220kV线路舞动故障分析及实用防舞措施探讨

220kV线路舞动故障分析及实用防舞措施探讨

林浩鸣

广西鸿泰勘察设计有限公司 广西玉林 537000

摘要：经济的发展，社会的进步，综合国力的提升推动了电力行业的高速运转，当前，随着特高压电网的发展，输电线路运行管理越来越复杂，导线舞动事故的发生也日益频繁。舞动是覆冰的输电线路在风激励的作用下，产生的一种低频率、大振幅的自激振动。统计数据表明，在风速5～10ｍ／ｓ，温度－５～１℃，导线覆冰厚度3～20ｍｍ，湿度85％以上的气象条件下，产生舞动的概率最大。

关键词：220kV；线路；舞动故障；实用防舞措施

引言

舞动常引起导线断股、断线、金具严重磨损、脱落、杆塔倾倒、线路跳闸等严重事故，容易造成电网大面积停电，给电网运行造成重大经济损失。为了及时掌握架空输电线路导线的运动变化情况，须在易发生舞动区域相关线路上部署导线舞动检测仪，实时采集导线舞动数据。特高压输电线路的相邻铁塔之间档距较长，但舞动检测仪却需要均匀安装在档距之间，为便于施工人员安装，保证检测仪的检测准确度，舞动检测仪的电池容量受到极大限制，因此具有无线传输、超低功耗特点的物联网技术被广泛应用于电力设备的监测中。目前，舞动监测方法主要包括：基于位移传感器、加速度传感器的导线舞动监测装置；传统的基于差分GPS的输电线路舞动监测方法，通过无线GSM传输模块的导线舞动信息数据的监测系统；基于视频分析技术的导线舞动在线监测系统，或者采用分布式光纤传感器测得线路动态；黄新波对舞动检测监测系统的硬件设计和舞动定位算法进行了详细分析，提出一种惯性传感器的输电导线舞动监测系统。现存舞动检测仪存在诸多不足之处，比如能源供给不稳定、系统功耗高，往往3年左右需要更换电池，安装施工成本高；检测仪本身重量大，对导线连接处有磨损；采集精度不够，只采集X、Y轴方向的数据；数据没有加密，存在安全风险等。

1舞动的必要条件

舞动的必要条件主要涉及到以下方面具体内容：首先是风速风向的影响形成舞动。除导线覆冰因素外，风速风向亦为必要条件。舞动的风速范围一般为４～２０ｍ／ｓ，当主导风向与导线走向夹角大于４５°时，导线易产生舞动，夹角越接近９０°，舞动的可能性越大。事实上，如果风向与物体的轴线之间有一个夹角，真正起激振作用的是风力的垂直分量。当主导风向与导线走向夹角为０°，即风向平行于导线轴线时，引起舞动的可能性最小。统计表明，舞动时多伴有６０～８０°的风攻角。另外，风速的大小将会影响覆冰的形状，进而影响空气动力状态。其次是舞动的形成。在导线存在不规则形状覆冰的情况下，翼状结构的覆冰导线在风的垂直分量的作用下受到上拉力，风攻角越大，上升力就越大，就极易破坏导线的平衡系统，使覆冰导线失稳并摆动。

2220kV线路舞动故障分析及实用防舞措施

2.1一起220kV输电线路双摆防舞器磨断导线故障分析

首先是导线历史运行情况某220kV线路2000年投运，2010年线路改造，16-17#档距为新架设区段，运行年限为9年，设计风速为24m/s，属一级舞动区，全部装设双摆防舞器。自线路投运以来，先后发现多起防舞器脱开、导线断股缺陷，且近年来缺陷明显增多。其中2018年发现3处、2019年7处，2019年4月19日线路巡视中发现6处防舞器缺陷。故障前16-17#档内防舞器处已有明显导线断股现象，位于防舞器外侧，巡视中发现有哒哒声，分析其原因为在风力作用下，导线存在疲劳断裂现象，并计划带电作业消除。其次是缺陷排查情况。为进一步分析双摆防舞器的应用现状，对所有110kV-220kV线路进行排查，发现2条110kV、21条220kV输电线路安装双摆防舞器，共1713套。其中存在双摆防舞器脱落、跑位、磨损导线等缺陷66处。最后是缺陷原因分析。综合上述摸排分析结果，可以得出双摆防舞器磨损导线原因为：风振影响下双摆防舞器出现松动，销钉磨损夹具，磨穿后造成双摆防舞器与导线脱开。摆锤和摆臂失去平衡，与导线发生接触，在风力作用下，摆臂与导线反复摩擦，最终导致线股疲劳断股。上子导线防舞器夹具脱开后，导线上弹与防舞器脱离无接触，但下子导线脱开后，受子导线上弹影响，摆臂与导线接触摩擦，由于摆臂宽度只有5cm左右，前端又加有3kg重锤，对导线形成切割力，致使导线在很短时间内产生断股。

2.2MEMS加速度传感器

考虑到输电线路野外环境十分恶劣复杂，为实现舞动参数的精确测量，采用ADXL357模块。其具有体积小、集成度高、功耗低的优点，最小电流仅需200μA，是要求超低功耗的舞动检测仪的理想选择。导线舞动属于低频率、大振幅，其舞动幅度为0~10m，频率为0.1~5Hz，因此将采样频率设置为1000Hz，能够精确采集舞动特征量。为提高舞动检测仪的检测精度，采用普通气泡水平仪、六面体盒状物，对舞动检测仪进行初始标定。ADXL357模块通过SPI1接口与STM32L5通信，舞动检测仪的采集周期为10min，每隔10minADXL357模块会收到主芯片发送的舞动数据采集指令，便开启数据采集流程，按照时序要求依次读出X、Y、Z轴加速度值和角加速度值对应寄存器地址的数据。首先利用低通滤波器去除不符合条件的噪声，对采集到的加速度值采用5次均值法的数字滤波技术进行处理；其次对采集到的角加速度值进行数据预处理，将载体坐标系下的加速度值，经过四元素算法转换成地理坐标系下的加速度值，然后利用均值滤波和最小二乘法，经过第一次积分，将加速度值转换为速度值；得到速度值后，再次利用最小二乘法，经过第二次积分，将速度值转换为位移值；最后由STM32L5对采集到的舞动数据经过快速傅里叶变换（FFT）得到舞动特征量，舞动特征量经过频率响应校正后，发送给加密模块，数据经过加密后再通过LoRa芯片发送到数据接收基站。

2.3架空输电线舞动方程建模及主共振分析

现阶段，学术界针对输电线舞动方程的推导方法一般分为两大类：一类将输电线简化为连续体模型，基于牛顿定律直接推导，其原理为结合输电线静态平衡条件与动态平衡条件建立输电线的舞动方程。另一类的本质为基于能量守恒定律间接推导，具体又分为最小势能原理，拉格朗日定律以及哈密顿变分准则。第一类方法原理简单，但计算繁杂，且局限于连续系统，对于离散系统并不适用；第二类方法可以避免复杂的计算，且适用于离散系统。本文的推导方法选择第二类方法中的哈密顿变分准则，具体推导过程见下文。首先建立单档输电线的数学模型。假设输电线两端为铰支座，导线在自重作用下的几何形状称之为静态平衡构型，其单位长度用ds表示；导线在自重和其他外部激励力共同作用下的几何形状称之为动态平衡构型，其单位长度用dsm表示。

结语

总之，搭建舞动测试平台，对舞动检测仪的可行性和数据准确性进行了测试，测量数据精度达到国家电网有限公司企业标准所规定的架空输电线路在线监测要求。采用加密芯片，保障了舞动检测仪采集数据的安全性。该舞动检测仪经过浙江舟山现场实际运行测试，证明其采集数据精度高，舞动现象检测数据准确、提高了输电线路运行管理的效率和智能化水平。

参考文献

[1]220kV线路自身阻尼及防震锤可起到良好的防舞动效果，不建议使用双摆防舞器。

[2]易舞动线路区段，加装舞动在线监测装置，观测线路舞动情况，以便于指定下一步运维保障措施。