式線夾可在導(dǎo)線長度方向,即與紙面垂直的平面內(nèi)的前后

11、方向有一定的擺動(dòng),但在張緊、夾持狀態(tài)下,基本上處于固定狀態(tài),無法作轉(zhuǎn)動(dòng)。對于分裂導(dǎo)線,一般每隔幾十米有一個(gè)間隔棒,將各子導(dǎo)線連在一起。在每一個(gè)次檔距內(nèi)的子導(dǎo)線,其兩端被間隔棒固定,扭轉(zhuǎn)剛度大大高于相同截面單導(dǎo)線,在子導(dǎo)線產(chǎn)生偏心覆冰后很難繞其自身軸線扭轉(zhuǎn),偏心覆冰狀況得不到緩解,偏心覆冰將形成扇形、新月形等形狀的不均勻覆冰5,作用在分裂導(dǎo)線上的空氣動(dòng)力載荷自然會(huì)比單導(dǎo)線大得多。這也是分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線容易發(fā)生舞動(dòng)的主要原因。若全部或部分取消檔內(nèi)間隔棒線夾對子導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)向約束,使得導(dǎo)線不均勻覆冰后因偏心扭矩而產(chǎn)生繞其自身軸線相對自由的轉(zhuǎn)動(dòng),消除或減輕覆冰的不均勻程度,可有效減輕線路的空氣動(dòng)力,對防

12、舞比較有效。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒將部分線夾設(shè)計(jì)成可自由或在一定角度范圍內(nèi)回轉(zhuǎn),這樣間隔棒的功能依然存在,同時(shí)也能一定程度上防舞。鑒于此,國內(nèi)已有機(jī)構(gòu)研制出線夾繞單一軸線回轉(zhuǎn)的間隔棒,其旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)如圖5所示。圖5單向旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒(如圖6所示,一般情況是在有N 個(gè)線夾握持部間隔棒里,有N/2個(gè)的握持部位在一定范圍內(nèi)能自由回轉(zhuǎn)的間隔棒。比如說,對于八分裂的間隔棒,有4個(gè)握持部位在一定范圍內(nèi)能自由回轉(zhuǎn)。將不能自由回轉(zhuǎn)的握持部分稱作為固定握持部,將在一定范圍內(nèi)能自由回轉(zhuǎn)線夾握持部的部分稱作為可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部。本文提出的線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部的結(jié)構(gòu)與其他回轉(zhuǎn)式的差別在于,其轉(zhuǎn)動(dòng)握持部有兩個(gè)方向的

13、旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)(如圖7所示,這也給導(dǎo)線可以繞自身分裂圓的中心線形成扭轉(zhuǎn)提供了結(jié)構(gòu)上的條件。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒既具有普通間隔棒的基本功能,同時(shí)還兼具抑制舞動(dòng)的功能。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒作為間隔棒,需要達(dá)到普通間隔棒的機(jī)械和電氣性能要求。為此,已在國網(wǎng)北京電力建設(shè)研究院和國網(wǎng)武漢高壓研究院等機(jī)構(gòu),按照有關(guān)702 圖6 線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒圖7雙旋轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部標(biāo)準(zhǔn)對八分裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),各項(xiàng)試驗(yàn)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,試驗(yàn)合格。4.2線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的防舞機(jī)理從導(dǎo)線舞動(dòng)發(fā)生的必要條件來看,主要有兩個(gè)面:(1導(dǎo)線上應(yīng)覆有冰雪,形成誘發(fā)舞動(dòng)所需的覆冰積雪的形狀(如機(jī)翼狀。(2足夠大的風(fēng),引起上、下振動(dòng)的頻

14、率與扭轉(zhuǎn)周期一致。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的舞動(dòng)抑制原理是利用可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部的自由轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu),不讓導(dǎo)線上覆冰積雪形成易舞動(dòng)的不規(guī)則形狀。由于線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部的導(dǎo)線能在一定范圍內(nèi)自由的回轉(zhuǎn),也即部分子導(dǎo)線成為可以回轉(zhuǎn)的“單導(dǎo)線”,即便是發(fā)生了覆冰積雪,導(dǎo)線利用覆冰積雪的偏心重量也能扭轉(zhuǎn),可以繞自身軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),從而改變導(dǎo)線的迎風(fēng)面,這樣不斷覆冰、不斷扭轉(zhuǎn)的結(jié)果,使得導(dǎo)線形成較為均勻的覆冰,形狀趨于圓形,很難形成不均勻的形狀(像圖2所示的三角形覆冰雪狀,以致削弱了作用在導(dǎo)線上的空氣動(dòng)力載荷,使整個(gè)分裂導(dǎo)線不易發(fā)生舞動(dòng)。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒對舞動(dòng)的抑制,基于在可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部的子導(dǎo)線上發(fā)生的阻力及升力的大

15、小與固定握持部不同,振動(dòng)周期與多導(dǎo)體整體的扭轉(zhuǎn)及上下振動(dòng)周期不同步等的理由,所以滿足不了舞動(dòng)的發(fā)生條件。在日本山形縣川町的最上試驗(yàn)線,將人工積雪(裝置按同一方向安裝對舞動(dòng)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,采用線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒之后,可以將導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)導(dǎo)線的最大張力變化和最大垂直方向變位減少到?jīng)]有采取措施時(shí)的20%40%8。圖8所表示的是八分裂用線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的兩種設(shè)計(jì)形式。目前設(shè)計(jì)的線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒,其N 個(gè)線夾握持部中,采用了N/2個(gè)的可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部,而可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部可以單邊排列,也可以對角排列。如此設(shè)計(jì)的四分裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的抑制舞動(dòng)的效果已經(jīng)在日本實(shí)際運(yùn)行的線路上獲得了確認(rèn) 。圖8 八分裂線夾回轉(zhuǎn)式

16、間隔棒的類型圖9八分裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒應(yīng)用5線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的應(yīng)用國家“十一五”重大高科技電力建設(shè)項(xiàng)目“晉東南-南陽-荊門1000kV 交流U HV 輸變電試驗(yàn)示范工程”已經(jīng)投運(yùn),該線路是我國第一條連接華中、華北四省的U HV 電力大動(dòng)脈,對我國“西電東送”整體格局的形成具有重大意義,將使地方電網(wǎng)與國家電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)共融共通,是我國政府煤、電、油運(yùn)一體化的重大舉措。本次的U HV 線路將經(jīng)過易舞區(qū),針對導(dǎo)線舞動(dòng)研究與防止得到了足夠的重視。八分裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒已在1000kV 晉東南-南陽-荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程17標(biāo)段中得到應(yīng)用(如圖9所示,在經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測,并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析之

17、后,若抑制舞動(dòng)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求,則可以在特高壓電網(wǎng)的建設(shè)中進(jìn)一步推廣采用該八分裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒。目前按同一原理設(shè)計(jì)的四分802裂線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒也已在湖北荊門雙河和中山口等地的500kV輸電線路中得到應(yīng)用。6結(jié)語文章敘述了導(dǎo)線舞動(dòng)的起因以及線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒抑制舞動(dòng)的原理。在輸電線路的實(shí)際應(yīng)用時(shí),需要根據(jù)輸電線路的具體特征,有針對性的研究線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒中可轉(zhuǎn)動(dòng)握持部和固定握持部的合理分配比例,兩者之間的排列方式,以及在一個(gè)檔距內(nèi)線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的比例配置,從而不斷改善多分裂結(jié)構(gòu)導(dǎo)線的防舞策略。隨著對1000kV特高壓大跨越工程分裂導(dǎo)線的防舞問題的不斷深入研究,防舞設(shè)備和防舞措施研制的提高,防

18、舞方案的不斷完善,輸電線路的穩(wěn)定性會(huì)進(jìn)一步得到保障。參考文獻(xiàn):1劉振亞.特高壓電網(wǎng)M.北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社,2005.2劉勝春,朱寬軍,王洪,等.1000kV輸電線路防振研究J.高電壓技術(shù),2008,34(4:6382642.3朱寬軍,劉超群,任西春,等.特高壓輸電線路防舞動(dòng)研究J.高電壓技術(shù),2007,33(11:61265,99.4石吉汗,吳繼云.導(dǎo)線舞動(dòng)的防治J.電力建設(shè),2007,33(11:61265.5郭應(yīng)龍,李國興,尤傳永.輸電線路舞動(dòng)M.北京:中國電力出版社,2002.6Jones K F.Coupled vertical and horizontal gallopingJ.J

19、ournal of Engineering Mechanics ASCE,1992,18(1:922 107.7尤傳永.導(dǎo)線舞動(dòng)穩(wěn)定性機(jī)理及其在線路上的應(yīng)用J.電力設(shè)備,2004,5(6:13215.8王鋼.大跨越工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)問題探討J.南方電網(wǎng)技術(shù)研究,2006,2(2:42246.收稿日期:2009212210作者簡介:金成生(19822,男,碩士研究生,工程師,從事輸配電工程工作。(責(zé)任編輯:呂斌Application research of the rotary clampanti2galloping spacer in UHV transmission linesJ I N Chen

20、 g2s heng(Shanghai municipal electric power company,Shanghai China,200122Abstract:With the development of the U HV(Ultra High Voltagetransmission lines,it is a key to prevent the U HV transmission lines under the special operation condition f rom the damages of galloping.The paper analyzes the facto

21、rs that effect the conductor galloping and the anti-galloping mechanism.According to the characteristics of the U HV transmis2 sion lines in comparison with the lower voltage transmission lines,this paper suggest the application of rotary clamp spacer in U HV transmission line for anti-galloping.The application of eight-bundle rotary clamp spacer in U HV transmission l