【摘 要】导线低频、大振幅的舞动导致了鞭击、烧伤、断股、断线、金具严重磨损、断裂、脱落、绝缘子钢脚断裂、杆塔倾倒、线路跳闸等事故的产生，因而易造成大面积停电等严重事故，给社会带来重大的经济损失。本文首先概述了我国输电线路舞动的基本状况与主要防治措施；接下来分析了舞动相关机理，并对常用防舞装置做了说明；最后提出了一种新型的防舞装置模型，论述了新型装置的研究方法，并做了展望。为装置进一步的实践工作打下了一定基础。
【关键词】输电线路；舞动；阻尼弹簧间隔棒
0 引言
1957年至2014年初，我国共发生了近180多次次输电线路覆冰舞动，波及到35-1000千伏各电压等级线路，共计1127条线路发生舞动1345条次，其中707条线路发生舞动跳闸，此外还有大量的导地线损伤及断股断线、绝缘子掉串、金具损坏、杆塔螺栓松动脱落、塔材破坏、基础开裂破坏、倒塔等机械故障，造成了严重的经济损失和社会影响，深入研究舞动机理寻找舞动的防治方法是迫不及待的。
1 研究现状
1.1 我国输电线路舞动概述
我国是舞动发生最频繁的国家之一（如图1、图2所示），舞动涉及到各个电压等级的输电线路（如图3），事故发生的频率和强度都明显增加；舞动区域范围广，存在一条北起黑龙江，南至湖南的漫长的舞动带，是因为每年的冬季及初春季节（每年的11、12月份，和次年的1、2、3月份），我国西北方南下的干冷气流和东南方北上的暖湿气流在我国东北部、中部（偏沿海地区）相汇，这些地区极易形成冻雨或雨凇地带使导线覆冰，并且由于风力较强，这条带状区域内的输电线路由于特殊的气象因素满足了起舞的基本要素后而诱发舞动。其他些省份也发生过舞动事故，但是相对较少。
1.2 国内防治措施
我国电力科研、生产技术工作者针对舞动问题开展了大量卓有成效的研究与防治工作，主要有“避、抗、防”等综合防治措施。
“避”主要是在线路规划阶段合理规划线路走向和路径，在可能的情况下尽可能避开易舞区和微气象、微地形区。“抗”就是在设计阶段对经过易舞区的线路采取提高线路的机械强度和电气强度的方法进行抗舞设计。一般情况下，舞动的破坏首先是闪络跳闸，其次是机械强度不够或疲劳造成的损坏。对于经过易舞区的线路，如果适当提高线路的机械或电气强度，使得即使发生中等强度的舞动，也不至于发生因线路电气强度不足而闪络跳闸，或发生因机械强度不足而损坏，则这样的舞动就不会对线路的运行造成严重影响。但是抗舞会增加线路造价，应进行技术、经济分析比较。“防”就是在线路设计或运行阶段对存在发生舞动可能性的线路区段加装防舞器，防患于未然。防舞技术中，相对于“避”和“抗”，“防”的造价是最低的，也容易实现。
2 导线舞动的机理
2.1 舞动形成条件分析
由于形成舞动的因素非常复杂，加之目前舞动的机理还没有完全明确。通常认为，形成舞动主要取决于三方面的因素，即导线覆冰，风激励，线路结构与参数。
覆冰是引起导线舞动的决定性因素，导线覆冰主要有四类：雾凇、霜凇、混合凇和雨凇，不同的覆冰形式对于舞动有不同的影响。不均匀覆冰是造成舞动的主要原因，主要有新月形覆冰、覆冰扇形覆冰、D形的覆冰等形状，且其下垂部分将继续生长成冰凌。
风激励是导线舞动的直接原因，一段线路舞动的大小与状态，主要决定于风向对导线轴线的夹角。当夹角为90°时，对舞动的影响最大，反之，当夹角为零，即风向平行于导线轴线时，引起舞动的可能性最小；另一方面，导线舞动多产生于平原开阔地带；同时不同的风速会决定不同的覆冰形式，进而影响空气动力状态。而且风的方向与线路走向的夹角不同也会产生不同的运动状态。
线路本身的结构和参数是引起舞动的内因。这些因素包括：导线的类型、张力、弧垂、档距以及导线的特性等。裂导线比单导线更容易产生舞动，这是由于间隔棒的影响，分裂导线的扭转刚度要比单导线大的多，而在发生覆冰时，由于偏心覆冰重力的影响，单导线会发生扭转，这样覆冰比较均匀，更接近圆形，而分裂导线因为扭转刚度大不易扭转，这就导致覆冰情况更加严重，必然会更容易导致舞动的产生；大截面导线比小截面导线易于舞动，这是因为大截面导线扭转刚度大，在偏心覆冰后难以产生自身扭转，使得偏心覆冰严重；导线张力越大，弧垂就越小，发生舞动和相间碰线的可能性就越小，但张力过大，可能会导致导线微风振动增强；档距越大，导线吸收的能量就越大，舞动的幅度就越大，应在易舞区尽量减小档距。
2.2 舞动机理
目前国际上有四种较为公认的理论，这里仅用 Den Hartog 机理来解释舞动现象。Den Hartog 认为，当导线产生偏心覆冰时，如果导线上下振动产生的诱导攻角在升力曲线CL-α负斜率区域发生，且？鄣CL/？鄣α+CD<0，导线就会发生舞动。其中，CL是导线气动升力系数，CD是导线迎风阻力系数，α是偏心覆冰导线迎风攻角。
当覆冰导线的空气动力阻尼为负并大于横向固有阻尼时，无耦合的垂直运动出现不稳定性。即舞动是由空气动力产生的负阻尼引起的。此理论可做如下解释，当一单元长导线元受到一个恒速横向风吹时，如果导线发生上下振动，导线除受到水平方向的风速V外，还受到垂直方向风分量V的作用。导线如图4所示正以速度V向上运动，风似乎是按α角（攻角）的方向吹到导线上，如果是吹到圆形截面导线，作用在导线上的力的方向与风的方向一致，这样在导线运动过程中一般只有阻力而没有上升力，但是当导线发生偏心覆冰时情况就不再是这样，此时同时出现了升力和 现在假设导线是处于α=0°位置并在做垂直运动，当导线向上运动的时候，由于相对速度，风相当于从斜上方向下吹，从图中可以看出，此时攻角的变化△α是负值，作用于导线上的升力为负，即向上运动时受到向下的阻力作用，同样，当向下的时候，△α为正，导线将受到向上的升力，就是说，风力总是和导线运动方向相反，在这种风力作用下，导线的运动会逐渐停止，不会发生舞动。而当导线位于α=90°时情况则大不同，当导线向上运动的时候，攻角变小，此时升力为正，即导线受到向上的升力作用，同理，当导线向下运动时受到向下的升力作用，即升力方向总是和导线运动方向一致，虽然这个力不是很大，但是不断的积累就会导致导线发生大幅度的上下振动。在这里还要考虑阻力，阻力具有垂直分量，只有在升力的垂直分量大于阻力的垂直分的时候，才会发生舞动。
可以看出，这种不稳定性是由升力曲线有负斜率而致。α=60°时，导线是不稳定的。仅有一个常值升力迭加在振动引起的可变升力之上，这个常值升力只能使塔上的某些荷载减小而没有其它效果。系统的动力学微分方程如下：
一个振动系统是否稳定，取决于其阻尼项是正或是负，当系统的阻尼项为负，导线就将舞动，即
系统失稳，导线发生舞动。
3 防舞装置应用情况
经过数十年的研究和探索，已有几十种防舞技术应用于输电线路，，我国在舞动治理和防舞技术方面也积累了丰富的经验，取得了良好的效果。目前常用的舞动防治措施有如下6类：
（1）改变导线结构特性抑制舞动。
（2）提高导线系统自阻尼抑制舞动。
（3）提高风动阻力抑制舞动。
（4）扰乱沿档气流抑制舞动。
（5）采用防覆冰措施抑制舞动。
（6）提高导线运行张力或缩短档距也可一定程度上抑制舞动。
随着我国电压等级的不断提高，采用间隔棒来分裂导线的方式越来越普遍，根据现场运行经验来看所有间隔棒较理想的抑制了舞动现象，但是还会造成许多诸如导线疲劳断股、金具磨损、杆塔构件损坏等故障，研发防舞性能更好的金具是广大科技工作者的共同目标。相间间隔棒的应用越来越广泛，但是还有改良的空间。
因此我们根据根据弹簧和橡胶的减振特性，利用弹簧与橡胶联合减振的特点，将阻尼弹簧、重球和间隔棒的框架连接起来，就可以获得理想的对分裂导线的减振效果。利用此新型阻尼弹簧间隔棒可以有效防止由于微风振动对输电线路的危害。
4 减振防舞阻尼弹簧间隔棒模型
4.1 模型建立
参阅了现有间隔棒结构的基础上，作者提出了新型防舞阻尼弹簧间隔棒的模型，简图如图6所示，包括一个双框架2、四个线夹1、四个阻尼弹簧4、四个V型环5 、一个重球3、四个自锁螺栓6。在框架2拐角处通过自锁螺栓6安装V型环5，阻尼弹簧4的一端连接V型环5，另一端连接重球3。
阻尼弹簧间隔棒的框架选取与普通间隔棒框架相同的单元和和参数，阻尼弹簧运用COMBIN14单元模拟，此单元为弹簧阻尼器单元。初步设计可选取几个数量级差不多的弹簧刚度系数，橡胶的阻尼系数为0.01。当在体积和变形不考虑的情况下，可选用MASS21单元模拟重球。
4.2 理论建模对比及优化参数
利用ANSYS软件可以建立防振锤和输电线-防振锤体系模型，如图7所示。我们可以通过以下四步来确定新型阻尼弹簧间隔棒的性能参数。
（1）建立安装普通间隔棒的四分裂导线有限元模型，并加上脉动风荷载进行受力后的响应分析。
（2）建立安装新型阻尼弹簧间隔棒的四分裂导线有限元模型，并加上脉动风荷载进行受力后的响应分析。
（3）将前面两种情况下的响应做对比分析，通过对比得到新型阻尼弹簧间隔棒减振性能的优越之处。
（4）重新设计新型阻尼弹簧性能参数后再继续建模分析，并和前面其他组的分析结果做对比，找出最优减振性能的间隔棒参数。
最后对阻尼弹簧防振锤的结构优化和验证。选取多组阻尼弹簧防振锤的结构参数，以弹簧刚度和配重板重量为自变量，稳定后的导线振幅为目标函数，通过软件进行函数拟合。并求得最优解。验证最优解的合理性。
4.3 制作实物进行真型试验
理论的数值确定后，按照理论中的参数制作实物，并在四分裂导线振动台上进行试验，将收集到的试验数据进行对比。找出差异原因，进一步优化。试验取得成功之后，在某一段线路上可以安装，观察效果。
5 建议及展望
阻尼弹簧间隔棒是一款极具实用性和创新性的输电线路防护金具，它在结构组成和材料使用上都突破了原有保护金具的模式，通过利用自身优势和机械上的减振器原理，将导线-间隔棒系统看成是一个能量平衡体系。在导线的振动下，重球会随之振动，弹簧会由于重球的运动也产生不断的运动，包裹在弹簧周围的阻尼橡胶在弹簧的带动下，会把输入给导线系统的能量消耗掉，在振动稳定后将达到导线输入能量和输出能量的平衡，达到减振的效果。
然而单单利用阻尼弹簧间隔棒来控制微风振动还显得过于狭窄，国内对新型防舞金具的研究也只是停留在初步阶段，既无相关标准，又无相关运行数据，通过相关分析软件对新型防振金具的参数进行初步分析更是很少有涉及，其实用性、准确性有待实践的检验。另外在分析悬索的计算理论时，也做了许多和实际不相符合的假设。这些假设对结果的准确程度也有影响。这些因素就使得本文在研究时的广度和深度显得远远不够。
阻尼弹簧间隔棒防舞性能的理论部分研究已经取得了前瞻性结果，要想真正的在线路上实践运用，尚应对阻尼弹簧间隔棒在实验室进行试验研究。在实验室模拟导线振动的各种运行环境和工况，对导线的振幅大小实时观测，测量多组数据，从多方面验证阻尼弹簧间隔棒的减振防舞效果，从而为此专利产品在后续的实践应用中提供理论和实践依据。
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[责任编辑：曹明明]
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