輸電線路次檔距振蕩及其防治方法

鄭建欣 楊青原 呂俊霞

（河南工業職業技術學院 河南南陽 473000）

1 引言

次檔距是分裂導線間隔棒之間的距離。次檔距振動是分裂導線各間隔棒之間的振動，介乎風振動和舞動之間。發生次檔距振動的風速范圍廣。次檔距振動能使分裂導線互相撞擊，因而損傷導線和間隔棒。

分裂導線次檔距振蕩是指在穩定橫向風荷載作用下，背風側子導線位于迎風側子導線周圍形成漩渦氣流的空氣動力尾流中時，導致背風側導線產生以水平運動為主加扭轉形成的水平方向為長軸的橢圓軌跡振蕩，進而激發迎風側子導線產生相反方向的橢圓振蕩。

隨著輸電容量的不斷增大，為了減少電暈損失和電暈干擾，同時為了輸電線路的經濟性和可靠性，所以在超高壓線路上廣泛使用分裂導線。次檔距振蕩只發生在分裂導線輸電線路中，是其特有的一種振蕩現象。

2 次檔距振蕩現象

次檔距振蕩現象是在分裂導線的情況下，其中一根或多根子導線不可避免的處在前方形成的尾流中。由于尾流效應（坐落在下風向的風電機組的風速低于坐落在上風向的風電機組的風速，風電機組相距越近，前面風電機組對后面風電機組風速的影響越大，這種現場稱為尾流效應），使得下風的子導線更容易吸收風的輸入能量，從而發生的低頻大幅度振動。

次檔距振蕩是氣動尾流效應引起的一種導線振動形式，根據風向及布置形式，多分裂導線分為迎風側子導線和背風側子導線，在風場中由迎風側子導線形成的尾流直接影響背風側子導線的氣流特性，引起子導線氣動力載荷發生變化，當氣動載荷變化同導線結構特性發生有效耦合作用時，則會激發分裂導線特有的次檔距振蕩現象，如圖1所示。振蕩以水平方向為主，伴以垂直方向的位移而構成橢圓狀的運動，各分裂導線的運動并不同步，振蕩常以單波幅形式出現，其頻率一般為1～5 Hz，振幅在導線直徑到500 mm之間，風速在5～15 m/s范圍內。當風向與路線方向夾角大于 45°時，次檔距振蕩隨時都有可能發生，平坦開闊的地帶更容易發生次檔距振蕩。而且在同一水平面子導線的振蕩方向相反。這種振蕩一般發生在低溫季節，風速為7～20 m/s。

圖1 分裂導線的次檔距振蕩

次檔距振蕩會造成各子導線的互撞和鞭擊，使導線的線股磨損，而且導致間隔棒夾頭處產生更大的動彎應力，從而使阻尼性能差的間隔棒松動損壞，甚至造成導線斷股、短路等惡性事故，威脅架空導線及金具的運行壽命，以至需要更換造價昂貴的導線和金具。架空超高壓輸電線路對穩定性的要求很高，它的安全運行至關重要，而又由于它所經過的地區的地表條件和氣候往往很復雜。所以，關于輸電線路多分裂導線次檔距振蕩的研究具有重要的意義。

3 次檔距振蕩的成因及危害

在使用分裂導線的輸電線路中，每相導線是由兩個或者兩個以上的子導線所構成。在穩定橫向風的作用下，空氣繞過迎風側子導線時，其表面附近形成很薄的邊界層漩渦區，并且流動將從導線后部表面分離，且有漩渦斷續的從導線表面脫落。這些薄邊界層或分理流渦旋區將順流而下，在導線后形成紊亂、充滿漩渦的尾流，并能保存一定的距離和速度，對處于尾流中的其他導線產生撞擊影響。根據空氣動力性能原理，處于尾流中的子導線受到阻力和升力的作用，并隨迎風角（風向與兩根子導線構成的平面之間的夾角）及兩根子導線靠近程度的不同而變化，使處于尾流中的子導線不穩定，可能按子導線的某個或接近自然頻率而開始振蕩。同時，又引起迎風側導線產生相對振蕩，這就是誘發次檔距振蕩產生的主要原因，與覆冰與否無關，如圖2所示。

圖2 架空線背風面渦流示意圖

3.1 電暈誘發振蕩

只是一種由在導線底部形成水滴引起的電暈所造成運動水滴，引起的每一次電暈爆發產生一個向上脈沖，激發起振蕩的同時，水滴也發生變形，因而使運動持續不斷。電暈誘發振蕩顯然是相當小的，而正常采用防止導線舞動的措施看來足夠控制這一類的振蕩，在發生振蕩時，風往往是平靜的，出現水滴是發生電暈誘發振蕩的必要條件。

3.2 短路振蕩

短路振蕩僅發生在分裂導線的線路上，短路時短路電流產生的電磁吸力，使同分裂的子導線間相互吸引，使每個次檔距都會產生一個半波長碰擊振蕩。其后果是造成間隔棒和導線的碰擊損傷，防護措施是增加間隔棒的強度。次檔距振蕩而導致分裂導線破壞問題已成為一個十分緊迫的問題。

3.3 振蕩產生的誘因

在超高壓輸電線路分裂導線中，使用了兩根或更多的平行的電力線構成一組或一束導線，而不是帶單相電流的單根導線。這樣，使用這些平行的導線時，間隔棒是必不可少的附件（金具），它們把分裂導線固定成束狀結構，這些間隔棒在兩塔間檔距按一定的距離與這些平行線垂直相連。

次檔距振蕩改變了線路的電氣參數，增大了電暈損失，提高了對無線電的干擾水平。但對于現有的各電壓等級的線路，這些影響較小，尚不構成運行上的突出問題。另外。次檔距振蕩會造成各子導線的互撞和鞭擊，使導線斷股磨損，間隔棒夾頭處產生很大的動彎應力，導致間隔棒松動以至損壞，甚至導線斷股、斷線等線路事故，威脅架空輸電線路安全運行及金具的使用壽命。

3.4 次檔距振蕩的影響因素

影響分裂導線次檔距振蕩的因素除了氣象條件和地形地貌等基本因素外，還有若干可變因素，主要有：分裂導線的數量和布置；分裂導線間距和導線直徑；導線質量；子導線排列對風向的傾角；間隔棒裝置的類型和位置等。

4 次檔距振蕩防治措施

在輸電線路中，抑制和減小次檔距振蕩的防護措施通常有如下幾種：增大分裂導線間距；合理布置子導線的位置；減少尾流區中導線的數量；減小次檔距的長度；間隔棒的優化布置和適宜選型等。但是它們并不是互不相容的，而常常是混合使用。

4.1 增大分裂導線的間距

分裂導線的間距通常取決于電氣方面因素。如導線表面容許電壓降。但基于改善分裂導線振動特性的要求，最終選擇的S/D值要大于電氣方面所要求的最小值。當S/D值大于15～18時，可以有效地減弱或消除次檔距振蕩危害，但這需要從線路建設初期便進行設計，對于已建成的老舊線路適應性不大。如果分裂間距為導線直徑的 20倍以上，背風側子導線基本會避開迎風側受風后的漩渦激發振蕩范圍，但是這樣大的分裂間距會影響線路的電磁環境，增加塔頭尺寸，且需要對連接金具進行重新設計。

4.2 減少尾流區導線的數量

減少迎風面導線的尾流區中導線的數量，實際上就是分裂導線相對位置如何布置問題。

4.3 合理布置子導線的位置

迎風面子導線與背風子導線形成的平面相對風向有一定傾斜角，背風子導線受到尾流激勵力會減小，甚至會使振蕩朝著減弱的趨勢發展。對雙分裂導線可采用垂直布置，或成 45°對角線布置，這樣可省去了安裝阻尼間隔棒，而且不僅僅有效地抑制了次檔距振蕩和舞動，也避免了阻尼間隔棒及附近導線損壞的弊端，這在我國廣泛采用。

對多分裂導線，國外有三分裂導線的三角形扭轉30°，四分裂導線扭轉45°布置成菱形以減少尾流效應，目前國內尚無此經驗。

4.4 減小次檔距的長度

次檔距長度與振蕩輔助成正比，通過減小次檔距長度，可以增加激發次檔距振蕩風速臨界值，降低振動幅度，達到抑制次檔距振蕩發生及減弱次檔距振蕩對線路結構損傷程度。但是，過度縮小次檔距長度不僅會增加線路的投資，而且會加大導線的運行應力水平，因而需要合理確定最大次檔距。

4.5 采用適宜的阻尼間隔棒并優化布置

為了減弱次檔距振蕩強度，需要選用機械特性優良的阻尼間隔棒，其一是通過間隔棒線夾設計使得振動波在相鄰次檔距間實現交互傳遞，從而降低振動水平；其二是在間隔棒線夾結構中設計有效的阻尼組件，使得沿著導線檔距形成分布式阻尼效應，實現抑制次檔距振蕩發生。對間隔棒進行優化布置，可以更好地吸收振動能量，抑制次檔距振蕩，間隔棒的優化布置是次檔距振蕩防護中一個重要研究課題。

4.5.1 阻尼間隔棒的結構和作用機理

阻尼間隔棒在我國廣泛應用于輸電線路，其作用原理是在間隔棒活動關節處，利用橡膠元件作阻尼材料來消耗導線的振動能量，以便能在保持分裂導線幾何尺寸的同時，使其有充分的活動性。利用橡膠的粘性在交變應力之下，吸收足夠的能量以達到對導線振動次數阻尼作用。該類間隔棒導線有足夠的扭轉握力，即使當分裂導線出現扭轉現象時，也不會出現夾的握力有松動情況，適用于各地區。但是考慮我國輸電線路的經濟條件，這類間隔棒主要用于導線容易產生振動地區的線路（如平原、丘陵及開闊地帶）。而剛性間隔棒的消振性能較差，適用于導線不易產生振動地區的線路（如山地、林區的隱蔽地帶）或用作線路間隔棒。

4.5.2 阻尼間隔棒裝置的類型和位置的影響

對于次檔距振蕩，為了更好的吸收振蕩產生的能量，現在廣泛選用具有較好阻尼性能間隔棒，即為阻尼間隔棒，阻尼間隔棒安裝位置對于次檔距振蕩的影響非常大。為了防止相鄰次檔距振蕩一致周期（如果有一處發生振蕩，就會激起全部次檔距振蕩）的現象發生，間隔棒安裝距離應當采用不等距離方法。

5 分裂導線阻尼間隔棒布置方法

阻尼間隔棒就是能降低分裂導線微風振動或次檔距振蕩的柔性或半剛性間隔棒。

間隔棒的主要作用是支撐子導線、防止子導線相互碰撞和鞭擊，抑制微風振動，抑制次檔距振蕩。所以，對于間隔棒的安裝距離及數量，除了考慮經濟因素外，還必須從防止導線碰撞和翻轉、能達到最佳防振效果等方面進行必要的研究和計算，主要考慮以下兩種破壞形式。

防止導線互相鞭擊。若最大次檔距的值超過一定的范圍，當兩個導線反向運動到最大位移處時，兩導線就會相互鞭擊，影響導線壽命。

防止導線疲勞損傷。次檔距振蕩使間隔棒夾頭產生更大動彎力，并振壞和振松夾頭握力引起導線磨損或斷股，而導線動彎應力與導線次檔距振蕩幅值有關，導線次檔距振蕩幅值越大，導線與間隔棒連接處的應力也越大。間隔棒的合理布置能夠有效抑制次檔距振蕩幅值，從而降低導線發生疲勞斷股的幾率。

5.1 最大次檔距

在分裂導線中，對間隔棒進行合理布置是控制次檔距振蕩的重要措施，而進行間隔棒布置的首要問題就是確定間隔棒最大次檔距。對于最大次檔距，一般設計中都是依據經驗進行取值。日本特高壓輸電特別委員會推薦1000 kV線路的最大次檔距為55 m，500 kV線路的最大檔距略長些。加拿大的恩居（Andre）公司規定兩級最大平均次檔距：開闊地帶，取68 m；非開闊地帶，取76 m。這些數據均有各自的經驗依據，但分散性太大，不易把握，且缺少理論依據。

當尾流區中的導線輸入能量與衰減能量達到相互平衡的狀態時，次檔距振蕩就會成為穩定振蕩。為避免子導線振蕩時發生碰撞，檔距中子導線的振幅一般要求小于二分之一倍的分裂間距。

次檔距振蕩振幅具有如下特性。

張力越大，振幅越??；間隔棒間隔越大，振幅越大；風速越大，振幅越大；覆冰越多，振幅將越大；導線外徑越大，振幅越大。

由以上特性可知，對于覆冰區的導線次檔距，應小于無覆冰區導線次檔距。

5.2 間隔棒的優化布置

《間隔棒內安裝距離》歸納了國內外次檔距不等距布置的基本方式。

次檔距長度由兩端向中間逐步增加，到檔距中央達到最大值；次檔距長度交替增加和減小。

中國電力科學研究院科研團隊基于非線性優化方法——罰函數法，主要考慮導線的總彎曲變形最小及調諧因子最大原則，建立了防次檔距振蕩間隔棒優化布置程序，并研制了防次檔距振蕩裝置，在多個實際工程中得到了應用。

分裂導線次檔距振蕩嚴重威脅著超高壓輸電線路的安全運行。隨著我國電力輸送能量的迅速增長，多分裂、大容量、遠距離的輸電線路成為必然選擇，次檔距振蕩作為多分裂導線的研究具有重要的意義。阻尼間隔棒是多分裂導線輸電線路必不可少的金具。我國盡管對于它的研究已經有了相當成熟的技術，但是測試技術卻不能達到很好的保證。所以，對于阻尼間隔棒性能測試的研究應進一步加強，針對導線特性開發出導線專用間隔棒。