输电导线舞动在线监测

摘要：开展输电导线状态检修工作即是现代高可靠性电网发展的必然要求，也是输电线路管理水平不断提高的要求，本文首先对状态检修进行了全面的介绍。其中在线监测是状态检修中的一种重要方法，本文介绍了在线监测的技术和方法以及其必要性等其系统构成。近年来，架空输电线路的舞动在线监测技术取得了长足的发展。介绍导线舞动造成的危害、舞动的产生机理和监测方式以及导线舞动在线监测技术国内外的应用现状和发展趋势。

关键词：状态检修 在线监测 舞动

0 引言

由于在一定的气象条件下，导线舞动经常发生，世界各国都有输电导线的记录，因此导线舞动很早就引起人们的注意，并且对导线舞动进行深入的研究具有重大的工程及学术价值，对他的研究涉及空气动力，悬索振动，气固耦合，气象研究等学科，是一门多学科的综合课题。我国是世界上导线舞动多发区之一，根据有关资料，在我国9个典型气象区中，其中有8个气象区有覆冰条件。且覆冰厚度可达3mm以上，因而都有可能发生舞动。

1 状态检修

所谓状态检修是指通过监测设备的状态，按照设备的健康状态对设备进行检查或维修。因此，对设备进行检修时间与部位，通过状态检修根据设备的实际运行状态进行确定，一般具有较强的针对性，并且经济合理。其特点主要表现为：设备检修依据设备当前的运行状态，不是设备的使用时间；通过先进的诊断手段实施状态监测，以及借助评价手段和寿命预测手段等，对设备的状态进行判断，对设备故障的早期征兆进行识别，同时判断故障部位、严重程度、故障发展趋势等，并对诊断结果进行分析，当设备性能下降或者故障将要发生之前主动实施维修。

2 输电线路综合在线监测及其应用

2.1 输电线路覆冰监测与预警系统

受气候＼微地形、微气象等因素的影响，我国冰灾事故频繁发生，造成导线覆冰，进一步发生导线舞动。2004年12月一场历史上罕见的天气突袭湖南，当地电网在持续的、大强度冰冻的影响下，经受有史以来最严峻的考验，电力线路冰闪跳闸和倒塔断线事故先后多次发生：3条500kV线路因不堪重负，其中倒塔24基，变形3基；6条220kV线路倒塔18基，变形9基；其它电压等级线路也遭到不同程度的破坏。2008年一月份我国南方地区出现大面积严重雪灾，导致线路杆塔倒塌情况严重，国家电网和南方电网共有三万条输电线路和两千多个变电站停运，严重影响了输电网的正常运行，造成了非常重大的经济损失和社会影响。

目前输电线路覆冰和舞动的理论研究已经较为深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在实际应用方面，无论是设立观测站，还是定期采集数据，都不够及时，目前输电线路覆冰和舞动的理论研究已经较为深入，取得了不少可喜的研究成果，然而在实际应用方面，无论是设立观测站，还是定期采集数据，都不够及时，而且往往很不够经济，满足不了输电线在线监测系统实时性和可靠性的要求。

为了解决导线覆冰监测问题，一些研究机构和相关公司开发了覆冰监测预警系统，为防冰和除冰工作提供技术和数据支持。该系统主要通过综合监测输电通道微气候状况、导地线的张力、倾角等力学参数、导线温度、绝缘子泄漏电流，结合现场图像监视判断输电线路的覆冰状况。当前，南方电网公司正在建设输电线路灾害（覆冰）预警系统；国家电网公司也开始着手建立区域性的输电线路覆冰在线监测系统。

2.2 动态提高输电线路输送容量（DLR：Dynamic Line Rating）

目前架空输电线路的热容量极限值是基于恶劣的气象条件，为维持线路对地安全距离而得出的。实际上在绝大多数气象条件下，提高线路最大输送容量，不会造成导线温度超标，并且仍能维持导线对地的安全距离。DLR系统通过线路运行状态监测实时确定线路的热容量极限值，能够在原有线路走廊上，利用原有杆塔，提高电网输送能力，节约输电走廊，提高原有线路的利用率。

目前应用的DLR技术主要基于以下几种状态监测量：微气候监测；直接测量导线温度；直接测量弧垂；导线张力测量。其中张力测量的方法监测耐张段的导线张力，反映了整个耐张段内各个档距的弧垂和平均温度，计算结果最为稳定和准确。美国电科院和Valley公司开发的CAT-1系统已在多条线路上运行，提高了输电容量10%～20%，取得了很好的效果。国内华东电网公司、上海交通大学等单位也在进行动态提高输电容量的研究，自主研发的系统已在现场安装试运行。

3 输电导线舞动的概念及形成因素

输电导线发生舞动时，非圆截面导线受风的影响，进一步产生一种低频（约为0.1～3Hz）、大振幅的自激振动，其振幅甚至可以达到导线直径的5～300倍。在寒冬偏心覆冰的输电线上容易发生导线舞动，通常情况下，由于振动峰值甚至超过10米，造成相间闪络，损坏金具，进一步造成线路跳闸停电，或者造成导线烧伤、杆塔倒塌等，甚至折断导线等，造成重大经济损失。因此，导线舞动直接威胁到输电线路，尤其是超高压，大跨越线路的输电安全。

形成舞动的因素主要包括：覆冰、导线的结构参数和风激励。气温，降雨及地理环境等因素决定覆冰状况，具有较强的随机性，并且与风速随机结合，进而产生诸多随机性因素。另外，输电导线作为一根或一组悬垂柔性体，其结构及振动状态通常情况下表现出很强的非线性。由此可见，输电导线舞动是一种由流体诱发的随机的非线性振动，是一种流体与固体的耦合振动。导线舞动的形成因素如下：

3.1 导线覆冰的影响

通常情况下，在覆冰雪厚度在2.5～48mm.导线上容易发生舞动，形成覆冰需具备的条件，主要包括：①空气湿度在90%～95%较大，干雪和雨凇，导线覆冰常见的气候条件是冻雨或雨夹雪；②0～5摄氏度是最为合适的温度，过高或过低的温度都不利于导线覆冰；③空气中水滴运动的风速一般大于1m/s。

3.2 风激励的影响

形成舞动，一方面需要覆冰，另一方面需要稳定的层流风激励。当舞动风速为4～20m/s，当主导风向与导线的夹角超过45度，这时导线容易发生舞动，并且夹角越接近90度，发生舞动的可能性就越大。

3.3 线路结构与参数的影响

3.3.1 导线直径的影响

对于截面积较大的导线来说，通常情况下容易产生舞动。这时因为，导线的截面越大，其扭转刚度就越大，进而在偏心覆冰后自身扭转难以产生，在同一方向堆积更多的覆冰层，进一步增加了导线迎风面与背风面之间的冰层厚度差。从表1.1的数据也大致可以看出这种趋势。

3.3.2 地形与地势的影响

与山区或丘陵地区相比，平原开阔地区容易发生导线舞动，无论从风速还是空气的流态来说，平原与开阔地区有利于形成舞动。

4 输电导线舞动的危害及防舞措施

4.1 导线舞动的危害

①对于耐张塔的主材接点和横担来说，在舞动的影响下，容易使紧固螺栓松扣、磨损，甚至剪断，影响铁塔受力；②在舞动的影响下，损坏原有的内部绝缘或者导致绝缘子钢脚发生破裂，造成停电；③损伤导线或磨损导线金具，造成导线断线。

4.2 导线舞动成因分析

4.2.1 导线舞动使得导线迎风表面覆冰增加。造成导线外形发生改变，在风力的作用下，升力和扭距出现，进一步使导线产生更大的张力和反向扭转，从而产生越来越大的跳动（即舞动）。

4.2.2 外界因素是覆冰、风速和一定角的风。①我国虽地域辽阔，导线舞动主要发生在秋末冬初或冬末春初。②在降雨、雨夹雪天气，气温多为零上向零下变化之间容易发生导线舞动。③导线覆冰。④风速风向。⑤导线截面与舞动无关，从50～500mm，都发生过。

4.3 防舞措施

4.3.1 选择路径，避开容易发生导线舞动的气象区。覆冰雪是引起导线舞动的一个基本因素，因此在选择路径时，应该尽量避开覆冰雪地区。

4.3.2 防止导线覆冰。第一种方法是加大导线通过的电流，以防止或融化导线上的覆冰。第二种方法是采用特殊结构导线。

4.3.3 限制导线的舞动范围，对塔头上的布置设计进行调整。但是，增大塔头尺寸，线路的造价必然会提高，通过这种方法进行处理，并不能有效地避免舞动的发生，因此不是一种积极的防治舞动的方法。

4.3.4 采用机械方法防止舞动，采用相间间隔棒，自阻尼导线，阻尼器，失谐装置，扰流线等机械方法防止导线的舞动。但由于导线舞动受多种随机因素的影响，各种放舞技术与手段都有其一定的局限性，应当根据当地的地理环境以及输电线路的情况等因素，根据防舞装置的特点选择合适的防舞措施。

5 输电导线舞动的机理及在线监测技术

5.1 输电导线舞动机理基础

当流体从结构物外面流过时，通常情况下会对结构物产生一个激励。激励的大小和性质与结构的断面形状，以及流体的性质，流动的方向等因素有关。

5.2 在线监测技术

5.2.1 卡门涡（或称漩涡脱落）振动。由于流体绕流过结构物面，在结构物的后方形成漩涡，当漩涡从结构物的两侧交替脱落时，便作用于结构物一个交变的周期激励力，引起结构物周期性的振动。漩涡脱落的主导频率为：

F=Sv/D

式中：f为主导频率，Hz；v为自有流速度，m/s；D为结构物垂直于流速方向的宽度，对于输电导线，为导线直径；S为斯特劳哈尔数，圆柱体为0.2，对于其他断面为0.17～1.10。

5.2.2 驰振。驰振是由于流体以较高速度流过非圆断面的结构物表面所引起的一种自激振动。

6 存在的问题及研究方向

①实际上由于地形，地貌，地面植被，建筑物的摩擦作用，近地面的空气流动呈湍流状态。②目前人们就档距对导线舞动影响持有不同观点。③目前尚无十分完善能解释各类舞动现象的舞动机理的提出。④许多防舞装置的设计尚不完善，防舞效果不理想。⑤目前导线舞动的理论及舞动试验研究工作开展不够，许多风洞无法开展的舞动研究需要试验线路，但建设试验线路经费较大，目前难以实现。

参考文献：

[1]尤传永.导线舞动稳定性机理及其在输电线路上的应用[J].电力设备，2004，5（6）.

[2]陈晓明，邓洪洲.大跨越输电线路舞动稳定性研究[J].工程力学，2004（2）.

[3]吕翼.覆冰导线气动力特性的数值模拟研究[D].浙江大学，2008（05）.

作者简介：李路（1986-），男，山西太原人，2010年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，助理工程师；李昊阳（1988-），男，山西太原人，2010年毕业于山西大学法律专业，助理工程师。