220kV晨腾线微风振动故障分析及治理方案探讨

【摘要】通过对220kV晨腾线断线、主变跳闸故障总结分析，得出微风振动是造成线路断线、设备跳闸的主要原因。本文从微风振动的产生原因和力学特性分析，探讨解决输电线路微风振动隐患的改治理方案，从提高耐振性能、减弱或吸收振动以及在线监测预警3个维度出发，制定出了4项治理方案。通过上述治理，有效解决了新能源场站输电线路微风振动隐患，提升了输电线路运行可靠性，确保了电力系统安全稳定运行。【关键词】输电线微风振动振动疲劳在线监测前言在输电线路中，导线是保证电力系统安全运行的重要组成部分，由于架空输电线长期处于野外，经常受到风、雨、冰雪等自然条件和其他外界条件的影响，容易发生各种事故，其中，由风振引起的事故最多。在风的作用下，导线时刻处于振动状态，根据频率和振幅的不同，导线的振动大致可分为三种：高频微幅的微风振动、中频中幅的次档距振动和低频大幅度舞动。输电线路微风振动是当约0.5m/s-10m/s的稳定风速吹向导线时，在导线的背风侧产生上下交替的卡门漩涡，引起上下交变的力作用于导线上，当漩涡出现频率与导线的固有频率相同时，导线会在谐振下产生持续振动。微风振动的频率为3Hz-150Hz之间，最大双振幅一般不大于导线直径的1-2倍，振动时间一般达数小时，有时可达数日不止。微风振动引起导线在应力较大位置的疲劳断股以及金具、间隔棒、杆塔构件的损坏，导致输电线路疲劳损伤，加之导线微风振动发生频率高和持续时间长，使得微风振动成为造成输电线路损坏的主要原因。1.故障背景2022年02月26日06时40分，某风电场220kV晨腾线251断路器跳闸，现场查看251晨腾线纵联电流差动保护屏，信息如下：9ms差动远方召唤启动、13ms保护启动、16ms分相差动保护出口（C相）、89ms单跳启动重合闸、690ms重合闸出口、813ms阻抗三段加速出口（跳三相）、813ms闭锁重合闸，（四方CSC-103D\南瑞RCS-931）两套保护装置报文与升压站后台告警信息相符，依据报文信息判断为C相永久故障。运维人员对220kV晨腾线线路进行巡视，经排查发现220kV送出晨腾线18号铁塔C相导线断线，送出线路断线故障最终导致场站主变跳闸、全场失电。晨腾线线路全长10.7km，沿线共计34基杆塔，分为4个耐张段，发生断线的18号杆塔处于直线距离最长耐张段，为该区段地势开阔平坦，微风振动现象显著，故障点位于18-19号塔区间，18号塔防振锤安装位置，停电检查确认防振锤安装位置导线磨损、折断，导致断线。晨腾线投运至今已超过10年，结合现场运行条件、故障特点，对照相关微风振动类线路跳闸案例，判定此次故障为微风振动引起的导线磨损、断股、断线故障。为避免同类事件重发、频发，从长期停机管控、设备预警管理的思路出发，开展输电线路微风振动原因分析及改造治理工作。2.原因分析架空输电线路的导线（地线）受到稳定的微风作用时，便在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流漩涡，从而使导线受到一个上下交变的脉冲力作用。当气流漩涡的交替变化频率与导线的固有自振频率相等时，导线在垂直平面内产生共振即引起导线振动。漩涡脱落的主导频率,式中U——自由流速度，D——导线直径，S——斯特劳尔数，漩涡脱落引起的结构振动，一般称为涡致振动，其振动频率等于漩涡脱落的主导频率。对晨腾线2021年全年风速风向进行统计，得出风速主要分布在4m/s-12m/s，风向主要分布在西北西方向，频率达45.48%，占全年风向一半，详细统计见表1。依据上述统计数据计算得出漩涡主导频率位于3.5-150HZ之间，与现场架空线路JL/G1A240/30型导线固有区间频率吻合，确认晨腾线沿线存在明显的微风振动故障。表1：晨腾线2021年全年风速、风向数据统计3.影响因素分析及治理方案3.1

微风振动影响因素分析依据输电线路的运行环境，从风速和风向、档距长度和悬挂高度以及导线结构与材料等3个方面开展微风振动影响因素分析，具体分析如下：风速和风向的影响：数据分析显示稳定而均匀的风速吹向导线才容易引起振动，风速与导线的共振频率的振动的风速一般在0.5-10m/s之间，因此0.5-10m/s间的风速易引起微风振动。经过风洞试验测定，当风向与输电线的夹角在45°-90°之间时容易产生稳定振动；当夹角在30°-45°之间时振动的稳定性很小，时有时无不持续，不易产生稳定振动；当夹角小于20°时，由于风输入的能量不足，一般不发生振动。因此风速在0.5-10m/s之间、风向与输电线的夹角在45°-90°之间微风振动情况显著。数据统计显示晨腾线2021年全年风速风向分布在4m/s-12m/s，风向主要分布在西北西方向（风向与输电线的夹角在45°-90°之间），频率达45.48%，与上述故障分析理论吻合。档距长度和悬挂高度的影响：输电线的档距越大则接收到风的能量也越大，易于产生微风振动。尤其线路跨越区段，不仅档距大，而且线路悬挂高度高，导线离地距离高，离地距离越高，气流的均匀性受地面粗糙度的影响越小，进而越容易产生稳定而均匀的风速吹向，导致微风振动的概率增大，振动的频率与振幅加大。220kV电压等级输电线路铁塔离地高度一般在20m以上，目前为公司新能源场站送出线路的最高电压等级，本次晨腾线也为220kV输电线路，故障因素分析符合现场实际情况。导线结构与材料的影响：a.导线表面状况的影响：导线表面形状对卡门漩涡的形成有直接影响，导线表面越光滑，越容易发生微风振动。b.导线直径、截面形状和材料的影响：通常认为风输入架空线的能量与其直径的4次方成正比，相同振幅下，直径小的输入功率大。导线的线股数和层数多，其自阻尼功率大，能消耗更多的能量，降低振动强度。因此，保证导线运行载流量要求的前提下，选择导线表面粗糙及导线股数及层数偏多的导线来增大导线的自阻尼能力，减弱微风振动影响。3.2治理方案依据微风振动的影响因素以及微风振动隐患的隐蔽性特点，下面将从提高耐振性能、减弱或吸收振动以及在线监测提前预防3个层面制定出如下治理方案：3.2.1提高耐振性能巡查数据显示导线磨损发生率最高的位置分布导线与铁塔用金具连接处，越靠近铁塔端部导线磨损越显著，鉴于该情况，采取铁塔端部导线与金具连接部位给导线加装护线条或打背线的方案，以增加线夹出口附近导线的刚性，减少弯曲应力和磨损，同时增加对导线振动的阻尼作用。按照导线型号选用护线条，加装于线路导线的线夹处，从而使线夹附近的刚度增强，抑制导线因振动而产生弯曲及挤压应力和磨损，提高导线的耐振能力。打背线是用一段与导线材料相同的线材同导线一起安装于线夹中，并在其两端与导线扎固在一起，打背线也不能在线夹出口处与背线端部之间进行扎固，否则将在护线条或背线端部形成新的波节点，引起该处导线断股断线。安装示意图如下图1所示：图1：护线条组装示意图（左）打背线（右）3.2.2减弱或吸收振动依据能量平衡方程，其中Pw表示风能功率，Pc表示自阻尼功率，Pd表示防振锤、阻尼线等防振装置消耗的功率。由于风能功率Pw无法改变，下面将从防振锤+阻尼线联合减振消耗风能功率以及增加导线自阻尼功率两个维度来减弱或吸收导线振动，抑制导线微风振动。（1）防振锤+阻尼线联合减振在原有防振锤单一减振的基础上增加阻尼线减振。增加阻尼线可在一定程度减少防振锤的设计配重，可减少防振锤与导线安装处应力，降低微风振动在金具安装处的应力损伤。阻尼线相当于多个联合（轻质）防振锤，使一部分振动能量被架空导线本身和阻尼线股之间的摩擦所消耗，另一方面，振动可在阻尼线花边的连结点处，使振动传来的能量产生分流，振动波在折射（并有少量反射）过程中能量被消耗，并有部分通过花边传到了线夹另一侧，从而使传递至线夹出口处的振动能量很小，减弱微风、吸收振动能量，从而提升防振效果。（2）调整导线弧垂+采用股数和层数多的导线增加导线自阻尼功率吸振平衡方程显示，风能功率Pw一定的情况下，增加自阻尼功率Pc，也可有效降低导线微风振动。增加导线自阻尼功率可从以下2方面着手：1）调整铁塔间导线的弧垂，降低导线在铁塔间的张力，导线张力变小，钢芯铝绞线间各股导线间的摩擦效应将显著增大，从而在一定程度上增大了导线的自阻尼功率；2）在保证导线截面、机械强度与原导线保持一致的情况，从导线材料及结构的层面考虑，更换为表面粗糙度高且线股数线股数和层数多的导线，增大导线与空气以及线股间的阻尼功率，增大自阻尼效应，进而降低微风振动风能功率。3.2.3在线监测预警管理输电线路对微风振动的破坏是长期累计的，具有较强的隐蔽性，通过直接观察不易发现，为提升对输电线路的状态把控，提出在输电线路大档距、微风振动频发区加装微风振动在线监测装置，实时掌握线路的振动状态