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山东500kV电网线路舞动分析及其治理
Analysis and Treatment for Galloping of 500kV Transmission Lines in Shandong Power Grid
苏建军 刘洪正
11
乔耀华 杨立超
11
(1.山东电力集团公司超高压公司 济南250021）
摘要：2010年初，山东500kV电网发生两次大面积的覆冰舞动事件，造成了多条500kV线路大范围受损，给电网的安全运行带来巨大威胁。本文针对线路覆冰舞动故障的特点，对诱发舞动的机理和主要因素做了分析，提出了舞动治理的技术方案；单回水平排列线路采用线夹回转式间隔棒和线夹回转式双摆防舞器的组合抑舞措施。双回垂直排列线路采用安装相间间隔棒的防舞措施。同时对2010年山东500kV线路防舞治理工作进行介绍。
关键词：山东电网 覆冰舞动 治理 线夹回转式间隔棒 线夹回转式双摆防舞器 相间间隔棒
ABSTRACT: In early 2010, two major ice galloping events harm several 500kV transmission lines broadly in Shandong Power Grid and significantly threaten the power grid operating security. According to the characteristics of ice galloping fault of the line, this paper analyzes the mechanism and major incentive factors of galloping, and proposes a technology solution method to treat galloping. Rotary clamp spacer combined with clamp rotary double pendulum damper in singular line and phase to phase spacer in double line are used in galloping treatment。At the same time, the galloping management works of Shandong Power Grid are also introduced in the paper.
KEY WORDS： Shandong Power Grid； Ice galloping； Management; Rotary Clamp Spacer； Rotary Clamp Spacer Double Pendulum Damper; Interphase spacer
2010年1月20日和2月28日，山东遭受两次大范围大风雨雪冰冻天气，500kV电网发生大面积线路舞动，造成15条62条次500kV线路跳闸，电网运行出现多次重大险情。山东电网在短时间内连续发生两次大面积线路舞动，范围之大、时间之长是历史上从未发生过的。
两次恶劣天气的共同特点一是大风，二是气温为2度至-5度，三是雨雪天气。
（二）两次舞动事件对电网的影响
2010年1月20日8时18分起至21日6时，13条500kV线路跳闸36条次，电网结构遭受严重破坏。最严重时，烟威电网仅通过500kV崂阳线相连。跳闸次数最多的是500kV潍阳线，跳闸次数竟达到8次。
（一）天气情况
受强冷空气影响，自1月20日8时开始山东各海区出现了7～8级阵风10级的东北风，鲁西北地区、半岛地区和内陆湖面也出现7级阵风，气温为2度至-5度左右，山东出现了多年少见的大范围冻雨、风雪天气，山东省气象台和海洋预报台发布风暴潮蓝色警报和海浪蓝色警报。2月28日，山东大部地区出现小雨天气，逐渐转为雨夹雪转小到中雪局部大雪，有5～6级东北风，气温降到2度至-4度左右，同时伴有雷电活动，省气象台发布了海上大风黄色预警信号和大范围雨雪预报。
2010年2月28日14时32分起至3月1日8时，7条500kV线路跳闸26条次，山东与华北联网的500kV辛聊ⅠⅡ线和黄滨ⅠⅡ线相继跳闸，造成山东电网与华北电网两次解列。
（三）两次舞动事件对电网设备的危害 1、“1.20”和“2.28”事件中，线路舞动造成山东500kV电网设备受损严重。经全面巡视检查，共发现由于舞动造成的500kV线路缺陷387条，其中危急缺陷11条，严重缺陷38条，一般缺陷338条。舞动造成了输电线路螺栓松动、脱落，金具、绝缘
一、两次电网舞动的基本概况
子、跳线损坏，导线断股、断线，塔材、基础受损等缺陷，各类缺陷统计分析如图1。
300250导线200绝缘子损坏150金具杆塔塔材损坏100杆塔螺栓脱落50基础0线坏具坏落础导损金损脱基子材栓缘塔螺绝塔塔杆杆
图1：输电线路舞动缺陷情况分析 2、山东500kV输电线路舞动损伤典型案例 （1）500kV输电线路舞动造成多处导线烧伤、断股，见图2。
图2：500kV线路导线断股
（2）500kV线路耐张连接金具断裂，跳线悬垂线夹断裂，见图3。
图3：淄潍线耐张金具断裂、跳线悬垂线夹断裂 （3）耐张塔塔材螺栓有松动、脱落现象，见图
4。
图4：潍阳线铁塔螺栓脱落
（4）铁塔塔腿基础保护帽破裂，见图5。
图5：寿油ⅠⅡ线#126铁塔塔腿基础保护帽破裂 （5）舞动造成多处导线间隔棒掉抓、损坏，见图6。
图6导线间隔棒掉抓、损坏
二、两次电网舞动的特点及分析
根据上述线路舞动情况，综合分析两次电网舞
动事件有以下特点：
（一）东西或西北－东南走向线路舞动条数多，故障跳闸多。山东冬季盛行北风或东北风，东西或西北－东南走向500kV线路与冬季主导风向夹角大，位于迎风面，易发生线路舞动。两次舞动事件造成故障跳闸的15条500kV线路均为东西走向或西北－东南走向。
（二）同塔双回线路舞动造成的故障多。500kV线路舞动跳闸15条，其中12条是同塔双回线路。同塔双回线路发生舞动时造成线路跳闸的比例高。
（三）相间故障多。两次舞动事件造成的62次500kV线路故障中，单相故障28次（45.2％），相间故障34次（54.8％）；相间故障占故障总数的一半以上。
（四）线路重复跳闸次数多。输电线路发生舞动后，若天气条件没有大的变化，输电线路会受到一个稳定的风激励，在风的作用下舞动持续时间长，会造成重复跳闸或重合不成。1月20日发生跳闸的有28条线路重复跳闸，500kV潍阳线跳闸8次，潍崂线跳闸7次。舞动区段较小的，故障点集中；舞动区段较大的，故障点分散。
（五）500kV水平布置线路单相接地故障多。500kV单回线水平布置的线路相间距离较大，导线舞动造成相间短路的几率小，但易造成引流线对塔身放电，尤其是中相绕跳式的引流线。淄潍线＃83和潍阳线＃49均为中相引流线、潍崂线#55塔为右相引流线对塔身放电。
（六）线路舞动对设备的危害性较大。输电线路舞动时，线路全档做大幅度的波浪式振动，并兼有摆动，摆动轨迹顺线路方向近似椭圆状。导线舞动呈低频高幅，且持续时间长，具有较大的危害性。垂直排列的导线发生舞动，易造成线路相间短路；水平排列的导线发生舞动，造成与跨越物的电气距离不够对跨越物放电、导线或跳线对塔身距离不够对杆塔放电。舞动容易引起线路闪络、金具损坏、倒塔、断线、螺栓松脱、导线烧伤断股、光缆断芯或断缆等，对电网和设备安全运行造成严重影响。
三、输电线路舞动的机理及对策
（一）舞动概念
在冬季，当水平方向的风吹到因覆冰而变为非圆截面的导线上时，将产生一定的空气动力，由此会诱发导线产生一种低频频率（约0.1～3Hz）、大振幅（可达10m以上）的自激振动，是较高风速引起的覆冰导线的驰振。由于其形态上下翻飞，形如龙舞，也称舞动。
（二）影响舞动的因素
从舞动的定义不难看出，舞动的形成主要取决于三方面的因素，即覆冰、风的激励和线路结构及参数。但形成舞动的因素非常复杂，而各种因素又相互影响，构成了舞动激发与扩展的复杂情况。归纳起来，对导线舞动的激发与扩展起主要作用的因素大致有三个方面，即线路的走向、地形与地势，当地的气象条件，线路系统的结构与参数。
1、线路走向、地形与地势的影响。导线的舞动是由于冰和风的联合作用产生的。这里所说的风向是指使导线覆冰时的风向，通常冬季，尤其在冰雪天，以北风居多。据前苏联的文献报道和我国导线舞动的统计资料表明，绝大多数的导线舞动发生在风向与线路夹角为45°～90°的情况下；那么，在其他的气象条件与线路条件都完全相同，线路的走向不同起了决定性的作用。
根据国内外的统计资料，导线舞动多数产生于平原开阔地区，这是不难理解的。因为，与山区或丘陵地区相比，平原与开阔地区无论从风速还是空气的流态来说，都更加有利于舞动的形成。
2、气象条件。对于导线舞动来说，冰风因素是主要的激励源，具有关键的作用。它们的产生及其形态不仅与气象因素密切相关，而且，它们彼此又相互影响。
舞动多发生在覆冰导线上，覆冰厚度一般为2.5～48mm。导线上形成覆冰须具备3个条件：①空气湿度较大，一般90%～95%，雨淞、冻雨或雨夹雪是导线覆冰常见的气候条件；②合适的温度一般为0～－5℃，温度过高或过低均不利于导线覆冰；③可使空气中水滴运动的风速一般>4m/s。
冬季及初春季节里，冷暖气流的交汇引起的风
力较强，地势平坦、开阔及风口地区的输电线路，在导线（不均匀）覆冰的情况下，当风速在4～20m/s，且风向与线路走向的夹角≥45o时，导线易舞动。
3、线路系统的结构和参数也是形成舞动的重要因素之一。
许多国内外的观测资料表明，在同样的地理与气象条件下，分裂导线比单导线容易舞动。单导线覆冰时，由于扭转刚度小，在偏心覆冰作用下导线易发生很大扭转，使覆冰接近圆形；而分裂导线覆冰时，由于间隔棒的作用，每根子导线的相对扭转刚度比单导线大得多，在偏心覆冰作用下，导线的扭转极其微小，不能阻止导线覆冰的不对称性，导线覆冰易形成翼形断面。因此，对于分裂导线，由风激励产生的升力和扭矩远大于单导线。对于500kV超高压输电线路，多采用四分裂导线，较易发生舞动。
观测资料还表明，大截面导线比小截面易舞动。大截面导线的相对扭转刚度比小截面大，在偏心覆冰作用下扭转角要小，导线覆冰更易形成翼形断面，在风激励作用下，产生的升力和扭矩要大些。
（三）线路覆冰舞动的机理 1、国外舞动研究概况
舞动的观测与研究源于20世纪30年代，美、加、苏、英、日等国进行了大量的观测、研究工作。而就舞动的机理而言，至今还只有美国的DenHartog提出的垂直激发机理和加拿大的O.NⅠgol提出的扭转激发机理，以及所谓的“惯性耦合激发机理”这三种机理基本概括了舞动机理研究的主要成果。
2、国外舞动研究成果
（1）Den Hartog舞动机理（垂直激发机理）
图7 Den Hartog舞动激发模式 （2）O.NⅠgol舞动机理（扭转激发机理）
图8 O.NⅠgol舞动激发模式 （3）惯性耦合激发机理
图9 惯性耦合激发模式
上图中：y－导线横向位移；ρ－空气密度；U－风速；D－导线直径；CL－空气动力升力系数；CD－空气动力阻尼系数；m－覆冰质量
3、我国舞动研究情况
我国对舞动观测与研究的起步较晚。有关舞动的记载始于20世纪50年代，而真正进行大规模治理与研究还是在1987年湖北省中山口大跨越发生舞动断线之后才开始进行的。
理论研究方面的主要成果是创立了“稳定性舞动机理”。稳定性机理考虑了垂直、水平、扭转三个分量，并考虑三者的互相耦合，从而可以模拟各种类型的舞动。原则上，稳定性舞动机理可以包括现有的各种舞动机理，换言之，现有的各种舞动机理可以看作为稳定性舞动机理的某种特例。
原电力工业部于1990年立项“220～500kV输电线路导线舞动的试验研究与治理”，经原国电电力建设研究所和湖北省电力局等单位多年研究，攻克了20多项技术难关，取得了有效防止220～500kV输电线路导线舞动的研究成果，并获得1997年度国家科技进步一等奖。
（四）输电线路覆冰舞动治理的对策
1、防舞措施的分类
鉴于输电线路舞动主要是由于三个方面的因素所形成的，即覆冰及其截面形状；风速及其方向；线路系统的自身参数。与此相应，防舞的措施也将是根据这几个方面有针对性地进行。
现行的防舞措施，大体可以分为三类：其一，
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