| 标题 | 输电线路导线覆冰舞动机理讨论与研究 |
| 范文 | 李小平 任永良 摘 要：本文首先通过对物体振动的不同类型进行说明，振动分为卡门涡、颤动和驰振三种，并对这三种振动的原理进行分类说明；其次在由驰振的一种特殊形式引出舞动的基本概念，也说明了导线舞动的三种形态及其主要的表现形式。再对舞动形成的主要因素做了详细的分类说明，主要由于输电线路由于雨雪天气的覆冰、风激励和输电线路自身的线路结构因素。最后对导线舞动的机理进行了重点分析。 关键词：振动；舞动；机理 1 物体振动概述 激励是由于有流体流过物体的表面时产生。这样的激励起物体的振动。流体决定激励的大小、性质，包括流体的流速、性质、流体的流动方向和物体的截面状态。 流体流过物体时引起的振动有三种主要类型，包括颤动、卡门涡和驰振。 1）卡门涡：由流体在物体表面后方形成的漩涡。它会因为交替脱落会在物体表面产生一个激励力，而且这个力是交替变换的，物体将被引起振动，这就是 通常意义说的卡门涡振动，在输电线路的研究中的微风振动就是卡门涡振动的范围。 2）失速颤振：失速颤振是一种自激振动。机翼的表面被高速气流流过，这时候机翼表面将会产生扭振，翼面上的横向振动互相耦合产生振动。由于在失速颤振中，空气动力可以达到结构振动的恢复力的大小，所以振动频率不是物体的自然频率，因此这种不同于舞动的频率漂移现象是失速颤振的特点。 3）驰振（舞动）：当较高速度的流体流过非圆截面的物体表面时产生一种自激振动，这是振动称为驰振。但这种振动中流体的速度要远低于失速颤振流体的流速。 2 舞动概念和形态 导线的舞动是导线在覆冰和风的条件下、形成非圆截面的覆冰导线在其激励下形成的大幅度、低頻振荡，称为自激振动。自激振动的频率通常在0.1～3HZ以内，然而振幅大致是相当于对应的导线直径5～250倍左右。 输电线路的覆冰横截面通常呈翼状形，在冰和风激励下，输电导线会因为力的作用产生低阶大振幅的共振，若发生在架空高压输电线路上，则大跨越档距导线舞动的幅度有可能会达到数十米，正是因为覆冰导线振动起来像龙舞，所以称之为舞动。 覆冰导线的舞动实质上是一种低频率、大幅度振动，它舞动起来形态不规则，根据实验观察发现，一般有三种形态： 1）横向振动。 2）绕两端输电杆塔的固定点自由摆动，这个主要发生在大跨越档间的导线。 3）导线绕着覆冰输电线路的轴线的自我扭转振动。 3 覆冰导线舞动形成因素 覆冰输电导线舞动是流体耦合振动中较复杂的一种，影响导线舞动的因素很多，但常见的有以下三种：导线覆冰、风的激励和线路自身因素。 3.1 导线覆冰 输电导线的舞动常发生在2～50mm覆冰厚度的导线上，导线覆冰形成有三个必备条件：1）空气湿度在85%以上；2）温度在-5～0℃之间；3）风速大于1m/s。 当导线的刚度大时，由于冰风的环境，会在导线的表面形成一层覆冰。这些覆冰在导线上的形状不均匀。一般会形成扇形、D形和新月形等不规则覆冰形状。这些覆冰导线的横截面的不规则形状对舞动过程有很大的影响，因为它们具有较强的空气动力性能，因此当有风时，导线舞动很容易发生。 3.2 风的激励 稳定的风激励也是形成舞动的必要因素，在冬季，冷暖气流的交汇，较强的风力，是导线舞动更易形成。江河、湖泊和平地等类似开阔地放和山谷、风口地区是比较容易发生舞动的地带，这是由于以往在风洞实验研究中发现垂直线路的风分量越大，对覆冰导线的激励效果越好，导线升力也越大，更易使系统失稳，而产生舞动。 3.3 线路结构与参数 除了以上两个外界因素，输电线路本身的结构也容易导致导线舞动的发生，包括：导线的类型、横截面积和档距。1）分裂导线一般比单导线更容易发生舞动。分裂导线由于导线间存在间隔棒，其扭转刚度比单导线覆冰时扭转刚度大的多，当有风时，分裂导线的风激励产生的升力、扭转转矩也要大很多，导致更易发生舞动，在实际的超高压线路中，分裂线路产生的舞动事故高达23%。2）截面大的导线更容易舞动。因为导线的横截面积越大，导线的相对扭转刚度就越大，扭转角就越小，覆冰更容易形成翼型，有风的激励时，产生更大的升力和扭矩。同时随着我国电力的发展，多分裂和大截面的导线被越来越广泛的应用在输电线路中，舞动的可能性也越来越大。3）线路档距越长其扭转刚度越大，在风激励下的扭转角要小，也易形成翼型覆冰，同样升力也大和扭矩也越大，就增大了覆冰导线发生舞动的可能。 4 覆冰导线舞动的机理 4.1 横向驰振机理 在冰和风激励下，圆截面的物体会激发频率为的涡致振动，而非圆截面的结构物则会产生两种不同类型的振动： 1）振动频率等于结构固有频率的驰振（流体流速较低时）； 2）频率偏离结构固有频率的失速颤振（流体流速较高时）；这是由于空气动力增大，几乎可以达到结构的质量惯性力、弹性恢复力的大小。由于输电线路由于本身结构是柔性，同时自然风速度不够高，所以在通常情况下有产生涡致振动的可能，或在覆冰后产生驰振的可能。 根据输电导线的振动的两种模式：横向振动与扭转振动，再结合这两种模式可能出现的耦合，可分三种情况：1）横向驰振稳定性；2）横向驰振响应；3）激发模式-邓哈托舞动。 4.2 惯性耦合激发机理 除了横向激发模式和扭转激发模式外，还存在第三种由于偏心惯性影响的惯性激发模式。由于在风激励下，惯性使攻角发生变化，木板向上运动，可知攻角会使升力F发生变化，由于升力与是同一个方向，将会增大对振动系统的干扰，并加剧横向振动，在这个过程中，不断积累能量，导致系统失稳而形成舞动。 由于导线舞动情况的复杂，且由于环境中各个因素的不确定性，如风速、雨量、温度和不同的覆冰形状和厚度，使得舞动模式存在不确定性，同一地区不同时段或不同线路也可能出现不同模式的舞动。在上述的三种激发模式中，其中邓哈托模式和尼格尔模式的起舞条件不同，哪种模式的自激条件先达到，哪种舞动就先出现，上面的三种舞动激励是迄今为止最主要的研究成果。 作者简介 李小平（1981-），国网四川省电力公司西充县供电分公司，研究方向：电力系统。 任永良（1986-），国网四川省电力公司西充县供电分公司，研究方向：电力系统。 |
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