清遠(yuǎn)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 譚開(kāi)平

高壓架空輸電線路由于造價(jià)低而廣泛應(yīng)用，超過(guò)電纜成為主要電力傳輸通道，是電力系統(tǒng)的主要基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)某供電區(qū)近兩年統(tǒng)計(jì)：管理區(qū)內(nèi)的輸電線路共發(fā)生350次跳閘。自然災(zāi)害共計(jì)造成254次跳閘，其中大風(fēng)造成70次風(fēng)偏跳閘、占20%，雷擊引起的跳閘為184次、占52.57%。風(fēng)偏跳閘已成為僅次于雷擊的事故原因。

按照目前輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范，線路風(fēng)偏角的設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：最大設(shè)計(jì)風(fēng)速、重現(xiàn)期規(guī)定、風(fēng)速高度換算系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、微地形條件以及風(fēng)荷載等。當(dāng)它們受氣候、環(huán)境變化而產(chǎn)生重大變化時(shí)，直接影響桿塔設(shè)計(jì)的基本原則，導(dǎo)致桿塔重建。

1 風(fēng)偏角的設(shè)計(jì)

風(fēng)偏角的設(shè)計(jì)是輸電線路電氣技術(shù)范疇，是輸電線路的重要指標(biāo)之一，合適的風(fēng)偏角設(shè)計(jì)是輸電線路安全運(yùn)行的保證。其機(jī)理是當(dāng)風(fēng)力作用于架空輸電線路的表面時(shí)，受到垂直于線路導(dǎo)線方向的風(fēng)力將使導(dǎo)線產(chǎn)生橫向的搖擺偏移，風(fēng)力越大偏移越大。該偏移產(chǎn)生的角度就是所謂線路風(fēng)偏角φ，所以，風(fēng)偏角就是懸垂絕緣子串和導(dǎo)線這個(gè)共同體在一定的風(fēng)速作用下，引起的導(dǎo)線與垂直方向所形成的角度。

風(fēng)偏角的大小與風(fēng)力大小、絕緣子重量及長(zhǎng)度、導(dǎo)線自重等因素有關(guān)，當(dāng)風(fēng)偏角太大導(dǎo)致導(dǎo)線與塔身的空間距離不足，將會(huì)由于絕緣距離不夠?qū)е戮€路跳閘。如圖1所示，桿塔設(shè)計(jì)尺寸需滿足懸垂絕緣子串在工頻、操作、雷電、帶電作業(yè)等各種工況下風(fēng)偏后的安全距離要求，因此風(fēng)偏角的大小決定了桿塔塔頭的尺寸，繼而決定了整體線路的投資水平。

圖1 線路風(fēng)偏角的設(shè)計(jì)

如圖1所示，風(fēng)偏角就是線路絕緣子串和導(dǎo)線在一定的風(fēng)速作用下，引起的導(dǎo)線與垂直方向所形成的角度：φ=tg-1((PI/2+PLH)/(GI/2+WILV))。

式中：PI為懸垂絕緣子串風(fēng)壓，N；GI為懸垂絕緣子串重力，N；P 為相應(yīng)工況下的導(dǎo)線分荷載，N/m；WL為導(dǎo)線自重力，N/m；LH為實(shí)際條件下的桿塔水平檔距，m；LV為實(shí)際條件下的桿塔垂直檔距，m。顯而易見(jiàn)風(fēng)偏角不能太大，否則會(huì)造成導(dǎo)線與塔身的空間距離減少，當(dāng)小于安全運(yùn)行的要求時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣擊穿而放電，最后導(dǎo)致線路跳閘、停電。因此合理的風(fēng)偏角設(shè)計(jì)是非常必要的，主要考慮以下因素。

1.1 最大設(shè)計(jì)風(fēng)速

風(fēng)速作用于事物表面上就是風(fēng)壓，設(shè)計(jì)工作中選取方法必須準(zhǔn)確，必須嚴(yán)格依據(jù)氣象臺(tái)、站自記式風(fēng)速儀的記錄資料，對(duì)早期的非自記錄定時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正，并用于獲得10分鐘時(shí)距的年平均最大風(fēng)速樣本。值得一提的是，國(guó)內(nèi)與國(guó)外在高壓架空輸電線路基本最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的選取方法上是一致的。但當(dāng)風(fēng)速儀高度與標(biāo)準(zhǔn)高度10m 不同時(shí)，使用轉(zhuǎn)換風(fēng)速時(shí)國(guó)內(nèi)外相關(guān)計(jì)算參數(shù)選擇并不一致。

以500kV 線路為例，導(dǎo)線平均架設(shè)高度為20m時(shí)，國(guó)內(nèi)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為30m/s，而美國(guó)和日本則分別為34.5m/s 和40.3m/s。我國(guó)計(jì)算得到的線路設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速比美國(guó)和日本風(fēng)速值小，主要由于國(guó)內(nèi)的風(fēng)速換算時(shí)距過(guò)大。結(jié)果是最大設(shè)計(jì)風(fēng)速取值比其他根據(jù)國(guó)家、地區(qū)稍低。對(duì)風(fēng)偏角的設(shè)計(jì)是有利的，但日后運(yùn)行是安全系數(shù)低。

1.2 風(fēng)壓不均勻系數(shù)

風(fēng)的方向總是變化不定的，電線所承受的風(fēng)速在各點(diǎn)上也是不一樣的，通常為方便計(jì)算將電線上的風(fēng)壓由風(fēng)速的平均值所確定。為了使所選擇的風(fēng)速值與整個(gè)檔距內(nèi)跨度的風(fēng)況相匹配，考慮了一個(gè)適合系數(shù)，這個(gè)系數(shù)就稱為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，國(guó)內(nèi)與國(guó)外在風(fēng)壓不均勻系數(shù)的選取方法上一致。

1.3 水平檔距的影響

在不同的電壓等級(jí)輸電線路的水平檔距有相應(yīng)的推薦值，水平檔距越大桿塔的負(fù)荷越大，風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的水平作用力就大，計(jì)算得出的絕緣子串風(fēng)偏角也大。減少水平檔距會(huì)增加輸電線路的平均耗材，所以為減少風(fēng)偏角而調(diào)整輸電線路的水平檔距時(shí)，必須同時(shí)考慮線路耗材的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

1.4 風(fēng)速高度換算系數(shù)

當(dāng)空氣在地面上流動(dòng)時(shí)與地面產(chǎn)生摩擦，從而改變了靠近地面氣流的方向和速度，摩擦對(duì)氣流的影響隨著高度的增加而逐漸減小。因此，在低氣層中風(fēng)速隨高度而增加且增速很快，增加至一定高度時(shí)增長(zhǎng)逐漸減慢。風(fēng)速高度換算系數(shù)決定于地形變化的復(fù)雜性，國(guó)際上美國(guó)和日本執(zhí)行的風(fēng)速高度換算系數(shù)值比我國(guó)的更高。國(guó)內(nèi)的風(fēng)速高度換算系數(shù)取值較小，對(duì)風(fēng)偏角的設(shè)計(jì)是不利的，運(yùn)行時(shí)安全系數(shù)較高。

2 實(shí)際運(yùn)行中的存在問(wèn)題

在具體的工程中，風(fēng)偏角的計(jì)算必須充分考慮各種影響因素、并且留有一定裕度的，但這種裕度不能太大，因?yàn)轱L(fēng)偏角越大需要桿塔塔頭的尺寸就越大，繼而提高了輸電線路的整體投資水平。問(wèn)題是，輸電線路橫跨了各種地理環(huán)境，很多外部因素使得環(huán)境變化超過(guò)了預(yù)期。例如：

微地形條件對(duì)風(fēng)速的影響。研究數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)大風(fēng)經(jīng)過(guò)人口稠密的城鎮(zhèn)或森林覆蓋的地區(qū)時(shí)，地面上的地形和地物特征會(huì)阻礙大風(fēng)氣流的流動(dòng)，該作用的結(jié)果會(huì)使得經(jīng)過(guò)其表面的風(fēng)速減?。欢?dāng)大風(fēng)經(jīng)過(guò)峽谷口、隘口、山脊、河道等地形時(shí)，由于該地形會(huì)產(chǎn)生氣流的翻越、縮口效應(yīng)，而使經(jīng)過(guò)的大風(fēng)的風(fēng)速增大，隨著許多工程建設(shè)改變了原來(lái)的微地形環(huán)境，使得通過(guò)該區(qū)的輸電線路風(fēng)偏角受到影響。

風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的影響。在氣象系統(tǒng)中，每個(gè)國(guó)家都有一套計(jì)算風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)，它屬于該領(lǐng)域中權(quán)威基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在選擇輸電線路最大設(shè)計(jì)風(fēng)速的方法上，首先根據(jù)氣象站采集到的歷年最大風(fēng)速數(shù)據(jù)，然后根據(jù)規(guī)定的概率分布計(jì)算后得到一定重現(xiàn)期、觀測(cè)時(shí)距和基準(zhǔn)高度下的最大風(fēng)速數(shù)值，最后根據(jù)線路實(shí)際電壓等級(jí)和地理位置確定最大設(shè)計(jì)風(fēng)速。根據(jù)這種計(jì)算方法，能得到工程所需的合理數(shù)據(jù)，但無(wú)可避免地漏掉了瞬時(shí)最大風(fēng)速，這就是大多數(shù)臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致跳閘的原因。

劇烈氣候變化條件的影響。輸電線路全年暴露在大氣中，長(zhǎng)期受到溫度變化、臺(tái)風(fēng)、結(jié)冰及洪水的影響，嚴(yán)重影響電力輸送安全，而臺(tái)風(fēng)是重要的災(zāi)害之一。熱帶氣旋分為六個(gè)等級(jí)，即熱帶低壓、熱帶風(fēng)暴、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)是低緯度海洋上發(fā)生的低壓或干擾的總稱，風(fēng)速達(dá)到30～50km/s，該級(jí)別風(fēng)力會(huì)影響輸電線路安全運(yùn)行。

面對(duì)復(fù)雜多變的外部環(huán)境，利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法要想保持風(fēng)偏角在合理范圍內(nèi)，就必須增大桿塔塔頭尺寸，需要時(shí)間和資金成本都很大。

3 含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏方法

按照目前輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范，線路風(fēng)偏角的受以下因素影響較大：最大設(shè)計(jì)風(fēng)速、重現(xiàn)期規(guī)定、風(fēng)速高度換算系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、微地形條件以及風(fēng)荷載等，其中以最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為主要因素。

本文嘗試避開(kāi)一些易變的外部因素，從另一個(gè)角度限制風(fēng)偏角的影響，因?yàn)轱L(fēng)偏角歸根到底是一種物理擺動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)用機(jī)械限制的方法具有針對(duì)性強(qiáng)、簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)，例如加裝含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子。當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生風(fēng)偏時(shí)絕緣子提供反向的支撐力，限制風(fēng)偏的角度，保證導(dǎo)線與塔身的距離。而風(fēng)的作用是具有一定頻率變化的，所以這種場(chǎng)合的絕緣子應(yīng)該具備吸振功能。

調(diào)諧質(zhì)量阻尼器技術(shù)（簡(jiǎn)稱TMD）最早應(yīng)用在機(jī)械振動(dòng)領(lǐng)域，整體裝置稱為動(dòng)力吸振器，主要用于控制各種機(jī)械的振動(dòng)，隨后才逐漸引入到建筑結(jié)構(gòu)以及海洋工程方面，后來(lái)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，用來(lái)限制風(fēng)偏角的影響算是一種新的試驗(yàn)。如圖2所示，含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子由7部分組成，分別是底座、阻尼器、輔助絕緣子、線夾、絕緣桿1、絕緣桿2、及絕緣桿3。

圖2 含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子結(jié)構(gòu)圖

底座可直接安裝在桿塔本體上，線夾用來(lái)固定導(dǎo)線；調(diào)諧質(zhì)量阻尼器由彈簧及阻尼質(zhì)量模塊組成，裝置的減振基本原理是：在外部壓力激勵(lì)作用下，帶動(dòng)TMD 系統(tǒng)一起振動(dòng)，TMD 系統(tǒng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力將反作用到施壓物體上。質(zhì)量模塊可調(diào)諧這個(gè)慣性力，達(dá)到減小振動(dòng)的目的。加裝含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子后，風(fēng)偏擺動(dòng)距離（L）小于等于彈簧最大行程（H），所以只要控制了H，風(fēng)偏角就控制好了；輔助絕緣子可增加整體設(shè)備的表面絕緣長(zhǎng)度，保證絕緣安全；絕緣桿起到連接的作用，選用樹脂絕緣材料。

實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器絕緣子的方式，可方便地穩(wěn)定輸電線路風(fēng)偏角，有效消除了各種變化引起的不利因素，具有以下優(yōu)勢(shì)：在不改變桿塔塔頭尺寸的情況下，把含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子作為穩(wěn)定風(fēng)偏角的輔助手段，有效消除了各種變化引起的不利因素，節(jié)約時(shí)間和資金成本；加裝含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子后，風(fēng)偏角不再由風(fēng)力大小決定，而是由阻尼器的自由行程決定，完全避免風(fēng)偏跳閘事故；含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子是一種柔性結(jié)構(gòu)，可減少相關(guān)連接金具的磨損，取得更好運(yùn)行效益。

圖3 含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子安裝圖

4 頻率共振

利用含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子控制風(fēng)偏，須充分考慮導(dǎo)致這一現(xiàn)象出現(xiàn)的主體的特性，而風(fēng)這個(gè)主體是復(fù)雜多變的，結(jié)合含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器本身含有振動(dòng)頻率的實(shí)際情況，風(fēng)頻率與阻尼器頻率共振的特征是個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)相關(guān)研究數(shù)據(jù)，常見(jiàn)風(fēng)的頻率可在0.05～10赫茲的寬廣范圍出現(xiàn)，大風(fēng)的頻率多數(shù)在0.05赫茲附近，小風(fēng)的頻率多數(shù)在0.25赫茲附近，它表示了風(fēng)力連續(xù)出現(xiàn)的時(shí)間間隔，而微風(fēng)的頻率可達(dá)到10赫茲以上，但其對(duì)所作用的物體影響不大，在工程中可忽略，在一些特殊場(chǎng)合會(huì)被關(guān)注，如管型母線的微風(fēng)振動(dòng)是需要限制的。而調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的頻率可調(diào)節(jié)：f=N×(K/M)/2。其中N 為結(jié)構(gòu)系數(shù)，取值在0.15～0.2；K 為彈簧剛度系數(shù)；M 為質(zhì)量塊質(zhì)量，因此實(shí)際工程中調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的頻率通常為30赫茲。

當(dāng)大風(fēng)以0.05赫茲的頻率作用于導(dǎo)線時(shí)，由于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的存在，瞬時(shí)風(fēng)力會(huì)分解為漸變風(fēng)力，可大大減少調(diào)諧質(zhì)量阻尼器整體裝置的耐受剛度，從而節(jié)約材料，使產(chǎn)品具有更好效益。當(dāng)小風(fēng)以0.25赫茲的頻率作用于導(dǎo)線時(shí)，由于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的存在，作用與前面原理相同。但當(dāng)微風(fēng)以10赫茲的頻率作用于導(dǎo)線時(shí)，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的作用就大大減弱，如果頻率發(fā)生共振時(shí)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器裝置反而增加了風(fēng)力，由于風(fēng)力很小、屬于微風(fēng)級(jí)別，這種情況不會(huì)產(chǎn)生危害。

綜上所述，具體分析風(fēng)偏角產(chǎn)生的原因，就可理解風(fēng)偏角是具有頻率特征的，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器裝置也是具有頻率特征的，兩種頻率配合適當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生良好的效果，當(dāng)兩種頻率失配時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的效果，應(yīng)當(dāng)十分注意它們之間的配合。

5 結(jié)語(yǔ)

從風(fēng)偏角的計(jì)算公式可知影響因素很多，它們都是影響風(fēng)偏角的潛在因素，而且各自所占比重是不同的。在其它條件一致情況下，風(fēng)偏角大小受水平檔距影響較小，受風(fēng)壓不均勻系數(shù)影響較大；懸垂絕緣子串重量對(duì)風(fēng)偏角影響較少，而跳線串重量對(duì)其風(fēng)偏角影響較大，這些都是風(fēng)偏角設(shè)計(jì)需要注意的。

實(shí)際上，輸電線路的周圍環(huán)境是多變的、不可控的。局部環(huán)境的改變，最好能用局部改造的方法應(yīng)對(duì)。要實(shí)現(xiàn)塔頭結(jié)構(gòu)不變，使用機(jī)械控制的辦法是可行的，利用含調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的防風(fēng)偏絕緣子控制風(fēng)偏，方法直接、簡(jiǎn)單，百分百避免風(fēng)偏跳閘。