架空導線的微風振動是由風吹過導線時在其背風側(cè)形成的風向上下交替的卡門漩渦引起的，是最常見的一種導線振動形式，具有振幅小、發(fā)生概率高、持續(xù)時間長等特點，容易導致導線疲勞斷股或金具損壞，嚴重威脅輸電線路的安全運行。
大跨越線路工程導線的微風振動更為劇烈，防振難度更大，防振方案也更為復雜。中國電力科學研究院有限公司從大跨越導線振動特性出發(fā)，建立了一整套大跨越導線防振設(shè)計、試驗及振動狀態(tài)評估方法，為大跨越線路的安全運行保駕護航。
為何要特殊對待大跨越導線的防振？
為滿足遠距離送電的要求，架空輸電線路不可避免地要跨越河流湖泊或海峽港灣等水域，跨越水域的檔距一般較大，而且很多水域有通航的要求，線路設(shè)計需特殊考慮。
一般來說，跨越檔距1000米以上、跨越塔高100米以上，有通航要求，需特殊設(shè)計的架空輸電線路被稱為大跨越線路。大跨越線路因所處地理位置特殊，其設(shè)計條件比一般線路更為嚴格，工程投資大，施工難度高，在安全性方面也有更高的要求。因此，大跨越線路工程必須優(yōu)化設(shè)計，強化運行狀態(tài)監(jiān)測，盡可能地消除微風振動等問題給線路帶來的安全隱患。
大跨越線路工程具有檔距大、懸掛點高、跨越水域開闊等特點，水域上空容易形成穩(wěn)定的層流風，能夠激起導線振動的風速范圍廣，導線吸收風能多，因此導線的振動強度及持續(xù)時間遠高于一般線路。若防振措施不合理，極易發(fā)生由動彎應變過大導致的導線疲勞斷股、金具損傷等故障，甚至引發(fā)導線斷裂等嚴重事故，修復起來困難，還會影響水域的通航，造成巨大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響。因此，必須高度重視大跨越導地線微風振動的防治，開展專門的防振設(shè)計及振動狀態(tài)評估研究，為工程的安全運行提供必要的技術(shù)保障。
抑制大跨越導地線振動有什么難點？
導線直徑大，地線防振難度高。為增加送電能力，高電壓等級的輸電線路多采用分裂導線，也就是每相（極）導線由多根導線組成。大跨越線路的分裂導線根數(shù)通常小于其所在輸電工程的一般線路段。目前，我國大跨越工程所用導線的最大直徑已達46.2毫米。導線直徑越大，其迎風面積越大，風輸送給導線的能量相應增加；同時，其在風力作用下的微風振動頻率也越低，單位時間內(nèi)導線線股間的相互摩擦次數(shù)減少，會導致導線自身對振動的阻尼作用下降。這“一增一降”導致了導線振動強度的增加，增大了導線防振的難度。另外，地線處于單根運行狀態(tài)，缺少間隔棒的阻尼作用，且高頻振動較為顯著，防振難度也相對較大。
跨越檔距大，導線懸掛點高?？缭綑n距主要對導線振幅和振動延續(xù)時間有影響。導線通常以某一固有頻率振動，每一振動頻率都對應一個輸入風速和振動波長。只有導線長度是振動半波長的整數(shù)倍時，才能建立穩(wěn)定的振動狀態(tài)。因此，導線檔距越大，能夠包含的不同振動頻率對應的半波數(shù)也就越多，越容易因固有頻率與風力激振頻率相接近而發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動，振動持續(xù)時間也會增加。導線懸掛點增高，將提高導線振動對應的上限風速，擴大振動頻率的范圍，也使振動延續(xù)時間增加。
導線運行張力高。大跨越工程往往為控制工程造價或因凈空限制而控制塔高，但同時還需滿足跨越水域通航的要求，導線弧垂又不能過低，這導致有些工程導線運行張力相對較高。導線張力提高，不僅會增加導線的振動強度（振幅和振動次數(shù)），而且會降低導線材料的疲勞極限，使其更容易因長期振動而發(fā)生疲勞斷股。同時，導線張力提高后，導線線股之間更加緊密，相互摩擦作用的程度降低，使其對微風振動的抑制作用下降，進而導致導線的振動幅度增加。因此，大跨越導線的防振設(shè)計要充分考慮導線張力的影響。
導線鋼芯占比大、強度高。為具有良好的弧垂特性，大跨越導線的鋼芯占比通常較高，鋼芯強度等級也在不斷增加。以專為大跨越工程研制的某型號超特強鋼芯高強度鋁合金絞線為例，其鋼芯強度不僅達到1960兆帕，鋁鋼截面比也僅為1.25。在同等張力百分比條件下，該導線鋁部應力大大超過常規(guī)鋼芯鋁絞線或鋼芯鋁合金絞線。這導致其在25%額定抗拉力張力條件下的振動強度過大，難以通過依據(jù)現(xiàn)行標準進行的振動疲勞性能檢測，工程設(shè)計上只能“量力而行”，嚴格控制運行張力。大跨越導線的鋁部應力高、鋼芯占比大、鋼芯強度高等特點為導線防振設(shè)計帶來了很大難度。
“四位一體”防振技術(shù)解難題
中國電科院通過多年的積累，針對輸電線路大跨越工程導線微風振動特點，建立起“防、測、治、評”四位一體的技術(shù)格局，形成了立體化、全方位的大跨越導線微風振動防治及狀態(tài)評估技術(shù)體系，解決了大跨距、高張力、高強度導線的防振難題。
“防”即導線微風振動防振方案確定。由于微風振動屬于很強的非線性問題，再加上導線阻尼參數(shù)的分散性，單純的理論分析和計算不足以精準地確定導線的防振方案，必須通過模擬試驗確定防振方案。中國電科院突破大跨越導線防振方案設(shè)計及試驗技術(shù)難題，建立了國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的分裂導線微風振動實驗室，開發(fā)了輸電線路防振輔助設(shè)計平臺，能夠快捷、高效地為大跨越線路工程提供更為優(yōu)化、安全的防振方案。
“測”指的是大跨越導線微風振動狀態(tài)監(jiān)測。防振方案實施、線路投入運行后，需要監(jiān)測其運行狀態(tài)，以確保其發(fā)揮作用。監(jiān)測分為“離線”和“在線”兩種模式。為推動防振技術(shù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，中國電科院在依托離線技術(shù)開展大跨越現(xiàn)場測振的基礎(chǔ)上，開發(fā)了大跨越工程導線振動狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)配套的測試現(xiàn)場前端的采集設(shè)備，導線振幅、應變及工程氣象條件等數(shù)據(jù)可實時采集并傳輸至數(shù)據(jù)中心及用戶終端，若導線的振動狀態(tài)發(fā)生異常，系統(tǒng)就會發(fā)出預警，提示數(shù)據(jù)中心及用戶終端注意。這樣既便于綜合分析防振方案的運行狀態(tài)，也便于運維人員及時掌握線路振動水平，從而指導運維策略的制訂和運維資源的配置。
“治”是導線微風振動的治理。通過綜合分析大跨越工程導線振動狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)，可掌握導線各關(guān)鍵點的振動參數(shù)，檢驗防振方案的運行效果。在系統(tǒng)反饋導線振動幅度超標時，技術(shù)人員可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時分析研判導線運行是否存在風險，并分析風險點及產(chǎn)生原因，并基于分析結(jié)果及時為線路運維專業(yè)人員提供技術(shù)建議。
“評”就是導線疲勞壽命評估。導線的疲勞壽命與導線的材質(zhì)、導線的振動強度等因素密切相關(guān)，疲勞破壞的根源在于導線材料內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生及擴展。中國電科院建立了基于損傷力學及斷裂力學的導線疲勞壽命預估模型，編制了導線疲勞壽命分析程序并將其嵌入大跨越工程導線振動狀態(tài)監(jiān)測評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可綜合分析振動數(shù)據(jù)，并根據(jù)運維專業(yè)人員的需要，出具大跨越導線振動狀態(tài)評估報告，分析導線的疲勞壽命情況。
目前，“防”的技術(shù)已廣泛應用于大跨越工程的建設(shè)及運行，基于阻尼線與防振錘聯(lián)合方案等防振方案型式已為特高壓大跨越在內(nèi)的國內(nèi)外百余項大跨越線路工程提供了防振解決方案，設(shè)計的防振方案通過了現(xiàn)場測振的檢驗，長期運行效果良好。220千伏舟山與大陸聯(lián)網(wǎng)輸電線路工程的螺頭水道大跨越，跨越塔最高達370米，主跨距達2756米，“阻尼線+防振錘”型式防振方案解決了鋁包鋼絞線的防振問題；500千伏舟山聯(lián)網(wǎng)輸變電工程西堠門大跨越塔高380米，主跨檔距達2656米，采用圣誕樹阻尼線型防振方案，有效抑制了導地線的微風振動。
后續(xù)，中國電科院將進一步推廣“測”“治”和“評”等方面技術(shù)，以技術(shù)服務的形式嵌入電網(wǎng)業(yè)務流程，更好地發(fā)揮大跨越防振技術(shù)體系的綜合效能，促進基建提質(zhì)、運維提效。
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