摘 要

内陆大风会对电力系统输电线路产生较为严重的影响，容易造成相间闪络、倒塔断线等故障。导线在一定条件下，会形成导线覆冰，导线覆冰会增加导线负重，加重杆塔和线路的负荷。导线的不规则覆冰，在风力荷载的影响下，使导线发生具有不稳定特征的运动现象，即各种类型的振动，其中，导线舞动是影响最大的因素之一。在恶劣冰风条件下，导线动态张力较大时，对输电线路杆塔连接处的金具等造成较大影响，导致线路中器件磨损和老化，对电力系统安全稳定运行造成极大威胁。因此，研究恶劣冰风条件下输电线路风险评估日益成为目前诸多工作的研究重点。

本文分析了导线覆冰产生的条件，以及覆冰的危害。从舞动的机理出发，总结舞动现象的原因和影响。并且综合研究了在不同工况下，冰、风荷载对输电线路舞动的影响。通过运用和建立数学模型，分析了不同工况下输电线路动力特性，其中包括导线舞动振幅、舞动轨迹和振幅等因素对导线动态张力的影响。通过MATLAB 的算法编程，将数学模型进行仿真，得到了导线在不同工况下的各种特性。通过分析仿真图像，初步分析了导线振幅、档距、高差等因素对导线动态张力的影响。仿真结果表明：振幅增大时，导线的动态张力变化增强，即导线的最大动态张力变大，最小动态张力变小，使得动态张力差变大，其差值在一阶舞动的情况下十分大；档距增大时，导线动态张力变大，但是其变化幅度较小；高差变大时，导线的动态张力变大。最后，通过分析上述结果，结合现有的研究结论，提出了针对不同类型舞动机理和舞动影响的防舞措施。

关键词：输电线路；导线舞动；导线覆冰；动态张力；防舞措施

ABSTRACT

Inland winds will have a more serious impact on the power transmission lines of the power system, and it is easy to cause faults such as phase-to-phase flashover and reverse tower disconnection. Under certain conditions, the wire will form a wire covered with ice. The wire will increase the weight of the wire and increase the load on the tower and the line. Irregular ice coating of the wire, under the influence of wind load, causes the wire to have a moving phenomenon with unstable characteristics, that is, various types of vibration, wherein wire dancing is one of the most influential factors. Under severe ice wind conditions, when the dynamic tension of the wire is large, the fittings at the connection of the transmission line tower and the like are greatly affected, resulting in wear and aging of the components in the line, which poses a great threat to the safe and stable operation of the power system. Therefore, research on the risk assessment of transmission lines under severe ice wind conditions has increasingly become the focus of many current work.

This paper analyzes the conditions under which wire is coated with ice and the hazards of ice coating. Starting from the mechanism of dancing, summarize the causes and effects of the galloping phenomenon. And comprehensively studied the effects of ice and wind loads on the transmission line dancing under different working conditions. Through the application and establishment of mathematical models, the dynamic characteristics of transmission lines under different working conditions are analyzed, including the effects of wire galloping amplitude, galloping trajectory and amplitude on the dynamic tension of the wire. Through the algorithm programming of MATLAB, the mathematical model is simulated, and the various characteristics of the wire under different working conditions are obtained. By analyzing the simulated images, the effects of wire amplitude, gear distance and height difference on the dynamic tension of the wire are analyzed. The simulation results show that when the amplitude increases, the dynamic tension of the wire changes, that is, the maximum dynamic tension of the wire becomes larger, and the minimum dynamic tension becomes smaller, which makes the dynamic tension difference larger, and the difference is very large in the case of first-order dancing. When the gauge distance is increased, the dynamic tension of the wire becomes larger, but the variation range is smaller; when the height difference becomes larger, the dynamic tension of the wire becomes larger. Finally, by analyzing the above results, combined with the existing research conclusions, the anti-dance measures for different types of dance mechanism and dance influence are proposed.

Key words: transmission line; conductor galloping; conductor icing; dynamic tension; Anti-dancing measures

目录

摘要 II

ABSTRACT III

第1章 绪 论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2 国外研究现状 3

1.3 本文研究的主要内容 4

第2章 恶劣冰风条件下输电线路的力学行为分析 6

2.1 输电线路覆冰 6

2.1.1 输电线路覆冰种类 6

2.1.2 输电线路覆冰的影响因素 7

2.2 风激励下的输电线路舞动 8

2.2.1 输电线路舞动机理 8

2.2.2 覆冰导线舞动形成及影响因素 12

2.3 本章小结 14

第3章 导线动力特性分析 15

3.1 导线气动力因数及导线气动力 15

3.1.1 导线气动力因数 15

3.1.2 风攻角和气动力计算 16

3.2 风激励对导线舞动幅值的影响 17

3.2.1 导线固有圆频率 17

3.2.2 风激励下导线舞动幅值的计算 18

3.3 导线舞动轨迹 19

3.4 覆冰导线舞动中动态张力变化 21

3.4.1 覆冰导线舞动对水平张力的影响 21

3.4.2 覆冰导线舞动对悬挂点竖直方向张力变化的影响 22

3.4.3 实例计算 24

3.5 本章小结 30

第4章 导线防舞措施研究 31

4.1 防舞技术分类 31

4.2 防舞技术总结 32

4.2.1 防冰除冰措施 32

4.2.2 防风措施 33

4.3 输电线路防舞设计 34

4.4 本章小结 35

第5章 结论与展望 36

5.1 结论 36

5.2 展望 36

致谢 37

参考文献 38

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

随着经济的发展，国民经济生活的各个部门，越来越离不开电力。电力能源的需求量越来越来，人民和国家越来越追求安全可靠充足的电力供应。随着大量的电能被消耗，输电线路的架设运行的要求也愈加严格。首先，要保证电力系统运行的安全性和供电的可靠性，由于这个原因，我们对保证输电线路安全运行的指标有了更高的要求^[1]。电力系统对于导线舞动、覆冰危害等影响因素的重视度越来越高。随着电力需求量增大，我国开始建设更多的大容量电力设备，和更多的高电压、大跨越的输电线路。而架空输电线路是电力传输的至关重要的渠道，其安全工作，不仅影响数以万计的家庭的正常生活，而且对国民生计和国家安全有重大影响。

整个国家经度纬度的跨度极大，南至热带海岛气候，北至寒带气候，不同的纬度气候条件差异极大，对输电线路的危害也不尽相同。随着城市经济的发展，高耗能的城市和产能的地方往往相距甚远。如此远距离传输电能，对输电线路的性能是极大的挑战。也是由于此，我国大跨越、特高压、大高差电路的架设越来越多，也是对其工程性能等指标提出了更高的要求^[2]。

内陆大风会对电力系统输电线路造成极大的影响和损害。大风可能引起的线路事故和故障非常多，其中包括相间闪络故障、一次电气设备的损害、导线舞动以及金具和绝缘设备的损耗。除了大风会对线路造成重大影响，导线覆冰同样会产生严重影响。导线覆冰会对输电线路的杆塔体系、绝缘子和金具能造成较大负担，进而对电力系统造成极大的危害，从而影响输电系统的安全运行。

容易造成杆塔体系的倒塌、线路绷断等情况。对于覆冰导线，如果风速条件合适的话（4m/s—17m/s），极易产生舞动现象，而导线剧烈的舞动现象对整个电力系统而言，都是一场极大的灾难。目前，很多学者的研究重点都放在对导线舞动机理、运行条件的研究，还包括导线舞动的幅值、轨迹以及舞动过程中，导线动态张力的变化。并根据研究成果，研发出各种各样功能不同的防舞装置。

本文的一部分内容用于讨论覆冰导线的舞动机理，另外很大一部分内容则是研究导线在不同工况下的动力特性。之前也提到过，大跨越导线的建设增多，则档距高差因素对导线的影响是引起更大的重视。通过对导线覆冰和舞动机理的讨论，我们更加清楚认识到问题和危害产生的根源。在总结问题之后，运用已有的和改进过的计算模型，重点分析输电线路的动态特性。对于输电线路而言，讨论其动态特性时应该考虑的方向而微风振动，其中导线舞动是包含在微风振动现象之内的。但是，导线舞动的危害是最严重，也是最难解决的^[3]。故本片文章重点讨论导线舞动问题的机理和防治等措施。运用计算模型，计算并得到导线舞动时的幅值变化，从幅值变化中，初步讨论影响导线舞动危害的因素；之后，通过MATLAB仿真，得到导线舞动的近似轨迹模型，轨迹模型可以近似的反应导线运动的情况，为我们了解其运动过程，并安装防护装置提供参考。

导线舞动对输电线路产生了巨大危害，研究导线舞动是解决输电线路风险问题的一个重大方向。导线的实时张力，与输电线路的安全息息相关。该项工作对于我们国家电力系统的建设十分关键。我们国家的电力系统体系庞大，而且我国电力系统研究处于昂扬向上的状态的，这种矛盾的情况，在一定程度上，制约着我们国家经济发展和社会进步^[2]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

相比于欧美国家，我们国家在输电线路风险评估方面的研究开展的有些晚。在导线舞动研究领域，我国最早的文献出现在上世纪五十年代。直到今日，历经几十年的研究，我国的学者也获得不小成就。

在导线气动力特性以及气动力因数的测定方面，我国诸多学者通过先进的软件和精确的实验操作，以及取得了很大的进步。刘小会等人建立了包括绝缘子串因素在内的连续档覆冰线路的模型，该模型运用了ABAQUS软件，使用用户自定义程序UEL完成了关于空气动力载荷单元的定义，最终实现了单档舞动对整个连续档舞动影响的模拟^[4]；王琼等人综合运用了风洞实验来测定相关参数，对于导线气动力参数而言，主要分析参数有三个，升力系数C_l，阻力系数C_d，扭矩系数C_m，一般都是通过风洞实验直接测定这个系数。在该文献中，研究人员通过风洞实验获得D形和新月形两种覆冰形状的空气动力参数，并通过数据分析了覆冰形状和厚度、风速、导线分裂数等因素对导线动力特性的影响^[5]；楼文娟与王琼等人在探究过程上有相似之处，通过实验测定了新月形和D形覆冰导线气动力的数值，利用该数值分析并得到了导线气动力参数随风攻角变化的规律，最后得出结论，导线的气动力受覆冰形状和风攻角影响极大。D形覆冰导线的气动力参数中的阻力系数随风攻角的不断增大呈现出先减小后增大的趋势，而新月形覆冰导线的变化趋势正好相反^[6]。对于同一覆冰形状的导线，研究其气动力参数时，可以粗略地认为其参数值只与风功角有关^[7]。然而，在多种变化混合的情况下，上述实验所测的数据都有所偏差。

在导线动力特性以及对输电线路舞动建模方面，我国的学者们，提出了很多新颖的观点。李帅等人提供了一种数据处理技术，该技术以多数据源为参考。最终得到了导线舞动预测模型。该模型大大提高了输电线路舞动预测准确率，但由于实际情况往往比较复杂，该模型不能适应大多数情况^[8]。Brostrom E等人给出了基于覆冰和振风的概率评估模型，该模型以上述两个量为坐标。最后，以瑞典的实例验证了模型的合理性^[9]。文献[10]和文献[11]重点讲述了利用ANSYS软件对输电线路进行覆冰情况下的力学特性分析。其中，耿力等人通过拟合和实验数据，得到了所需的导线气动力参数，利用该参数，提出了一种将ANSYS和MATLAB结合起来的解耦计算方法，该方法考虑了冰风两个参量，并且对冰风荷载下的塔线体系的流体固耦合振动进行了分析。结果表明，流固耦合参数对导线振动的最大位置有极大的影响^[10]。吕晓东等人利用ANSYS有限元计算软件对铁塔部分的静态受力和动态特性进行了分析，分析了覆冰荷载、风荷载以及其他荷载对塔线体系动力特性的影响^[11]。

李文沅等人提出了架空线路天气中断的模糊模型，其综合考虑了两种模糊特征：线路中断的模糊性和天气环境中覆冰和穿越不同天气条件的线路暴露范围的模糊性。这个与天气有关的电力线路模糊停运模型给出了一种电力系统可靠性评估方法，该模型和方法弥补传统的天气条件影响模型忽略规则天气状况的缺点，具有更高的实用价值^[12]。

在导线覆冰问题上，国内很多学者承前继后，获得不小的成绩。陈百炼等人基于国际上共同承认的覆冰增长计算模型，结合具体的覆冰物理变化过程而提出了一套新的更具有合理性的计算方法。利用对雨雾淞模型计算和增长模型的研究，得到了雨雾淞变化的机理和过程^[13]。雨凇雾凇的增长模型有很大的不同，对于雾凇来说，雾凇的质量增长和覆冰厚度增长会随着时间增加而变慢，并且总体呈现出一个对数曲线的特性；对于雨凇而言，其增长模式要直接的多，其覆冰质量和厚度都随着时间增加而不断增加，在某些情况下呈现出线性增长趋势。

在实际的外界情况下，覆冰的形成往往不是按照单一类型的增长模式，往往是多种模型的混合作用。这就使得对于覆冰模型的研究十分困难，需要考虑的因素和变量非常多。研究者往往不能只建立简单的模型，而是要综合考虑多种因素的作用情况^[14]-[16]。

1.2.2 国外研究现状

国外的学者研究的成果也是很客观。国外对导线覆冰舞动等问题研究的比较早，早在上世纪三十年代左右，国外很多学者就已经总结出了与导线舞动密切相关的机理，这些机理一直被各国学者应用至今。导线舞动时，架空输电线路沿水平、垂直方向发生运动，并且具有扭动现象。

Brostrom, E提出了一种用于电力系统可靠性计算的恶劣天气建模技术。该模式以地理上移动的风和降水为基础，场景表示具有给定参数的天气情况。除了天气模型之外，对于每个具体场景，还需要为组件建立一个随机脆弱性模型。该模型的运用能够有效地减轻未来冰暴的严重后果，还可以根据技术系统假设和可能风暴的严重程度^[9]。Victor F. Petrenko讲述了冰雪风暴产生覆冰的原理和覆冰对电力传输的破坏，其创新性的提出了由线路加热来防止或去除导线覆冰方面的问题。研究人员介绍了一种电力导体，它可以将电阻从一个很低的值切换到一个更高的值，以进行除冰。该方法的优点之一是由于使用低压开关，所以其成本较低^[17]。Fikke提出了一种考虑基于不同地区的气象条件而建立的架空线路的运行和运行特性模型，该模型考虑了阵风和覆冰引起的设计荷载评估，增强了应对极端天气的预测能力^[18]，但是，目前还没有对输电线路结冰程度的标准化描述方法，可用于记录多年来结冰区域结冰的严重程度，指导输电线路的设计。

多年来严寒地区的结冰程度是输电线路防冰设计中考虑的重要因素。Caijin Fan分析了不同直径导体水滴的碰撞效率，研究了四种自然冰型下不同直径输电线路的冰吸积规律。因此，创造性地用标准冰厚的归一化方法代替各种冰形态来表征输电线路的结冰程度，并在6个自然冰观测站进行了大量的现场试验，验证了该方法的有效性。结果表明：导体直径和液滴直径对碰撞效率有显著影响；四种典型冰型的标准冰厚与导体直径的关系符合幂函数定律。研究结果可为冰区输电线路的设计和外绝缘选择提供重要参考^[19]。但是，文献[19]并没有给出精确的计算模型，其所得结果在很大程度上只有参考价值。

1.3 本文研究的主要内容

本文的研究目标为基于对导线动力特性的分析，总结在不同工况下覆冰和风荷载对导线动力特性的影响。分析导线舞动机理，并对导线舞动过程中的舞动幅值、舞动轨迹和导线动态张力的变化做出了仿真分析，并对不同的影响因素进行了比较和记录。

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