一、項目建設的背景及意義

架空輸電線路運行過程中會因自然條件的作用發(fā)生多種災害事故,威脅線路的安全穩(wěn)定運行,舞動是其中危害較為嚴重的一種。架空輸電線路的舞動是一種空氣動力不穩(wěn)定現象,是輸電線路導線不均勻覆冰后在風力作用下引起的一種低頻率(0.1～3Hz) 、大振幅(導線直徑的20～300 倍)的自激振動現象,在振動形態(tài)上表現為在一個檔距內只有一個或少數幾個半波。舞動產生多方面的危害,輕者發(fā)生閃絡、跳閘,重者發(fā)生金具及絕緣子損壞,導線斷股、斷線,桿塔螺栓松動、脫落,甚至倒塔,導致重大電網事故。

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，河南電網發(fā)生大范圍線路導線舞動，導致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，電網局部解裂，京廣電鐵短時停電，個別110kV 電壓等級線路出現倒塔現象;2000年12月1日及2001年1月11日，河南電網7條220kV線路導線舞動，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，河南電網發(fā)生大范圍線路導線舞動，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被迫與省網解列而孤網運行近2小時，直接損失負荷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，具有巨大的經濟和社會價值。

二、項目的理論和實踐依據

1、覆冰舞動形成及影響因素

導線舞動是一種復雜的流固耦合振動，其產生原因很多?？偟膩碚f，導線覆冰、風激勵和線路結構與參數是產生舞動的主要因素。

①導線覆冰

據觀測資料，舞動多發(fā)生在覆冰厚度為2~50mm的覆冰雪導線。而導線上要形成覆冰，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線覆冰;3)具有可使空氣中水滴運動的風速，一般需大于1m/s。

覆冰導線的截面形狀對舞動的形成和發(fā)展具有決定性影響。因為實際的氣象條件和環(huán)境因素十分復雜，覆冰形式多種多樣。一般，剛度小的導線，會形成近似圓形的覆冰形狀;而剛度大的導線會形成扇形、翼形、D形等不對稱覆冰形狀。經試驗證明，與對稱截面相比，不對稱截面的覆冰更易引起導線的氣動力失穩(wěn)，在風的激勵下容易造成導線的低頻大幅舞動。

②風激勵

除覆冰外，導線要形成舞動，還必須有穩(wěn)定的層流風作用于導線。而山谷風口或是四周無屏蔽物的開闊地帶(如江河湖泊、平地等)都是易出現穩(wěn)定層流風的地帶，故而這些地帶也是舞動多發(fā)區(qū)。研究表明，若導線覆冰不均勻，且出現風速為4~20m/s、主導風向與導線走向夾角超過45°的層流風時，導線易產生舞動，并且該夾角越接近90°，舞動出現的可能性也就越大。

③線路結構與參數

覆冰和風的激勵可視為引起導線舞動的外因，而線路本身的結構和參數是引起導線舞動的內因。不合理的線路結構與參數更易引發(fā)線路舞動。這些線路結構與參數包括：導線的類型(分裂導線或單導線)、線路檔距和導線的橫截面積等。

1)導線類型的影響

覆冰時，導線首先會在迎風面上結冰，扭轉剛度小的單導線會在偏心覆冰的作用下扭轉，使導線重新在迎風面上結冰，最終使覆冰接近于圓形;而分裂導線由于間隔棒的約束使得每根子導線的扭轉極其微小，因而導線覆冰易形成翼形斷面這類不對稱覆冰的，因此，分裂導線比單導線更易舞動。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)生過導線舞動，而由舞動引發(fā)的事故占事故總數的23.5%。

2)線路檔距的影響

關于檔距大小與舞動之間的關系，目前存在兩種觀點：一種認為，導線檔距越短，導線的相對扭轉剛度越大，迎風面覆冰時扭轉角越小，覆冰截面的不對稱性越大，在相同的風激勵下，更易舞動;而另一種認為，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生。這兩種觀點相互對立，迄今還無定論。

3)導線橫截面積的影響

由于大截面導線的相對扭轉剛度強于小截面導線，在偏心覆冰作用下其扭轉角較小，導線覆冰的不對稱性較大，因而大截面導線比小截面導線更易舞動。

由以上分析可以看出，隨著我國超高壓、特高壓電網的建設，多分裂、大截面導線被廣泛使用，加之輸電線路長，經過地區(qū)的地理環(huán)境、氣候條件多樣，因而覆冰導線舞動的可能性也大大增加。

2、防舞技術措施

導線的舞動是對輸電線路安全運行的重大威脅，通過現場經驗與理論研究相結合，由定性向定量逐步深化的辦法，國內外研究者已經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計時，通過對氣象條件和地形、地貌的調查研究，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，應盡可能避開導線易覆冰且風大而平穩(wěn)的氣象區(qū)域，比如雨凇、濕雪頻繁、冬季多風地區(qū)以及峽谷、寬闊江河、迎風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，應盡量使線路走向與冬季主導風向相平行。

②抗舞措施

抗舞措施是指通過提高線路的機械強度和電氣強度來確保線路設備在舞動下不被破壞并能繼續(xù)安全運行的一種措施。增強線路的電氣強度是指在導線舞動時，保證足夠的電氣間隙以防止各相導線間以及相線、地線間發(fā)生短路。增強線路設備的機械強度是指提高桿塔、金具、導線等設備的抗舞動性能，使其在導線舞動時不被破壞?？刹扇〉拇胧┯校禾岣邨U塔塔身、增強橫擔的剛度，安裝抗舞懸垂線夾，給導線安裝護線條等等。

③抑舞措施

抑舞措施是指在舞動嚴重的線路上，通過加裝各種防舞裝置，達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施或是實施后防舞效果不理想的情況下，才采用抑舞措施。但從實際應用資料可知，迄今還很少有適用于全球各種氣象、地形地貌和線路結構的防舞技術和方法。

3碳纖維導線防舞設計

碳纖維屬于新材料領域的高技術產品。碳纖維新材料技術與納米技術、生物技術一起，被稱為是推動21世紀人類技術革命的主導力量，是航天航空工業(yè)中制造火箭飛船等不可或缺的原材料，碳纖維的應用水平從一個側面代表著一個國家、一個行業(yè)的材料技術發(fā)展水平。這是因為碳纖維及其復合材料具有一系列的優(yōu)異性能，如高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱、熱膨脹系數小等，既具有碳素材料質輕的固有本性，又具有陶瓷材料的耐熱耐蝕性，金屬材料的高強度、導電和導熱性，以及高分子材料的易加工性能。碳纖維及其復合材料既可作為結構材料承擔載荷，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

覆冰造成導線表面光滑,風力只能作用在導線的表面上,不能進入導線的線股里層,使導線吸收風力能量的作用大為降低,導線的阻尼作用降低,如伴隨大風極易產生振動。碳纖維導線能在150℃溫度下長期運行，短時間可在200℃高溫下運行，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，碳纖維導線表面的覆冰也極易融化。

② 抗拉強度大低弧垂

碳纖維復合線芯的抗拉強度可達到2399MPa，遠高于一般鋼絲的1240MPa，甚至比高強度鋼絲(約為1410MPa)的抗拉強度還要大，而碳纖維導線的弧垂僅為鋼芯鋁絞線的1/2。由于碳纖維導線低弧垂、抗拉強度大的特性，能有效降低在風力的作用下導線上下舞動的幅度。碳纖維導線良好的機械強度能有效地抵抗電線舞動造成的危害, 使線路設備能在舞動下不被損壞并保持安全運行。

③ 成本低

由于碳纖維復合芯倍容導線加倍容量運行，而且抗拉強度高、馳度小等特點，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線低。而普通導線為了防舞動，需要增加防舞動裝置，造價過高，不當的防舞方案對線路運行還會帶來負面影響。

④ 消耗低、高環(huán)保

碳纖維復合芯倍容導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。