机械振动原理(导、地线微风振动、次档距振动、舞动及摆动等振动形式)

Posted 2023-05-29

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机械振动原理(导、地线微风振动、次档距振动、舞动及摆动等振动形式)

01 概述

架空输电线路常年受到风、冰、低温等气象条件的影响和电压、电流的作用，除使架空线和杆塔产生垂直于线路方向的水平荷载外，还会引起架空输电线路振动。

由风雪作用引起的振动，根据频率和振幅的不同，架空线的振动大致可分为高频微幅的微风振动、中频中幅的次档距振动和低频大振幅的舞动，另外还有导线脱冰引起的架空线的覆冰脱冰跳跃及受稳定的横向风作用下的摆动。

由电磁力引起的振动，根据其电磁力来源分为短路振动及电晕振动。

02 微风振动

架空输电线路档距超过一定距离，当架空输电线路的导线、地线（含OPGW光缆，下同）受到0.5～10m/s的较小均匀风垂向作用时，在导线、地线背风面形成稳定的涡流，由于周期性涡流升力分量的作用，当涡流的频率与导线、地线的固有频率相接近时使导线、地线发生微风振动。

▲图导线微风振动原理

微风振动频率较高，一般在5～120Hz，振幅不大，峰——峰一般在导线、地线的直径的3倍以下，持续时间较长，一般数小时，有时可能达几天。故微风振动是架空导线、地线在微风作用下产生的高频低幅的垂向振动。

振动影响因素

微风振动的因素有很多，主要有风速和风向、地形地物、导地线结构和材料、档距大小和悬挂高度及导地线张力等。一般风较小时，风速不足引起导地线微风振动，风速较大时，其不均匀性增加，涡流稳定性受到破坏，一般引起微风振动的风速下限值取0.5m/s，上限值取5m/s，大跨越和高塔上限值取7～10m/s。另外风向与导地线的轴线夹角在45°～90°时容易发生振动，在30°～45°振动的稳定性很小，在30°以下时一般不发生振动。

振动特点

振动概率大

由于较小风速即可引起微风振动，如果不采取防振措施，大部分线路均有较长时间处于微风振动状态。

振幅小、频率高

一般微风振动幅值不超过10mm，频率位于数HZ至100HZ之间，对于架空导线、地线而言，小振幅振动下会产生微动磨损，如果外界雨水腐蚀性较强，微动磨损后将导致钢芯的快速锈蚀、机械强度下降。

受地形、档距、架设高度、架设张力影响明显

开阔地容易产生微风振动，档距越大，越容易发生微风振动。对于高电压等级线路，架设高度较高，此时导地线平面的气流受地面地线影响较小，更容易出现微风振动；架设张力越大，振动对导地线损伤越严重。

导线振动波形为正弦波

导线振动波沿导线呈“驻波”分布，波形为正弦波，如图1[_架空输电线路防振问题探讨，李恒宇]。导地线沿线波腹位置振幅最大。

▲图导线微风振动波形

防振措施

微风振动会引起导线、地线疲劳断线、金具磨损和杆塔部件破坏等，故需要考虑对架空输电线路进行防振措施。

常用防振手段包括安装防震锤、阻尼线，或者防震锤与阻尼线结合使用。高频振动主要由阻尼线防振，低频振动主要由防振锤防振。普通档距导线由于档距小和导线悬挂点较低，一般采用防振锤防振。振动时，导线带动防振锤一起振动，导线的振动能量被防振锤吸收，从而起到对导线的保护作用。

大跨越由于振动时间长，要求将振幅限制在更低水平，振幅不超过普通档位的50%，一般采用阻尼线与防震锤相结合的手段，此外部分风振条件特别恶劣，防震锤无法满足要求的区域，需采用阻尼线加防震锤方式实现风振抑制。

03 次档距振动

我国架空输电线路一般采用单导线、双分裂导线、三分裂导线、四分裂导线、六分裂导线及八分裂导线。一般220kV采用双分裂，500kV为四分裂，西北电网750kV为六分裂，1000kV为八分裂。双分裂及多分裂导线在风荷载作用下，其中一根或多根子导线不可避免地处在前方子导线形成的尾流中，由于尾流效应，使得下风的子导线更容易吸收风的输入能量，从而发生的低频大振幅振动，由于该振动的频率很低，故一般称为“振荡”。另外，覆冰导线舞动过程中也可能伴随次档距振动。

▲图次档距振动示意图

次档距振动在线路中较少出现，通常在风速为5～15m/s的风力作用下，由于迎风导线产生的紊流，影响到背风导线而产生气流的扰动，破坏了导线的平衡而形成振动。它的表现形式，常常是各子导线不同期的摆动，周期性地分开和聚拢，导线在空间的运动轨迹呈椭圆形。次档距振动的振幅与次档距长度、风速大小和分裂导线的结构形式有关，一般次档距振动的频率为1～5Hz，振幅介于舞动和微风振动之间，为导线直径的4～20倍，一个次档距中可出现一个或数个半波，介乎风振动和舞动之间。

振动影响因素

次档距振动的因素有很多，主要有风速和风向、地形地物、分裂导线的数量和布置、分裂导线间距和导线直径、导线质量、子导线排列对风向的倾角、间隔棒装置的类型和位置等。

均匀稳定的风是引起分裂导线次档柜振荡的基本因素。一般风速在 5～15m/s 速且风力方向与线路夹角在5°以上均匀稳定的风速区域会发生次档距振动，如果风速不规则的大幅度变化时，则导线不会形成持续的振动，甚至不发生振动。影响风速均匀性的因素有风速的大小、导线的悬挂高度、档距、风向和地貌等。在平原开阔地区，当风向和线路方向呈 45～90°夹角时，导线产生稳定振动；在30～45°时，振动的稳定性较小；夹角小于 20°时，基本上很少出现振动。

为减少次档距振动，一般分裂导线的间距对直径之比值取 10～20，一般在 15～18 之间时，没有发生过严重的次档距振荡，如果小于 10，则可能产生严重的振荡。

防振措施

档距振动能使分裂导线互撞和鞭击，因而损伤导线和间隔棒。一般采取增大分裂导线间的距离，缩短次档距长度，采用不同的导线排列方式，以及柔性间隔棒等控制措施。

具体方法是：

（1）增大分裂导线间距，使其分裂导线间距与线径之比在 15～18 之间；

（2）合理布置与选型间隔棒；

（3）改变分裂导线的倾角，倾角设计必须足够大，以至使上述的偏差值不会将实际档距中导线的倾角又改变为可发生振动的范围内；

（4）减少尾流区中导线的数量，如双分裂导线，可采用垂直布置，或成45°对角线布置，三分裂导线的三角形扭转30°，四分裂导线采用菱形布置方式，且扭转45°等；

（5）减小次档距的长度。

04 舞动

当 5～15m/s 左右的风力作用在因覆冰而变为非圆截面的导线上时，由于风力作用角度的变化产生的脉动风力，破坏了导线的静力平衡，由此会诱发导线产生一种低频率（约0.1～3 Hz）、大振幅(可达10m以上)的自激振动，由于其形态上下翻飞，形如龙舞，故称舞动，既舞动是架空输电线路导线发生偏心覆冰后，在风的激励下产生的一种低频率、大振幅自激振动现象。

▲图理论舞动轨迹示意图

一般认为，在一个档距中，舞动的起始点发生在弧垂较低的部位，而不是在导线悬挂点较高的部分。因为弧垂最低点受到的垂直重力和水平分力最小，故最容易被特定的风力举起，于是舞动振荡现象便会向全档距传播。其特点是振动大、频率低、持续时间长。在一个档距中，往往会出现1～4个半的振动波。振动的持续时间可达数小时之久。在一个档距中发生舞动时，常常波及到相邻档。导线某一点的振动轨迹通常呈椭圆形。

舞动的主要原因

导线覆冰不均匀是导致舞动现象的根本因素。通常发生在气温 0℃ 左右的平原或丘陵地区，而且粗的导线比细的导线，分裂导线比单导线，更容易引起舞动。

影响输电线路舞动的因素很多且其之间会相互影响，一般归纳为气象条件因素、地理因素、线路自身因素等方面。其中，气象条件因素主要指导线的覆冰情况和风的大小与方向等；地理因素主要指输电线路所在区域的地形与地势；线路自身因素主要是指线路走向、线路系统的结构和参数等。

舞动产生的危害是多方面的，形成舞动的因素非常复杂，通常认为，架空输电线路舞动必须具备的三个必要条件，即“不均匀覆冰”，“风的激励”以及“线路的结构和参数”。

舞动的危害

架空输电线路在运行过程中会因自然条件的作用而发生多种灾害事故，舞动就是其中危害较为严重的一种。舞动产生的危害是多方面的，线路舞动的危害主要有机械损伤和电气故障两类。

机械损伤包括：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。

电气故障主要包括：相间跳闸、闪络，导线烧蚀、断线，相地短路以及混线跳闸等。

防治措施

从上知道覆冰舞动主要需要“不均匀覆冰”，“风的激励”以及“线路的结构和参数”三个诱因，因此，从减少舞动诱因的角度入手减少舞动的诱因。

针对“不均匀覆冰”可采取：

（1）运用融冰、防冰措施，消除导线的覆冰；

（2）采取措施改变覆冰的形状，或设法使得导线覆冰均匀，降低覆冰的偏心程度；

（3）选择合理的线路走向，避开雨凇地带。

针对“风的激励”可采取：

（1）选择合理的线路走向，避开风口地带，使得冬季风向与线路的夹角尽可能小；

（2）加装防舞装置，扰乱气流的激励，或改变攻角，从而提高舞动发生的冰、风阈值。如加装扰流防舞器、阻尼器等。

针对“线路的结构和参数”可采取：

改变导线特性抑制舞动，多数防舞器均属此类。如双摆防舞器、失谐摆、偏心重锤、阻尼器等。

除以方法外还可以采取增大相间及相对地见的电气间隙，提高金具、绝缘子、导线及杆塔的机械强度等方法来防舞。下面介绍电气间隙的方式解决防舞悬挂问题。

05 脱冰跳跃振动

覆冰脱冰跳跃是覆冰导线在气温升高，或自然风力作用，或人为振动敲击之下会产生不均匀脱冰或不同期脱冰。脱冰时，稍借一点外力，导、地线的覆冰成片一起崩落，导、地线积蓄的弹性能瞬间释放，使导、地线跳起，引起上下振动。

脱冰跳跃的危害

随着导线覆冰厚度增加，导线拉力明显增大，导线弧垂明显增加，当大段或整档脱冰时，由于导线弹性储能迅速转变为导线的动能和势能，引起导线向上跳跃，减小导线对地线的距离，引起导线对地线放电，造成线路跳闸。

相邻档导线不均匀覆冰或不同期脱冰会产生张力差，使导线、地线在线夹内滑动，严重时使导线外层铝股在线夹出口处全部断裂，钢芯抽动，杆塔倒塌现象。不均匀覆冰产生的张力差是静荷载，故线股断口有缩颈现象，而不同期脱冰产生的张力差是动荷载，线股断口无缩颈现象。脱冰会使导线跳跃，造成导线、地线翻上横担，放电烧伤，或导地线相互靠近短路，横担变形损坏等。

防治措施

（1）尽量使档距均匀，避免出现大小档和大档距。

（2）增大上下层相邻导线间、地线与相邻导线间的最小水平偏移值。

（3）采用用抗冰能力强的杆塔。

（4）导地线适当放松，提高导地线的抗冰能力。

06 受风摆动型振动

架空输电线路的导、地线受稳定横向风荷作用后，产生风偏，风速变化，导线便以风偏角为中心在一定范围内摆动。

风摆的危害

风摆时导线与杆塔、拉线、树、竹、建筑物等之间或其他相导线的空气间隙小于大气击穿电压而造成的跳闸故障。

防治措施

（1）加长横担以增大导线与杆塔、拉线及相间间距。

（2）升高杆塔或清理线路走廊等措施，保证导线与周围建筑物、构筑物、边坡、树竹的安全距离。

07 电晕引起的振动

潮湿环境中，导线会产生电晕放电。随着电晕现象的激化，会将带电的水微粒子射出，反作用力作用于导线上，会引起有规律的振动。

电晕引起的振动是一种由在导线底部形成的水滴引起的电晕所造成的运动水滴引起的，每一次电晕爆发产生一个向上的脉冲，激发起振荡的同时，水滴也发生变形，因而使运动持续不断。电晕诱发振动显然是相当小的，而正常采用的防止导线舞动的措施看来足够控制这一类的振荡。在发生振动时，风往往是平静的，出现水滴是发生电晕诱发振动的必要条件。

电晕振动的频率低，振幅小，危害轻微，因此不是亟待解决的问题。

08 短路电流引起的振动

分裂导线在线路短路时，一相中各子导线流过同一方向的大电流，在电磁力作用下，同相的几根子导线相斥；而切断电流后，导线又在自重和拉力作用下作相反方向的运动，产生振动。

短路电流引起的振动仅发生在分裂导线的线路上、短路时短路电流产生的电磁吸引力，使同分裂的子导线间相互吸引、使每个次档距内都会产生一个半波长的碰击振动。

其后果是造成间隔棒和导线的碰击损伤，防护措施是增加间隔棒的强度。

参考文献孟隧民等《架空输电线路设计》教材