一、項(xiàng)目建設(shè)的背景及意義
架空輸電線路運(yùn)行過程中會因自然條件的作用發(fā)生多種災(zāi)害事故,威脅線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行,舞動是其中危害較為嚴(yán)重的一種。架空輸電線路的舞動是一種空氣動力不穩(wěn)定現(xiàn)象,是輸電線路導(dǎo)線不均勻覆冰后在風(fēng)力作用下引起的一種低頻率(0.1～3Hz) 、大振幅(導(dǎo)線直徑的20～300 倍)的自激振動現(xiàn)象,在振動形態(tài)上表現(xiàn)為在一個檔距內(nèi)只有一個或少數(shù)幾個半波。舞動產(chǎn)生多方面的危害,輕者發(fā)生閃絡(luò)、跳閘,重者發(fā)生金具及絕緣子損壞,導(dǎo)線斷股、斷線,桿塔螺栓松動、脫落,甚至倒塔,導(dǎo)致重大電網(wǎng)事故。
河南省是我國輸電線路舞動多發(fā)省份，1998年至今已發(fā)生過9次較大范圍的輸電線路覆冰舞動。1998年12月1日，河南電網(wǎng)發(fā)生大范圍線路導(dǎo)線舞動，導(dǎo)致22條次220kV線路跳閘，多條220kV線路單相接地及相間短路的事故，電網(wǎng)局部解裂，京廣電鐵短時停電，個別110kV 電壓等級線路出現(xiàn)倒塔現(xiàn)象;2000年12月1日及2001年1月11日，河南電網(wǎng)7條220kV線路導(dǎo)線舞動，造成金具損壞、線路跳閘、大面積停電等惡性事故;2003年2月9日夜，河南電網(wǎng)發(fā)生大范圍線路導(dǎo)線舞動，16條220kV輸電線路跳閘36條次，110kV及以下線路跳閘213條次，豫南駐馬店和信陽電網(wǎng)被迫與省網(wǎng)解列而孤網(wǎng)運(yùn)行近2小時，直接損失負(fù)荷26.5 萬千瓦。
因此，提高特高壓輸電系統(tǒng)的安全性和可靠度，減少冰雪給輸電系統(tǒng)造成的損失，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會價值。
二、項(xiàng)目的理論和實(shí)踐依據(jù)
1、覆冰舞動形成及影響因素
導(dǎo)線舞動是一種復(fù)雜的流固耦合振動，其產(chǎn)生原因很多?？偟膩碚f，導(dǎo)線覆冰、風(fēng)激勵和線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)是產(chǎn)生舞動的主要因素。
①導(dǎo)線覆冰
據(jù)觀測資料，舞動多發(fā)生在覆冰厚度為2~50mm的覆冰雪導(dǎo)線。而導(dǎo)線上要形成覆冰，必須同時具備以下三個條件：1)空氣濕度較大，一般在85%以上;2)溫度較低，一般為0~-5℃，溫度過高或者過低都不利于導(dǎo)線覆冰;3)具有可使空氣中水滴運(yùn)動的風(fēng)速，一般需大于1m/s。
覆冰導(dǎo)線的截面形狀對舞動的形成和發(fā)展具有決定性影響。因?yàn)閷?shí)際的氣象條件和環(huán)境因素十分復(fù)雜，覆冰形式多種多樣。一般，剛度小的導(dǎo)線，會形成近似圓形的覆冰形狀;而剛度大的導(dǎo)線會形成扇形、翼形、D形等不對稱覆冰形狀。經(jīng)試驗(yàn)證明，與對稱截面相比，不對稱截面的覆冰更易引起導(dǎo)線的氣動力失穩(wěn)，在風(fēng)的激勵下容易造成導(dǎo)線的低頻大幅舞動。
②風(fēng)激勵
除覆冰外，導(dǎo)線要形成舞動，還必須有穩(wěn)定的層流風(fēng)作用于導(dǎo)線。而山谷風(fēng)口或是四周無屏蔽物的開闊地帶(如江河湖泊、平地等)都是易出現(xiàn)穩(wěn)定層流風(fēng)的地帶，故而這些地帶也是舞動多發(fā)區(qū)。研究表明，若導(dǎo)線覆冰不均勻，且出現(xiàn)風(fēng)速為4~20m/s、主導(dǎo)風(fēng)向與導(dǎo)線走向夾角超過45的層流風(fēng)時，導(dǎo)線易產(chǎn)生舞動，并且該夾角越接近90，舞動出現(xiàn)的可能性也就越大。
③線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)
覆冰和風(fēng)的激勵可視為引起導(dǎo)線舞動的外因，而線路本身的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是引起導(dǎo)線舞動的內(nèi)因。不合理的線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)更易引發(fā)線路舞動。這些線路結(jié)構(gòu)與參數(shù)包括：導(dǎo)線的類型(分裂導(dǎo)線或單導(dǎo)線)、線路檔距和導(dǎo)線的橫截面積等。
1)導(dǎo)線類型的影響
覆冰時，導(dǎo)線首先會在迎風(fēng)面上結(jié)冰，扭轉(zhuǎn)剛度小的單導(dǎo)線會在偏心覆冰的作用下扭轉(zhuǎn)，使導(dǎo)線重新在迎風(fēng)面上結(jié)冰，最終使覆冰接近于圓形;而分裂導(dǎo)線由于間隔棒的約束使得每根子導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)極其微小，因而導(dǎo)線覆冰易形成翼形斷面這類不對稱覆冰的，因此，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線更易舞動。對于500kV及以上的超高壓、特高壓輸電線路，廣泛采用四分裂甚至六分裂導(dǎo)線，因而舞動發(fā)生的幾率較大。統(tǒng)計資料表明，在我國大部分500kV輸電線路中均發(fā)生過導(dǎo)線舞動，而由舞動引發(fā)的事故占事故總數(shù)的23.5%。
2)線路檔距的影響
關(guān)于檔距大小與舞動之間的關(guān)系，目前存在兩種觀點(diǎn)：一種認(rèn)為，導(dǎo)線檔距越短，導(dǎo)線的相對扭轉(zhuǎn)剛度越大，迎風(fēng)面覆冰時扭轉(zhuǎn)角越小，覆冰截面的不對稱性越大，在相同的風(fēng)激勵下，更易舞動;而另一種認(rèn)為，短檔距的扭振固有頻率及橫向固有頻率較長檔距時高，不易在低頻帶發(fā)生耦合諧振，因而可以通過縮短檔距以防止舞動的產(chǎn)生。這兩種觀點(diǎn)相互對立，迄今還無定論。
3)導(dǎo)線橫截面積的影響
由于大截面導(dǎo)線的相對扭轉(zhuǎn)剛度強(qiáng)于小截面導(dǎo)線，在偏心覆冰作用下其扭轉(zhuǎn)角較小，導(dǎo)線覆冰的不對稱性較大，因而大截面導(dǎo)線比小截面導(dǎo)線更易舞動。
由以上分析可以看出，隨著我國超高壓、特高壓電網(wǎng)的建設(shè)，多分裂、大截面導(dǎo)線被廣泛使用，加之輸電線路長，經(jīng)過地區(qū)的地理環(huán)境、氣候條件多樣，因而覆冰導(dǎo)線舞動的可能性也大大增加。
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2、防舞技術(shù)措施
導(dǎo)線的舞動是對輸電線路安全運(yùn)行的重大威脅，通過現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)與理論研究相結(jié)合，由定性向定量逐步深化的辦法，國內(nèi)外研究者已經(jīng)摸索出了一些防舞措施。這些防舞措施可歸納為避舞、抗舞和抑舞三種。
①避舞措施
避舞措施就是在輸電線路設(shè)計時，通過對氣象條件和地形、地貌的調(diào)查研究，選擇適合線路路徑、走向以避開舞動的一種措施。在選擇線路路徑時，應(yīng)盡可能避開導(dǎo)線易覆冰且風(fēng)大而平穩(wěn)的氣象區(qū)域，比如雨凇、濕雪頻繁、冬季多風(fēng)地區(qū)以及峽谷、寬闊江河、迎風(fēng)山坡和山脊等微地形易舞動地區(qū)。此外，在選擇線路走向時，應(yīng)盡量使線路走向與冬季主導(dǎo)風(fēng)向相平行。
②抗舞措施
抗舞措施是指通過提高線路的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度來確保線路設(shè)備在舞動下不被破壞并能繼續(xù)安全運(yùn)行的一種措施。增強(qiáng)線路的電氣強(qiáng)度是指在導(dǎo)線舞動時，保證足夠的電氣間隙以防止各相導(dǎo)線間以及相線、地線間發(fā)生短路。增強(qiáng)線路設(shè)備的機(jī)械強(qiáng)度是指提高桿塔、金具、導(dǎo)線等設(shè)備的抗舞動性能，使其在導(dǎo)線舞動時不被破壞?？刹扇〉拇胧┯校禾岣邨U塔塔身、增強(qiáng)橫擔(dān)的剛度，安裝抗舞懸垂線夾，給導(dǎo)線安裝護(hù)線條等等。
③抑舞措施
抑舞措施是指在舞動嚴(yán)重的線路上，通過加裝各種防舞裝置，達(dá)到破壞舞動形成條件、抑制舞動幅度的目的，從而消除舞動可能帶來的危害，保證輸電線路的安全運(yùn)行。
三類措施中，一般優(yōu)先采用避舞、抗舞措施，在這兩種措施無法實(shí)施或是實(shí)施后防舞效果不理想的情況下，才采用抑舞措施。但從實(shí)際應(yīng)用資料可知，迄今還很少有適用于全球各種氣象、地形地貌和線路結(jié)構(gòu)的防舞技術(shù)和方法。
3碳纖維導(dǎo)線防舞設(shè)計
碳纖維屬于新材料領(lǐng)域的高技術(shù)產(chǎn)品。碳纖維新材料技術(shù)與納米技術(shù)、生物技術(shù)一起，被稱為是推動21世紀(jì)人類技術(shù)革命的主導(dǎo)力量，是航天航空工業(yè)中制造火箭飛船等不可或缺的原材料，碳纖維的應(yīng)用水平從一個側(cè)面代表著一個國家、一個行業(yè)的材料技術(shù)發(fā)展水平。這是因?yàn)樘祭w維及其復(fù)合材料具有一系列的優(yōu)異性能，如高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱、熱膨脹系數(shù)小等，既具有碳素材料質(zhì)輕的固有本性，又具有陶瓷材料的耐熱耐蝕性，金屬材料的高強(qiáng)度、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，以及高分子材料的易加工性能。碳纖維及其復(fù)合材料既可作為結(jié)構(gòu)材料承擔(dān)載荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，是一種難得的一材多能和一材多用材料。
① 耐高溫
覆冰造成導(dǎo)線表面光滑,風(fēng)力只能作用在導(dǎo)線的表面上,不能進(jìn)入導(dǎo)線的線股里層,使導(dǎo)線吸收風(fēng)力能量的作用大為降低,導(dǎo)線的阻尼作用降低,如伴隨大風(fēng)極易產(chǎn)生振動。碳纖維導(dǎo)線能在150℃溫度下長期運(yùn)行，短時間可在200℃高溫下運(yùn)行，而常規(guī)鋼芯交線的最高使用溫度為80℃。因此，即使在溫度極低的環(huán)境中，碳纖維導(dǎo)線表面的覆冰也極易融化。
② 抗拉強(qiáng)度大低弧垂
碳纖維復(fù)合線芯的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2399MPa，遠(yuǎn)高于一般鋼絲的1240MPa，甚至比高強(qiáng)度鋼絲(約為1410MPa)的抗拉強(qiáng)度還要大，而碳纖維導(dǎo)線的弧垂僅為鋼芯鋁絞線的1/2。由于碳纖維導(dǎo)線低弧垂、抗拉強(qiáng)度大的特性，能有效降低在風(fēng)力的作用下導(dǎo)線上下舞動的幅度。碳纖維導(dǎo)線良好的機(jī)械強(qiáng)度能有效地抵抗電線舞動造成的危害, 使線路設(shè)備能在舞動下不被損壞并保持安全運(yùn)行。
③ 成本低
由于碳纖維復(fù)合芯倍容導(dǎo)線加倍容量運(yùn)行，而且抗拉強(qiáng)度高、馳度小等特點(diǎn)，可使桿、塔之間的跨距增大，高度降低，同樣容量線路成本比普通導(dǎo)線低。而普通導(dǎo)線為了防舞動，需要增加防舞動裝置，造價過高，不當(dāng)?shù)姆牢璺桨笇€路運(yùn)行還會帶來負(fù)面影響。
④ 消耗低、高環(huán)保
碳纖維復(fù)合芯倍容導(dǎo)線在同等外徑和相同傳輸容量下，線損減少20%，能減少發(fā)電容量，節(jié)約能源成本。按每年電力輸電線路100萬噸鋁用量計算，能節(jié)約鋁材近50萬噸。從保護(hù)環(huán)境、改善人們生態(tài)環(huán)境方面來說，具用劃時代的意義。
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