不容忽视的架空输电线微风振动

微风振动是最常见的架空输电线路振动形式，如果引起防振装置失效，易导致导线断股甚至断线，造成损失。中国电科院全面梳理了微风振动的研究历史和现状，并提出相关建议，为线路设计和运行部门提供参考。

我国幅员辽阔，不同地区的地理条件和气象特征差异性大。架空输电线路点多、面广、线长，110千伏及以上电压等级输电线路总长度已超过100万千米。

架空输电线路在运行中不可避免经受风的作用，导线和地线（以下简称输电线）会诱发风致振动。微风振动是最常见的振动形式，大部分线路的微风振动防治都通过安装防振装置得以控制。但近年来有多条架空输电线路因微风振动引起防振装置失效，导致导线断股甚至断线，造成重大损失。我国新疆、内蒙古等地区风速持久均匀，输电线微风振动强度大，必须引起足够的重视。中国电科院全面梳理了微风振动的历史和现状，提出相关建议，为线路设计和运行部门提供科学参考。

输电线微风振动是如何形成的，有什么特点？

层流风吹过圆柱体后会在尾流中形成一个规则的旋涡流型，漩涡在圆柱体的两侧交替脱落，对圆柱体产生一个垂直于风向的交替作用的周期力。美国航天工程学家冯·卡门最早系统阐述了这种现象，所以这种涡道被称为“卡门涡街”。

架空输电线路的输电线悬挂在杆塔上，承受一定张力，具有多个自振频率。输电线横截面为圆形，水平方向层流风吹过输电线后，背风侧的卡门涡街对输电线产生一个竖向交变力。当交变力的频率与输电线的自振频率一致时，便引起输电线垂直方向的振动。引起这种振动的风速通常在0.5米/秒至10米/秒范围内，因此，这种竖向的振动称为“微风振动”。

输电线微风振动具有频率高、振幅小、持续时间长的特点，常见频率范围为3赫兹至120赫兹，振幅通常不超过输电线的直径。输电线微风振动具有锁定效应，当输电线以旋涡脱落频率或相近频率振动时，会对尾流产生很强的整流作用，以至旋涡脱落频率与输电线的振动频率趋于一致。当风速在一定范围内变化时，输电线与漩涡的频率均保持不变，很明显地反映出同步效应。所以，输电线一旦发生微风振动，在风速变化的一定范围内，同步效应将使振动持续下去。因此，如果微风振动持续时间长，可以认为输电线的微风振动时刻发生。

输电线的微风振动是一种复杂的流固耦合现象，从本质上讲属于强迫振动。卡门涡街是诱发输电线振动的原因，同步效应使得振动得以维持，自限作用的存在限制了微风振动的振幅。

输电线微风振动有哪些危害？

微风振动容易引起输电线疲劳断股或金具损坏，严重威胁着输电线路的安全。20世纪50年代末期，我国开始注意到架空输电线的微风振动问题。1962年，当时的水利电力部电力建设研究所（现中国电力科学研究院）组织有关部门对我国19133千米架空输电线的微风振动情况进行了调查，包括数百回线路及大跨越线路运行情况，结果发现普遍存在着断股现象。例如，某线路输电线采用钢芯铝绞线，平均运行张力为输电线额定拉断力的25%，因未安装防振锤，当线路运行2年后检查1098个线夹，发现断股322处，占比为29.3%。根据调查结果，技术人员对振动严重的线路加强了防振措施，同时开展了试验研究工作，取得了一定成效。

自然界的风每时每刻都存在，因此输电线的微风振动也是长期存在的。输电线长期振动所产生的累积效应会导致输电线疲劳断股、金具磨损、绝缘子受损、杆塔构件损坏等，因此在运行中应高度重视输电线的微风振动问题。

因微风振动引起的输电线路导地线断股是线路安全运行的严重隐患。输电线路一旦发生断股、断线，将给电网安全运行带来巨大威胁，停电和换线损失巨大，因此必须对输电线路微风振动的防治给予足够的重视。

微风振动引起的输电线疲劳断股等故障是长期累积作用的效果。一般情况下，输电线的微风振动难以用肉眼直接观察到。一旦发生防振装置损坏或脱落，输电线的疲劳断股现象就已经比较严重。输电线由多根单线绞制而成，其中一根或多根单线断股后，应力会转移其他单线上，会加剧发生疲劳破坏。因此，输电线出现疲劳断股后，应立即采取补救措施，改进防振装置，防止故障进一步扩大。

输电线微风振动的防治措施及建议

在输电线上安装防振装置是抑制微风振动的基本措施，常见的防振装置有防振锤、阻尼线等，通过防振装置耗能来降低输电线路的振动强度。

1925年，美国工程师斯托克布里奇最早提出了防振锤的设想，并申请了专利。斯托克布里奇防振锤由线夹、钢绞线和锤头三部分组成，在后来的发展中，锤头和线夹出现了新的结构型式，但原理没有变化。防振锤通过线夹安装在输电线上，输电线微风振动时，防振锤随之振动，钢绞线发生弯曲变形，通过其钢绞线的股间磨擦，把振动输电线的动能变为热能消耗掉。其耗能的大小与线夹振动速度有关，速度越大，耗能越多。防振锤的应用，有效抑制了输电线微风振动，基本解决了微风振动引起的疲劳断股问题，是输电线防振的基本手段。

超高压输电线路导线均采用分裂型式，并安装阻尼间隔棒，由于阻尼间隔棒对子导线的微风振动具有牵制作用，因此，多分裂导线的微风振动强度低于同条件下的单导线。对于四分裂导线，当安装阻尼间隔棒且导线平均运行张力不大于导线额定拉断力的25%时，500米及以下档距可不安装防振锤。

大跨越线路具有挂点高、档距大、所处地形开阔的特点，水面上空容易形成层流风，引起输电线激振的风速范围广。因此，输电线吸收风能较普通线路大得多，其微风振动强度也远远高于普通线路，且输电线几乎每时每刻都在振动，若防振措施不当，则极易发生由于输电线动弯应变过大而导致的疲劳断股、甚至断线等事故。

大跨越输电线的防振方案通常采用阻尼线型式。阻尼线通常为钢芯铝绞线，通过线夹与输电线固定；输电线振动时，阻尼线随之振动，从而实现耗能减振的作用。

1930年，澳大利亚工程师贝特发明了最早的阻尼线。此后由此演变而来的防振装置有贝特阻尼线+防振锤、交叉阻尼线、圣诞树阻尼线等。这些防振装置的基本原理都是改变输电线的振动模式，通过自身的振动消耗系统的振动能量，从而降低输电的微风振动水平。我国大跨越输电线防振方案以贝特阻尼线+防振锤联合防振方案为主，具有良好的消振效果和丰富的运行经验，对保证大跨越输电线的安全稳定运行发挥了重要的作用。

总体而言，我国架空输电线路的输电线微风振动问题已经基本实现可控、在控，但是由于地区的差异，在持续稳定风区，输电线的微风振动仍然不容忽视。应采取差异化的设计方法，适当降低输电线的平均运行张力，并安装以阻尼线为主的防振方案，合理选择防振锤，必要时进行防振效果验证试验，将输电线的微风振动强度控制在允许范围内。