浅谈风对电力架空线路影响

一、引言

在气象条件三要素（风速、覆冰厚度和气温）中，风的作用除了产生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。导线的振动或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，导线的振动或舞动对电力架空线路的影响，线路设计人员、运行人员要给予足够的重视。

二、机理探讨

1、导线的舞动

舞动是一种频率很低（周期约为几秒钟一次）而振幅很大（最大可达档中弧垂值）的振动。导线舞动时多作垂直上下而稍斜的椭圆形运动，并伴有左右扭摆。

线路覆冰是舞动的必要条件，当天气由雨转雪，气温由零度上转零度下时，并有强风横吹过线路时，此时并有雨态的雨点凝集在线路迎风面的偏上方，形成线路单侧覆冰在 3mm 厚以上，并呈月牙形。

由于线路单侧覆冰呈月牙形，改变了线路呈圆形的几何形状，使线路的一侧形成一个翼面，当强风横向吹过时，原来的空气动力特性有所改变，风在线路上部通过的气流速度增大而压力减小，而在下部通过的气流速度减小，而压力增大，因此线路受到一个上扬力，同时也受到一个水平力。由于上扬力与线路的重力作用，使线路产生垂直振荡。由于线路偏心覆冰，使线路受到一个偏心荷载，因此线路就发生转动。在档距中间，转动角度最大。同时产生扭转力距，由于雨雪下落在线路上的角度时有变化，这种扭转力矩也时有变化。扭转的不稳定使线路产生了扭转振荡，当线路的垂直振荡与扭转振荡的频率相耦合时，就会产生舞动，而且随着风速增加，舞动趋势会越来越大，风速降低，气温回升，覆冰熔化舞动也即停止，因此可以说舞动是在特种气象条件下引起的特殊现象。

舞动产生条件：气温为 0～-7^∘C ，天气雨转雪；风向与线轴线夹角： 45～ 90^∘ ，风速是 5～15m/s ；地形条件：冻雨地带，风口地区，如跨河、谷口和两侧有屏障的开阔地带，开阔平原；气压高易产生舞动，气压较低地区不易产生舞动；应力低易产生舞动。

预防：导线舞动目前在世界上还是一个未很好解决的难题，没有很好的办法。当前线路上防舞动最常用的方法是在线路上加装防舞动鞭，它可以改变风力作用下导线的空气动力性形状，从而大大降低舞动发生的可能性。

2、振动

引起风振动的原因是稳定微风吹过架空线时，在导线背风面将形成一定频率上、下交替出现的气流漩涡，它的依次出现和脱离使导线受到同一频率的上下交变的脉冲力。该脉冲力的频率与风速和导线的直径有关，当脉冲力的频率与架空线自然振动频率相等时，产生谐振，即为风振动。这种振动发生在导线的垂直方向，也即导线力是向上或向下垂直于导线方向的。

架空电力线路架设在空中其导线可视为是一个长圆柱体，根据空气动力学原理，当空气在空中遇到圆柱体导线时，在柱体的背面形成涡流，如果涡流在柱体上部和下部交替着形成，此种状态就能继续存在下去。当涡流在圆柱体导线下部形成时，柱体上部流速度较柱体下部为大，这时，风对柱体的压力就有一个垂直向上分量，当达到一定程度时，就能使柱体向上移动。如果向上移动的力足够大，即上拔力足够大容易造成铁塔、法兰盘螺丝松动，造成事故。当涡流在柱体的上部形成时，圆柱体导线受到一个垂直向下的冲击力，使导线向下移动，容易造成断杆。当风面与线路垂直，且交替的产生向下或向上的作用力，如果这一作用力的频率相等或接近时就造成导线的振荡，导线的振动是产生在垂直面内。

风振动的频率高，振幅一般很少超过架空线的直径，振动时间多达全年时间的 50% ，这就使架空线在悬挂点处反复拗折，引起材料疲劳，导线断股或发生断线事故。

风振动的影响因素：

使导线产生稳定振动的原动力是有规律的同期性的冲击作用，也就是说涡流的形成是周期性，而这种周期性的涡流只有当均匀的气流（风速在0.4-8m/s ）碰到导线时才能发生，因而可以说使导线发生稳定性的振动的先决条件是均匀气流。均匀气流形成与下列因素有关：

A、风速及导线距地面高度。离地高度不超过12 米时， 0.5-4m/s 以内的风速都能形成均匀气流；离地高度在 25 米以内时，0.5—5m./s以内的风速都能形成均匀气流；在离地高度 40m 左右时，0.5— 6m/s 以内风速都能形成均匀气流。B、电压等级。电压越高，导线悬挂点越高，造成稳定性振动的可能性也就越大。C、风的方向与线路间的夹角。当风向与线路方向夹角在 45^∘-90^∘ 时，能产生稳定的振动；在 30^∘-45^∘ 时，振荡不稳定；小于 30^∘| 时不产生振荡。D、地理条件。一般在平原地带导线振动强度和持久度都会高一些。如果线路附近有森林、建筑群及高山，则振动的可能性要大大的减弱。

还有，导线应力、档距等。

三、导线防振措施

架空线的防振，可以从两个方面着手，一是减弱振动在架空线上加装防振装置以吸收振动能量，减弱振动幅度；二是增强导线耐振强度，防止由振动而引起的损坏。前者常采用防振锤、阻尼线（防振线）及螺旋形防振鞭，还有柔性横担、偏心导线和防振线夹等；后者常采用护线条或打背线，加强线夹出口处的刚性，减少出口处导线的弯曲应力和挤压应力，减少磨损。也常用预绞丝来代替护线条。

1、目前在架空线上安装防振锤是最常见的积极有效的措施之一，但必须正确的选择型号、安装个数及安装位置，以使在产生振动的各种风速下均有防振效果。防振锤安装位置应在接近“波腹”点处，以便最大限度地消耗振动能量。

2、安装阻尼线也能吸收或减弱振动能量，阻尼线是用一段挠性好的钢丝绳或与电线同型号的电线按“花边状”悬挂于导线支撑点两侧的导线上，其防振原理相当于多个联合的防振锤，将档距内传到线夹附近的振动波及所带能量被阻尼线花边逐步的消耗掉，以致使线夹出口处的振动波被大大衰减。

3、线径小架空线在防振上考虑使用防振鞭（微风振动阻尼器）进行防震。

4、推广应用“三新”，可以提高导线的抗疲劳能力。

四、建议：

通常，有些施工设计人员及安装人员，为图省事，凭经验，防振锤的安装距离统而一之。让我们作以下计算比较：

例：某架空线路，导线LGJ—120 型，导线直径 d=15.2mm ，自身比载g₁=35.1×10^-3N/m.mm² ，最小应力即最高气温时的应力 F₄₀=43.12Mpa , 最大应力即最低气温时的应力 F_-40=67.52Mpa ，平均档距为250 米。试计算导线悬挂点高为10.5 米与21 米时防振锤的安装距离。

解：查表得：选择防振锤型号为 FD -3。悬挂点高为 10.5m 时，取υ_m=4m/s ， υ_n=0.5m/s ；悬挂点高为 21m 时,取 υ_m=5m/s ， υ_n=0.5m/s