架空导线的微风振动是由风吹过导线时在其背风侧形成的风向上下交替的卡门漩涡引起的，是最常见的一种导线振动形式，具有振幅小、发生概率高、持续时间长等特点，容易导致导线疲劳断股或金具损坏，严重威胁输电线路的安全运行。
大跨越线路工程导线的微风振动更为剧烈，防振难度更大，防振方案也更为复杂。中国电力科学研究院有限公司从大跨越导线振动特性出发，建立了一整套大跨越导线防振设计、试验及振动状态评估方法，为大跨越线路的安全运行保驾护航。
为何要特殊对待大跨越导线的防振？
为满足远距离送电的要求，架空输电线路不可避免地要跨越河流湖泊或海峡港湾等水域，跨越水域的档距一般较大，而且很多水域有通航的要求，线路设计需特殊考虑。
一般来说，跨越档距1000米以上、跨越塔高100米以上，有通航要求，需特殊设计的架空输电线路被称为大跨越线路。大跨越线路因所处地理位置特殊，其设计条件比一般线路更为严格，工程投资大，施工难度高，在安全性方面也有更高的要求。因此，大跨越线路工程必须优化设计，强化运行状态监测，尽可能地消除微风振动等问题给线路带来的安全隐患。
大跨越线路工程具有档距大、悬挂点高、跨越水域开阔等特点，水域上空容易形成稳定的层流风，能够激起导线振动的风速范围广，导线吸收风能多，因此导线的振动强度及持续时间远高于一般线路。若防振措施不合理，极易发生由动弯应变过大导致的导线疲劳断股、金具损伤等故障，甚至引发导线断裂等严重事故，修复起来困难，还会影响水域的通航，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，必须高度重视大跨越导地线微风振动的防治，开展专门的防振设计及振动状态评估研究，为工程的安全运行提供必要的技术保障。
抑制大跨越导地线振动有什么难点？
导线直径大，地线防振难度高。为增加送电能力，高电压等级的输电线路多采用分裂导线，也就是每相（极）导线由多根导线组成。大跨越线路的分裂导线根数通常小于其所在输电工程的一般线路段。目前，我国大跨越工程所用导线的最大直径已达46.2毫米。导线直径越大，其迎风面积越大，风输送给导线的能量相应增加；同时，其在风力作用下的微风振动频率也越低，单位时间内导线线股间的相互摩擦次数减少，会导致导线自身对振动的阻尼作用下降。这“一增一降”导致了导线振动强度的增加，增大了导线防振的难度。另外，地线处于单根运行状态，缺少间隔棒的阻尼作用，且高频振动较为显著，防振难度也相对较大。
跨越档距大，导线悬挂点高。跨越档距主要对导线振幅和振动延续时间有影响。导线通常以某一固有频率振动，每一振动频率都对应一个输入风速和振动波长。只有导线长度是振动半波长的整数倍时，才能建立稳定的振动状态。因此，导线档距越大，能够包含的不同振动频率对应的半波数也就越多，越容易因固有频率与风力激振频率相接近而发生稳态振动，振动持续时间也会增加。导线悬挂点增高，将提高导线振动对应的上限风速，扩大振动频率的范围，也使振动延续时间增加。
导线运行张力高。大跨越工程往往为控制工程造价或因净空限制而控制塔高，但同时还需满足跨越水域通航的要求，导线弧垂又不能过低，这导致有些工程导线运行张力相对较高。导线张力提高，不仅会增加导线的振动强度（振幅和振动次数），而且会降低导线材料的疲劳极限，使其更容易因长期振动而发生疲劳断股。同时，导线张力提高后，导线线股之间更加紧密，相互摩擦作用的程度降低，使其对微风振动的抑制作用下降，进而导致导线的振动幅度增加。因此，大跨越导线的防振设计要充分考虑导线张力的影响。
导线钢芯占比大、强度高。为具有良好的弧垂特性，大跨越导线的钢芯占比通常较高，钢芯强度等级也在不断增加。以专为大跨越工程研制的某型号超特强钢芯高强度铝合金绞线为例，其钢芯强度不仅达到1960兆帕，铝钢截面比也仅为1.25。在同等张力百分比条件下，该导线铝部应力大大超过常规钢芯铝绞线或钢芯铝合金绞线。这导致其在25%额定抗拉力张力条件下的振动强度过大，难以通过依据现行标准进行的振动疲劳性能检测，工程设计上只能“量力而行”，严格控制运行张力。大跨越导线的铝部应力高、钢芯占比大、钢芯强度高等特点为导线防振设计带来了很大难度。
“四位一体”防振技术解难题
中国电科院通过多年的积累，针对输电线路大跨越工程导线微风振动特点，建立起“防、测、治、评”四位一体的技术格局，形成了立体化、全方位的大跨越导线微风振动防治及状态评估技术体系，解决了大跨距、高张力、高强度导线的防振难题。
“防”即导线微风振动防振方案确定。由于微风振动属于很强的非线性问题，再加上导线阻尼参数的分散性，单纯的理论分析和计算不足以精准地确定导线的防振方案，必须通过模拟试验确定防振方案。中国电科院突破大跨越导线防振方案设计及试验技术难题，建立了国内技术领先的分裂导线微风振动实验室，开发了输电线路防振辅助设计平台，能够快捷、高效地为大跨越线路工程提供更为优化、安全的防振方案。
“测”指的是大跨越导线微风振动状态监测。防振方案实施、线路投入运行后，需要监测其运行状态，以确保其发挥作用。监测分为“离线”和“在线”两种模式。为推动防振技术数字化转型，中国电科院在依托离线技术开展大跨越现场测振的基础上，开发了大跨越工程导线振动状态监测评估系统。利用该系统配套的测试现场前端的采集设备，导线振幅、应变及工程气象条件等数据可实时采集并传输至数据中心及用户终端，若导线的振动状态发生异常，系统就会发出预警，提示数据中心及用户终端注意。这样既便于综合分析防振方案的运行状态，也便于运维人员及时掌握线路振动水平，从而指导运维策略的制订和运维资源的配置。
“治”是导线微风振动的治理。通过综合分析大跨越工程导线振动状态监测评估系统，可掌握导线各关键点的振动参数，检验防振方案的运行效果。在系统反馈导线振动幅度超标时，技术人员可根据监测数据及时分析研判导线运行是否存在风险，并分析风险点及产生原因，并基于分析结果及时为线路运维专业人员提供技术建议。
“评”就是导线疲劳寿命评估。导线的疲劳寿命与导线的材质、导线的振动强度等因素密切相关，疲劳破坏的根源在于导线材料内部裂纹的产生及扩展。中国电科院建立了基于损伤力学及断裂力学的导线疲劳寿命预估模型，编制了导线疲劳寿命分析程序并将其嵌入大跨越工程导线振动状态监测评估系统。该系统还可综合分析振动数据，并根据运维专业人员的需要，出具大跨越导线振动状态评估报告，分析导线的疲劳寿命情况。
目前，“防”的技术已广泛应用于大跨越工程的建设及运行，基于阻尼线与防振锤联合方案等防振方案型式已为特高压大跨越在内的国内外百余项大跨越线路工程提供了防振解决方案，设计的防振方案通过了现场测振的检验，长期运行效果良好。220千伏舟山与大陆联网输电线路工程的螺头水道大跨越，跨越塔最高达370米，主跨距达2756米，“阻尼线+防振锤”型式防振方案解决了铝包钢绞线的防振问题；500千伏舟山联网输变电工程西堠门大跨越塔高380米，主跨档距达2656米，采用圣诞树阻尼线型防振方案，有效抑制了导地线的微风振动。
后续，中国电科院将进一步推广“测”“治”和“评”等方面技术，以技术服务的形式嵌入电网业务流程，更好地发挥大跨越防振技术体系的综合效能，促进基建提质、运维提效。
（作者单位：中国电力科学研究院有限公司）
评论