导线的振动和舞动

第五章  导线的振动和舞动 风速、覆冰厚度和气温对导线的影响中，风的作用除产生了作用于导线和杆塔的垂直线路方向的水平荷载外，也是导线发生振动和舞动的根本原因。导线的振动和舞动将使导线产生断股、断线或引起相间闪络，造成线路跳闸停电等事故，严重危及输电线路的正常运行。因此，线路运行时要注意进行观测导线的振动和舞动，特别是导线的舞动。 第一节  导线的振动和舞动 图5-1 气流漩涡 一、振动的起因 架空输电线路的导线(避雷线)受到稳定的微风作用时，便在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流旋涡，如图5-1所示，从而使导线受到一个上下文变的脏冲力作用。当气流旋涡的交替变化频率与导线的固有自振频率相等时，导线在垂直平面内产生共振即引起导线振动。 导线振动的波形为驻波即波节不变，波腹上下交替变化，而且一年中导线振动的时间常达全年时间的30％～50％。无论导线以什么频率振动，线夹山口处总是一波节点，所以，导线振动使导线在线夹出口处反复拗折，引起材料疲劳，最后导致断股、断线事故，对线路的正常安全运行危害较大。 二、导线振动的特性和影响因素 1． 导线振动的特性 图5-2 导线的振动波形 (1)振动波形、振幅和振动角。导线的振动是沿整档导线呈里驻波分布的，即导线离开平衡位置的位移大小无论在时间上还是沿档距长度上都是按正弦规律变化的。同时在同一频率下，波腹点a(最大振幅)及波节点b在导线上的位置恒定不变。图5-2为某一频率时导线振动的波形示意图。0为波节点，导线离开平衡位置Oχ轴的距离称为振幅，位移中最大者称为最大振幅。 试验表明，导线的振幅与导线应力的大小有关。当导线应力为导线破坏应力的8％时，振幅接近于零；当导线应力增加到导线破坏应力的10％～15％时，振幅迅速增大；当导线应力增加到破坏应力的20％以后，振幅趋于饱和而变化很小。 振幅的大小还与空气气流对导线的冲击形式和气流能量的大小有关，并与导线各股间的摩擦有关。波腹点的振幅与波长有关，且在相当于低频率振动又是最大波长时的振幅最大。实际中，振幅一般不超过导线的直径，最大振幅也不会超过导线直径的2～3倍。 在评价线夹出口处导线振动弯曲程度时，以线夹出口处的振动角来表示更为直观。所谓振动角是指导线振动波的波节点处，导线对中心平衡位置的夹角。 运行的线路上，导线的振动角一般在30′～50′之间，当振动特别强烈时接近lo，这样大的振动角，不需要很长时间就会使导线断股。因此一般架空输电线路均需采取防振措施，且在导线紧线后应尽快安装防振器具，以使导线的振动角减小到允许范围之内。 2. 影响振动的因素 导线振动的可能性和振动过程的性质(频率、波长、振幅)，取决于很多因素：即导线的材料和直径；线路的档距和导线张力；导线距地面的高度；风的速度和方向以及线路经过地区的性质等。 风速在0.5～0.8m／s时，导线便产生振动。当风速增大时，在接近地面的大气层里，由于地面摩擦的结果，便出现气旋。气旋随着风速的增加而包围所有更高的气层，并破坏了上层气流的均匀性。也即破坏了导线悬挂处气流的均匀性，使导线停止振动。 当风向与导线轴线的夹角在90o～45o时，便可观察到稳定性的振动；在45o～30o时，振动便具有较小的稳定性；而小于20o时，一般不出现振动。 线路经过地区的地形条件如地势，自然遮蔽物(植物)和所有各种靠近线路的建筑物对靠近地面风的风速，风向和风的均匀性有很重大的影响，因而也影响导线的振动情况。平坦、开阔的地带有助于气流的均匀流动，并形成促进导线强烈振动的条件。线路沿斜坡通过和跨越不深的山谷和盆地，对风的均匀性没有重大影响，因而不妨碍振动的发生。对于在地形极其交错的地区(山区)，即在线路下或线路附近有深谷，堤坝和各种建筑物，特别有树木时，这就不同程度上破坏了气流的均匀性，使振动不易出现。    导线的振动除和风速、风向及路径有关外，还与导线的悬挂高度、线路档距和导线平均运行应力等有关。    随着导线悬点高度的增加，将减弱自然遮蔽物对于风的影响，扩大了产生振动的风速范围，增加了振动时间。    当档距增大时，导线长度增加，导线悬点也必须增高，振动的半波数目增加，其相对的振动频率数也增加。    实际上在小于l00m的档距上，很少看到导线振动，而档距超过120m时，导线才有因振动而引起破坏的危险性。在具有高悬挂点的大档距(大于500m)上导线振动特别强烈。不仅对于导线有破坏的危险，同时能引起金具甚至塔身的破坏。    导线的年平均运行应力，是指导线在年平均气温及无外荷裁条件下的静态应力，它是影响振动的关键因素。若此应力增加，就会增大导线振动的幅值，同时提高了振动频率，所以在不同的防振措施下，很快疲劳而导致破坏。 三、次档距振动  所谓次档距就是分裂导线隔棒之间的距离。微风振动，在分裂导线的各子导线上也会产生。但是由于各子导线间都装有间隔棒，振动的各个导线互相牵制，对于导线的微风振动有一定程度的抑制作用。 当分裂导线作水平排列的子导线处于迎风侧，子导线受所形成的旋涡气流的空气动力作用时，分裂导线的子导线就会产生振动，称次档距振动。这种振动主要在水平方向上，并沿椭圆轨迹运动，产生次档距振动的风速为4～18m／s，振动频率为0.7～2Hz。 次档距振动的后果，使间隔棒和线夹反复受到拉力和压力，造成间隔棒松动、磨损、导线损伤和线夹松动。 防次档距振动的措施主要有： 1.选择适当的子导线的间距； 2.将子导线悬挂在不同的对地高度上，如垂直悬挂，次档距振动很少发生； 3.安装阻尼间隔棒吸收振动能量，缩小间隔棒的距离； 4.在四分裂导线上，使用双分裂间隔棒，由于间隔捧夹头间次档距不等长，破坏了次档距导线可能振动的条件。 四、导线舞动 导线舞动是一种频率很低而振幅很大的振动，导线舞动时多作垂直上下而稍倾斜的椭圆形运动，并伴有左右扭摆。 舞动的起因一般认为由于偏心结冰而改变了导线的几何形状，月牙形结冰覆盖在导线一侧形成一个翼面，当强风吹过时，表现出一定的空气动力特性。风在导线上部通过时，气流速度增大，而压力减小；风在导线下部通过时，则气流速度减小，压力增大。因此，导线受一个向上的升力作用，同时受一个水平曳力作用。由于升力作用，导线有向上移的趋势，与导线重力联合作用，即产生垂直振动，当导线垂直振动和扭转振动两者频率相藕合时，即产生舞动。产生舞动的条件一般为气温0～-7℃，天气雨转雪，导线覆冰厚达3mm以上；风速10～20m／s，且和线路夹角为45o～90o；线路位于风口地段，如跨河、谷口和两侧有屏障的开阔通道处或开阔平原。另外，气压高，导线在空气中的重力减小，导线电晕也可能引起舞动。 据国外资料表明，导线应力低(20～80MPa)易产生舞动，大截面导线比小截面导线易产生舞动。从导线发生舞动的统计分析，舞动与档距大小尚无明确关系，因此不能象微风振动那样排除百米以下小档距振动的可能性。导线舞动因振幅大，持续时间长，极易发生混线闪络以致烧伤导线的事故，所以舞动出现虽然不多．但对线路运行威胁很大。 第二节  防振措施 一、防振措施 根据引起导线振动的原因及其影响因素和导线振动破坏机理，考虑防振措施可从以下两方面着手。 1.设法防止和减弱振动 （1）设法从根本上消除引起导线振动的条件。如线路路径避开易振区；年平均运行应力降低到不易发生振动的程度，等等。但这些措施在实际工程中往往不易实现，甚至不可能。 （2）设法利用线路设备本身对导线振动的阻尼作用，以减小导线的振动。如采用柔性横担、偏心导线、防振线夹等。 （3）在导线上加装防振装置以吸收或减弱振动能量，消除导线振动对线路的危害。目前我国广泛采用的防振装置是防振锤和阻尼线。 2.提高设备的耐振性能 因为导线振动对线路危害主要是引起线夹出口处导线断股断线，所以提高耐振性能的措施 （1）在线夹处导线上加装护线条或打背线，以增加线夹出口附近导线的刚性，减少弯曲应力及挤压应力和磨损，同时也能对导线振动起户定阻尼作用。钢芯铅饺线常用的护线条型式有锥形护条和预绞丝护线条，打背线是用一段与导线材料相同的线材同导线一起安装于线夹中，并在其两端与导线扎固在一起。 护线条应按导线型号选用相应的型号，打背线也不能在线夹出口处与背线端部之间进行扎固，否则将在护线条或背线墙部形成新的波节点，引起该处断股断线。 （2）改善线夹的耐振性能，如要求线夹转动灵活，从而线夹随着导线的上下振动能灵活转动，减小导线在线夹出口处的弯曲应力。 （3）在技术经济条件许可的条件下，尽可能降低导线的静态应力。 在实际工程中，根据需要可选用一种防振错施或两种以上防振措施配合使用。如对一般输电线路普遍采用防振锤防振；有些线路采用防振锤同时加装护线条进行防振；对500kV线路的重要跨越档距，有时需专门设计一套综合防振措施。 二、防振器具安装 1.防振锤的安装    最常用的防振锤形式如图5-3所示，它是由一段短的钢绞线在其两端各装一个重锤，中间有专为装于导线上使用的夹板组成。 当导线振动时，夹板随着导线上下移动，由于两端重锤具有较大的惯性而不能和夹板同步移动，致使防振锤的钢绞线不断上下弯曲。重锤的阻尼作用减小了振动的振幅，而钢绞线的变形及股线间的摩擦则消耗了导线 图5-3 防振锤 (a)FD型导线防振锤； (b)FC型钢线防振锤； (c)FF型导线防振锤；(d)FR型多频防振锤；(e)FH防振环 振动传给它的能量，从而减小了导线的振动。导线振动的振幅越大，防振锤的钢绞线上下弯曲挠度越大，则消耗的能量越多。振幅减小，防振锤消耗的能量随之下降，最后在能量平衡的条件下导线以很低的振幅振动。这就是防振锤的防振原理，从中我们可以看出，严格地说防振锤并不是“防振”，而是将振动限制到无危险的范围。 从防振锤的防振原理可见，要使防振锤能最大限度地消耗导线振动的能量，就要在防振锤选择和安装时，以防振锤的钢绞线能产生最大挠度为原则。 在选择防振锤型号时，首先防振锤的固有自振频率应与导线可能发生的振动频率范围相适应。其次防振锤的重量要适当，太轻则消振效果差，太重则可能在防振锤安装位置形成新的波节点。另外，还应与导线型号相配合。 防振锤的选择一般可按表5-1规定要求。 表5-1                      防振锤型号及适用绞线截面 型号 适用绞线截面积(mm2) 质量（kg） 钢绞线 铝绞线或钢芯铝绞线 FD-1 FD-2 FD-3 FD-4 FD-5 FD-6   35～50 70～95 120～150 185～240 300～400 500～630 1.5 2.4 4.5 5.6 7.2 8.6 FG-35 FG-50 FG-70 FG-100 35 50 70 100   1.8 2.4 4.2 5.9         图5-4 防振锤安装位置 在确定振锤安装位置时，因为导线的振动是沿整档导线呈驻波分布的，导线悬挂点处无论何种频率的振动均为一固定的波节点，因此，防振锤应安装在悬点附近；另外，防振锤应安装在波腹点附近，这样防振锤甩动幅度最大，消耗振动能量最多。然而，导线振动的频率和波长并非是唯一的，而是在一定范围内变化，为使防振锤的安装能对各种频率和波长的振动都能发挥一定的防振作用，就应照顾到出现最大及最小半波长时，都能起到一定的防振作用，如此自然对中间波长的振动具有更好的防振效果。见图5-4所示。 综上所述，当安装一个防振锤时，其安装位置的确定原则是：在最大波长和最小波长情况下，防振锤的安装位置在线夹出口处第一个半波范围内，并对这两种波长的波节点或波腹点具有相同的接近程度，即在这两种情况下防振锤安装点的“相角”的正弦绝对值相等。根据上述原则，可以得出防振锤安装距离b： 式中   —振动波的最大半波长，m； —振动波的最小半波长，m。 【例5-1】已知某输电线路代表档距为 ，最大振动半波长 ，最小振动半波长 决定安装一个防振锤。求防振锤安装距离。 解：安装距离为 答：防振锤安装距离是0.95m。 防振锤的安装距离b，对悬垂线夹来说，是指自线夹中心至防振锤夹板中心间的距离见图5-5(a)所示；对耐张线夹来说，当采用一般轻型螺栓式线夹时见图5-5(b)所示，采用压接式耐张线夹时见图5-5(c)(d)所示。 图5-5 防振锤安装距离示意图 (a)与悬垂线夹安装位置；(b)与螺栓式耐张线夹安装位置； (c)、(d)与压接式耐张线夹安装位置 当导线档距较大，悬点高度较高，风的输入能量很大而使导线振动强烈时，安装一个防振锤不足以将此能量消耗至足够低的水平，这时就需装多个防振锤。实际工程中，档距两侧各需安装的防振锤个数一般可按表5-2确定。 图5-2                              防振锤安装个数 档距(m) 导线直径(mm) 防振锤安装个数 1 2 3 小于12 12～22 22～37.1 ≤300 ≤350 ≤450 300～600 350～700 450～800 600～900 700～1000 800～1200         2.护线条安装 图5-6 锥形护线条组装示意图 在导线悬挂点使用专用的护线条，其目的是加强导线的机械强度。护线条是用与导线相同的材料制成，其外形是中间粗两头细的一根铝棍，如图5-6所示。在悬垂线夹1处用这种护线条2将导线3缠起来，这样，当导线发生振动时，就可防止导线在悬垂线夹出口处发生剧烈的波折，也即增加了导线的强度。运行经验证实，采用护线条，不仅能很好的保护导线，而且能减少导线的振动。 3.阻尼线安装 根据国内外运行试验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ，阻尼线有较好的防振效果，它在高频率的情况下，比防振锤有更好的防振性能。阻尼线取材容易，最好采用与导线同型号的导线作阻尼线(避雷线也可采用与其型号相同的材料)。 图5-7 阻尼线安装示意图 阻尼线的长度及弧垂的确定，应使导线的振动波在最大波长和最小波长时，均能起到同样的消振效果。对一般档距，阻尼线的总长度可取7～8m左右，导线线夹每侧装设3个连接点，如图5-7所示。 阻尼线与导线的连接一般采用绑扎法，或用U形夹子夹住。阻尼线花边的弧垂与防振效果关系不大；一般手牵阻尼线自然形成弧垂即可，约取10～100mm。 复习思考题 一、选择题 1.引起输电线路微风振动的基本因素是(D)。 A 风速；   B  档距；  C  应力； D 均匀稳定的微风。 2.在导线上安装防振锤是为(C)。 A 增加导线的重量；            B 减少导线的振动次数； C 吸收和减弱振动的能量；      D保护导线。 3.在风力的作用下，分裂导线各间隔棒之间发生的振动称为(C)。 A  舞动；    B  摆动；    C 次档距振动； D 风振动。 4.防振锤的理想安装位置是(D)。 A 靠近线夹处；              B 波节点； C 最大波腹处；              D 最大波腹与最小波腹之间。 二、判断题 1.振动对架空线的危害很大，易引起架空线断股甚至断线，因此根据设计要求施工紧线结束后应尽快安装防振金具。(√) 2.在线路上安装防振锤可以防止导线振动。(×) 3.导线的振动除和风速、风向及路径有关外，还与导线的悬挂高度、线路档距和导线平均运行应力等有关。（√） 4.在导线悬挂点使用护线条，其目的是加强导线的机械强度。（√） 5.导线振动频率和波长并非是唯一的，而是在一定范围内变化的。（√） 三、简答题 1.导线振动是如何产生的?对线路有何危害?影响导线振动的因素有哪些? 2.导线防振措施有哪两方面内容?以下措施哪些是减小导线振动的? 安装防振锤、护线条、阻尼线、打背线，采用偏心导线、防振线夹，降低导线应力。 3.试述防振锤的消振原理及其安装原则。 4.导线舞动是如何发生的，有何危害? 四、计算题 1.某架空输电线路，导线为LGJ-95/20型，导线直径d=13.87mm。g=35.187×10-3N/m·mm2，耐张段各档档距分别为200、360、380、320m， 、 。试选防振锤的规格和安装距离，并统计该耐张段所需导线防振锤数量。