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1、国网河南省电力公司电力科学研究院国网输电线路舞动防治技术重点实验室卢明2023年8月输电线路舞动、监测预警与防治1二舞动实验室二舞动预警研究三舞动防治技术四主 要 内 容舞动危害一2工程应用五一、舞动危害舞动定义:输电线路冬季覆冰后,在风激励下所产生的一种大幅值、低频率的振动现象,因导线上下纷飞、形似舞龙,故称为“舞动”,属于结构驰振。恶劣气候现象增加 强度/频度明显增加 形成自南向北的舞动带 全国27个网省公司 针对近年来传统非舞动区出现大面积舞动的新问题,比如比如2020年吉林和年吉林和2023年年1月月江苏江苏的的线路线路舞动,都发生在非舞动区舞动,都发生在非舞动区。极端。极端恶劣天气频
2、发、并且多变,对恶劣天气频发、并且多变,对线路线路防舞动防舞动提出提出新挑战。新挑战。舞动范围超出经验舞动预警平台舞动预警平台舞动分布图舞动分布图 线路舞动是严重的电网灾害一、舞动危害舞动灾害 永久性机械破坏 大面积倒塔、停电一、舞动危害我国发生有文字记载的:舞动事件1300条次以上经济损失数百亿元舞动覆盖面积大,会引起倒塔、断线、跳闸舞动危害舞动:舞动:低频(低频(0.10.13Hz3Hz)、)、大振幅(导线直径大振幅(导线直径2020300300倍)自激振动。倍)自激振动。形态形态:一个或几个半波。:一个或几个半波。轨迹轨迹:椭圆。:椭圆。舞动基本特征舞动基本特征(识别舞动现象)(识别舞动
3、现象)导线舞动影响因素导线舞动影响因素覆冰风的激励线路结构与参数+破坏:破坏:螺栓松动脱落螺栓松动脱落机械机械破坏:破坏:断线、断股断线、断股机械机械破坏:破坏:金具损坏金具损坏机械机械破坏:破坏:绝缘子、引流线损坏绝缘子、引流线损坏机械机械破坏:破坏:塔材、基础损害塔材、基础损害机械机械二舞动预警研究三舞动防治技术四主 要 内 容舞动实验室二工程应用五舞动危害一二、舞动实验室舞动是多参数、非线性的工程力学问题,是世界性难题最有效研究手段是真型线路试验因选址要求高,实验室建成之前仅日本、加拿大拥有试验线路日本加拿大二、舞动实验室 舞动研究地位突出:我国唯一,世界上功能最齐全;两基地一体化运作:
4、具备电气、机械材料、结构振动、环境模拟等试验检测能力;立足生产实际,紧贴电网安全:研究课题面向电网现实需求和未来发展。真型输电线路真型输电线路综合试验基地河南电力试验研究基地2.1 特色 在输电塔型种类、导线布置方式、线路长度、最大档距、连续档距数等方面达到了世界之最,试验能力国际领先试验平台线路长度(米)分裂数布置方式最大档距连续档数日本700四、六两相水平4802加拿大1275双三相垂直4503中国3715单、双、四、六、八水平、垂直、三角6579真型试验线路走径图真型试验线路二、舞动实验室二、舞动实验室01234567北北东北东北东东北东东东南东南南东南南西南西南西西南西西西北西北北西北
5、0.00%3.00%6.00%9.00%12.00%15.00%18.00%21.00%北北东北东北东东北东东东南东南南东南南南西南西南西西南西西西北西北北西北不同风向出现的统计比例不同方向的全年平均风速 主导风向明显、风速较高 满足舞动起舞最低要求的风速达到:200天以上 独一无二的气候资源2.2 优势二、舞动实验室通过基于人工模拟冰的起舞技术研究,试验线路全年三分之一时间可以起舞,舞动天数大于200天。安装有模拟冰的试验线路不同分裂数导线同时舞动视频国外线路:7-8m/s,每年60-70天试验平台:3-4m/s,每年 200多天“试验一年,终其一生“效率是国外的三倍二、舞动实验室微气象、舞
6、动轨迹、振动强度、应力应变等多参数实时、精准测量具有舞动自动识别与状态分级的能力。实现了线路舞动的全天候、全过程监测 有效支撑了2个省(部)级重点实验室和1个国网科技攻关团队的建设 完备的的监测系统2.2 优势二、舞动实验室国际上首次实现了自然风激励下连续三个耐张段的长周期、大幅值、高频度舞动以及特高压试验线路舞动国家电网公司领导和专家评价:大自然与科技人员智慧的结晶!舞动防治技术四主 要 内 容舞动预警研究三工程应用五舞动危害一舞动实验室二三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术 传统振动领域难以有效直接监测超低频0.3Hz3Hz0.3Hz3Hz频段频段的输电线路舞动的输电线路舞动现象,
7、利用分布式光纤测振技术,可实现输电线路舞动状态监测、识别、定位,效果突出。分布式光纤测振是一种仅依赖于光纤自身的一种测量手段光纤就是传感器不对光纤进行任何改造全分布式监测三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术光纤变电站高压输电线路振动舞动外破光路信号脉冲信号光学调制系统解调分析系统应用场景应用场景输电线路输电线路三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术技术优势技术优势非侵入监测非侵入监测方式,对线路无扰,无需现场安装和人工干预、运维分布式分布式监测,一芯光纤可以监控整条线路仪器可靠性强,基本免维护监测类型丰富,可取代大多数常规在线监测装置,尤其可识别超低频舞动信可识别超低频舞动信号号
8、(0.5Hz)空间分辨率细腻(可达到1m/kM),可准确定位多种线路故障位置量程大量程大(可达到可达到80kM80kM,双通道可达,双通道可达160kM)160kM),可覆盖常规长度的整条110500kV线路应用领域广泛,包括架空输电线路、电缆等,以及运维及信通部门三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术技术研究:实验室测试及验证技术研究:实验室测试及验证3.7k3.7k真型试验线路真型试验线路70m70m室内室内OPPCOPPC舞动试验机舞动试验机80m80m室外室外OPPCOPPC舞动试验线路舞动试验线路三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术技术研究:实验室测试及验证技术研究:实
9、验室测试及验证基于基于舞动舞动试验试验机的机的OPPC弧垂点振动图谱弧垂点振动图谱超低频的舞动特征点超低频的舞动特征点 本技术可灵敏监测超低频舞动信号本技术可灵敏监测超低频舞动信号0.9Hz舞动频率在不同张力下的特征监测舞动频率在不同张力下的特征监测三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术技术研究:实验室测试及验证技术研究:实验室测试及验证OPPC/OPGW铁塔连接点处振动图谱铁塔连接点处振动图谱超低频的舞动特征点超低频的舞动特征点 可通过可通过OPGW经铁塔耦合后监测导线舞动经铁塔耦合后监测导线舞动模拟导地线经模拟导地线经铁塔的耦合铁塔的耦合振动振动三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监
10、测技术技术研究:实验室测试及验证技术研究:实验室测试及验证3#4#试验段弧垂点试验段弧垂点位置的振动频谱图位置的振动频谱图4#5#试验段弧垂点试验段弧垂点位置的振动频谱图位置的振动频谱图5#6#试验段弧垂点试验段弧垂点位置的振动频谱图位置的振动频谱图自然自然覆冰下真型线路覆冰下真型线路OPGWOPGW监测到的覆冰、脱冰、舞动三个阶段监测到的覆冰、脱冰、舞动三个阶段黑色曲线:缓慢薄覆冰;黑色曲线:缓慢薄覆冰;红色曲线:快速脱冰红色曲线:快速脱冰;绿色曲线:舞动绿色曲线:舞动真真型试验线路型试验线路三、舞动预警研究基于分布式光纤的舞动监测技术技术技术研究:形成了研究:形成了基于全基于全分布式光纤测
11、振技术分布式光纤测振技术的输电线路舞动监测系统的输电线路舞动监测系统“线路舞动线路舞动-气象要素气象要素”差异化关联模型差异化关联模型效果验证效果验证舞动预测预警舞动三要素风线路结构参数覆冰三、舞动预警研究“气象要素-线路舞动”差异化关联模型三、舞动预警研究33 风速随高度升高,变化较大。电网杆塔设计高度不同,而常规对风的预测只有10米高度。结合电网线路设计高度,在降尺度基础上实现了不同高度的分层风速风速预测预测。10米、30米、50米、70米风的影响“气象要素-线路舞动”差异化关联模型三、舞动预警研究 输电线路覆冰且覆薄冰是舞动发生的重要条件。首先,选取水汽混合比、液态水含量、比湿等参数,建
12、立积冰条件模型,判断线路是否会发生覆冰;其次,对Makkonen冰厚增长模型,进行了不同地域的参数优化及订正,并滚动计算出覆冰的厚度。同时,考虑了覆冰的融化模型及覆冰形状的影响。覆冰的影响“气象要素-线路舞动”差异化关联模型三、舞动预警研究线路的线路的线路结构线路结构参数深度融入舞动预警判据中参数深度融入舞动预警判据中 气象参数相同的条件下,线路结构参数对舞动判据影响较大,影响舞动预警的准确度;针对不同冰形、不同风速下的不同档距、分裂数、线径等多种线路结构参数下不同冰形、不同风速下的不同档距、分裂数、线径等多种线路结构参数下的的3232种工况种工况进行了舞动仿真,并在3.7公里10基9档的真型
13、线路上进行了检验,建建立了仿真数据库立了仿真数据库。气象参数预测舞动预测当气象参数确定时,基于线路塔线体系参数的舞动判据+8类参数风覆冰“气象要素-线路舞动”差异化关联模型线路参数的影响三、舞动预警研究精细化数值预报温度湿度风速.有冻雨降水冻雨覆冰模型无冻雨覆冰能量累积过程历史气象要素数值预报气象要素无冻雨覆冰模型覆冰增长模型精细化数值预报动力降尺度风覆冰厚度覆冰形状舞动仿真同化订正线路结构参数分裂数档距线径防舞装置.舞动幅值舞动等级划分舞动等级预警地形信息输电线路设计规范自动气象站高空气象要素关键技术基于多项关键技术研究,建立了舞动预测预警工作流程舞动预测预警工作流程气象预报与电网GIS信息
14、的大数据融合舞动天气的高空逆温层变化特征导线覆冰过程预测基于大气对流槽分布的风场预测动力降尺度的局部气象条件、地形分析基于冰、风、线路结构的舞动仿真分析Adaboost的智能预测与风险预警方法舞动预测预警三、舞动预警研究舞动预测预警分中心以精细化数值天气预报结果为基础,预测未来7天不同区域内可能发生舞动的等级和概率,同时自动识别出该区域内的重点线路,分级发布舞动预警,同时定期发布预警周报、日报等,为电网运行防灾预案的制定提供基础。三、舞动预警研究2020年11月18日到19日,内蒙中东部地区、东北大部迎来了中到大雪,局部暴雪的天气过程。受大范围大风降温、雨雪冰冻等恶劣天气影响,吉林及蒙东电网输
15、电线路发生大范围舞动。河南公司提前对11月18日左右东北的大范围雨雪天气进行了重点提示,并对蒙东的舞动事件进行了准确预测(吉林不是常规易舞省份,不要求预测)。河南公司提交的中长期舞动预测报告2020年11月18日08时-19日08时累积雨量(mm)三、舞动预警研究 在吉林发生大范围舞动时,河南公司依托“国网舞动预警平台”,全程向现场人员提供气象信息指导,滚动发布气象预测结果。迅速派出专家赶赴现场进行事故分析、覆冰舞动现场观测及后续线路舞动概率的研判,为电网抢修提供技术保障。与吉林公司联合现场观测河南公司研发的国网舞动预警平台主 要 内 容舞动防治技术四工程应用五工程应用一舞动实验室二二舞动预警
16、研究三基于真型试验线路的舞动特性观测分析,开展了110kV1000kV线路的防舞技术研究。1、防舞 幅值大、阶次及频率低,能量大 结构阻尼的振动控制方法不适用六分裂导线舞动特高压线路舞动 导线扭转特征明显 大档距线路特有的舞动倍频共振四、舞动防治技术 防舞措施定量评估试验06003604204805406000.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4 垂直振幅垂直振幅(m)时间(min)0246810121416 归算风速风速(m/s)06003604204805406000.000.010.020.030.040
17、.050.060.070.080.090.100.110.120.130.14 波动幅度的10分钟平均值曲线动张力系数的波动幅度(1)时间(min)061718 归算风速 风速(m/s)06003604204805406006607200.000.010.020.030.040.050.060.070.080.090.100.110.120.130.14 波动幅度的10分钟平均值曲线动张力系数的波动幅度(1)时间(min)06 归算风速 风速(m/s)060036
18、04204805406006607200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.22.4 垂直振幅垂直振幅(m)时间(min)0246810121416 归算风速风速(m/s)安安装装前前安安装装后后舞动时导线动张力舞动时测点幅值舞动时导线动张力舞动时测点幅值(1)双摆防舞器有效解决原有防舞“理论可行、实效不佳”的问题有效性和可靠性同时检验常规风信息(10分钟风速和风向)高速风信息(3秒钟风速和风向)风信息基于加速度传感器的舞动幅值基于单目测量技术的舞动幅值导线的舞动幅值基础常规技术的舞动视频录像(白天)基于夜视测量技术的舞动视频录像(夜间)舞动视频录像导线耐张挂点
19、的张力恶劣环境下可靠工作、高采样频率激励响应 起舞风速 舞动模式 舞动幅值与风速关系 导线张力与风速关系对比安装前后定量评估试验方法四、舞动防治技术双摆防舞器的定量评估 相间间隔棒差异化防舞方案 相间间隔棒差异化防舞方案,被国家电网公司作为防舞第一优选方案在全国范围内推广。四、舞动防治技术 特高压防舞-相地间隔棒舞动中的相地间隔棒2#塔南相东绝缘子动张力相地间隔棒掉落后:舞动能量瞬间释放 线路失去约束,绝缘子动张力显著持续增大 合理配置相地间隔棒的安装位置、预紧力、连接方向等参数具有显著的防舞效果四、舞动防治技术二、总体思路及主要研究内容首次首次完成完成无防舞装置无防舞装置下特高压线路下特高压
20、线路大幅值大幅值一阶一阶舞动导致的舞动导致的绝缘绝缘子断裂、导线落地子断裂、导线落地的的全过程舞动试验全过程舞动试验。首次首次完成完成无防舞装置无防舞装置下特高压线路下特高压线路大幅值大幅值一阶一阶舞动导致的舞动导致的绝缘绝缘子断裂、导线落地子断裂、导线落地的的全过程舞动试验全过程舞动试验。二、总体思路及主要研究内容 特高压舞动防治技术相相地间隔地间隔棒对特高压八分裂线路舞动抑制棒对特高压八分裂线路舞动抑制相地间隔棒的性能评价:相地间隔棒的性能评价:31次舞动事件。次舞动事件。南相南相:14次次,共共127.3小小时时,7.62%;北相北相:16次次,共共108.25小时小时,7.09%。二、
21、总体思路及主要研究内容安装安装相地间隔棒能够有效减小线路舞动对绝缘子的破坏损伤程度相地间隔棒能够有效减小线路舞动对绝缘子的破坏损伤程度相同预紧力下,逆风向布置较顺风向布置能够起到更好的防舞效果相同预紧力下,逆风向布置较顺风向布置能够起到更好的防舞效果预紧力越大防舞性能越好,但同时应预紧力越大防舞性能越好,但同时应考虑预考虑预紧力对线路本身的影响紧力对线路本身的影响相相地间隔棒在地间隔棒在3kN-8kN范围内,抑舞效果最佳范围内,抑舞效果最佳性能性能评价结论评价结论 塔线体系结构抗舞双帽螺栓加固紧固件振动试验不同紧固件夹紧力变化曲线特高压线路-双帽螺栓实际应用倒塔演变过程分析四、舞动防治技术提出
22、了双帽螺栓的紧固件防松加固措施2、抗舞真型舞动试验考核顺线握力下线夹应力云图向心力下应力云图扭握力矩下线夹应力云图水平拉力下应力云图舞动受损分析四、舞动防治技术 塔线体系结构抗舞加强型子间隔棒提出了加强型子间隔棒:框板与线夹连接结构由原有间隔棒的凸台限位硬连接结构改进为橡胶垫限位软连接结构,利用关节橡胶垫在关节处产生的弹性,吸收能量,起到消振,减缓振动疲劳的作用;顺线握力提升24.2%,抗垂直拉压载荷提升80%,向心力载荷提升44%,框架承载能力上提升90%,整体机械性能得到很大的提升。真型舞动试验历经432小时线路舞动,无任何损伤及机械强度降低 塔线体系结构抗舞连接金具设计-2-1012-1
23、-0.500.5100:00-00:03舞动轨迹00:00-00:03舞动轨迹水平位移(m)竖向位移(m)00:00 00:00 00:03 00:030600030003600204060 Tensile/kgTime/s(From 1700)开展性能评估试验,建立防舞装置连接金具的强度匹配原则,提高了防舞装置的结构强度和可靠性舞动过程中的防舞装置受力特征分析相间间隔棒舞动承载试验系统 单端曲臂三维作动单端曲臂三维作动 基于受力平衡的双端协调控制基于受力平衡的双端协调控制 包含双端连接的综合性能测试包含双端连接的综合性能测试四、舞动防治技术建立塔线抗舞的结构设计理念:紧
24、固件防松、塔线动态承载加固无刚性碰撞的连接形式连接连接金具强度匹配原则国际领先7年四、舞动防治技术2、抗舞53不同分布扭矩荷载作用下增加间隔棒数目可提升分裂导线的抗扭转及翻转倾覆能力;但随着间隔棒数目增多,这种提升作用逐渐变得不显著;工程中的次档距较小,间隔棒数目多,增加间隔棒的方式作用不大。全国网舞动分布图3.避舞四、舞动防治技术建立了舞动分布图绘制方法,绘制了河南及国网的舞动分布图。结合防舞与抗舞措施,形成了舞动分级治理标准规范2项(国家电网企业标准1项、省地方标准1项),实现了舞动风险的提前规避。4.止舞四、舞动防治技术通过在输电线路上安装应急拉索,可以达到破坏原有线路系统结构,抑制线路
25、舞动的目的。输电线路导线输电杆塔防舞拉索拉索收紧目前对于线路舞动灾害风险,多采用预先安装相间间隔棒、双摆防舞器、相地间隔棒等防舞防冰装置开展灾害防治,针对已发生舞动的线路尚无可靠有效的防控手段。应急止舞背景及方法4.止舞四、舞动防治技术1/2档距单独安装拉索1/4和3/4档距同时安装拉索以国网公司重点实验室“输电线路舞动防治技术实验室”尖山真型试验线路为分析对象,构建#3-#4档导线舞动分析模型,对舞动过程中在1/2档距处、1/4和3/4档距处安装应急拉索的输电线路仿真分析。应急止舞方法论证仿真分析4.止舞四、舞动防治技术02004006008001000-5-4-3-2-101竖直位移/m时
26、间/s 1/4档距处02004006008001000-5-4-3-2-101竖直位移/m时间/s 1/4档距处 1/2档距拉索安装处未安装拉索1/2档距安装拉索导线在未安装拉索、1/2档距安装拉索并匀速收紧3m条件下的舞动位移如下图所示(导线1/4档距处的竖直位移时程)。结果表明,安装拉索并逐步收紧时,导线的舞动幅值逐步降低,最后达到小幅值稳定状态。应急止舞方法论证仿真分析4.止舞四、舞动防治技术对于给定的典型线路,在1/2档距安装拉索并收紧2m以上时,其舞动幅值可降低50%以上,收紧3m以上时,舞动幅值可降低70%以上。在1/4和3/4档距安装拉索并收紧1m以上时,舞动幅值即可降低59%以
27、上,收紧3m以上时,舞动可降低70%以上。综上,在舞动过程中安装防舞应急拉索可有效降低舞动幅值,具有较好的止舞效果。应急止舞方法论证仿真分析4.止舞四、舞动防治技术在尖山试验基地#3-#4塔开展现场拉索应急止舞试验工作,通过在拉索中间串联有拉力传感器,对试验过程中的拉索张力进行监测。试验过程中通过单相收紧装置不断收紧拉索,实现对舞动线路的应急处置。#2间隔棒处#3 杆塔#4 杆塔基于尖山真型试验线路,开展基于拉索的应急止舞试验,目前试验仅在#2间隔棒处安装应急拉索。应急止舞方法论证试验验证4.止舞四、舞动防治技术123收紧拉索收紧拉索放开拉索放开拉索收紧拉索收紧拉索放开拉索放开拉索收紧拉索收紧
28、拉索放开拉索放开拉索应急拉索收紧-放松过程中导线拉力变化(含3次试验)试验过程中随着舞动幅值降低,导线张力波动明显随之降低,但由于拉索拉力作用(约1.2kN),导线张力均值略有增大。应急止舞方法论证试验验证4.止舞四、舞动防治技术拉索收紧前拉索收紧前拉索收紧后拉索收紧后舞动最高点舞动最高点舞动最低点舞动最低点舞动最高点舞动最高点舞动最低点舞动最低点(参考线参考线)(参考线参考线)(参考线参考线)(参考线参考线)应急拉索收紧前后舞动幅值变化现场测试结果表明,应急拉索具备舞动抑制能力。通过提取视频与拉力监测结果可知,未拉紧拉索时,#2间隔棒处导线舞动幅值约为1米,拉索收紧后,舞动幅值约为0.1米,
29、舞动现象几乎停止;拉索放松后,线路逐渐恢复舞动。应急止舞方法论证试验验证4.止舞四、舞动防治技术线路舞动应急止舞(收紧)线路复舞(放松)说明:尖山真型输电线路:#3#4塔;在距离#3塔1/3档距处安装拉索。应急止舞方法论证试验验证试验测试结果表明:在舞动过程中安装防舞应急拉索可有效降低舞动幅值,具有较好的止舞效果。4.止舞四、舞动防治技术基于激光雷达辅助的精准抛射基于激光雷达辅助的精准抛射 应急止舞装备精准抛射基于激光雷达辅助的精准抛射:舞动过程中,导线处于动态变化过程,采用激光雷达辅助获取舞动导线的包络线,确定拉索挂接的安全抛射通道,并进行抛射轨迹规划。激光雷达获取导线舞动轨迹 设定抛射仰角
30、;设定抛射压力(初速度);选择抛射目标点;完成抛射轨迹规划。4.止舞四、舞动防治技术为了现场施工方便,项目采用小型螺旋锚作为拉索地端固定装置。然而在止舞过程中,锚固点会受到导线牵拉冲击,对螺旋锚的动载承受能力提出更高要求。项目开展试验研究,分析不同锚盘数量、旋锚深度、锚盘大小等参数对承载能力的影响。应急止舞装备拉索下端可靠锚固基于试验测试,分析不同锚盘大小、锚固深度下的承载特性,开展螺旋锚优化设计。四、舞动防治技术防舞防舞抗舞抗舞避舞避舞止舞止舞预舞预舞实现舞动实现舞动有效防治有效防治舞动灾害防治体系舞动灾害防治体系舞动防治技术四主 要 内 容工程应用五舞动危害一舞动实验室二二舞动预警研究三五
31、、工程应用 标准:电力行业DL/T 1058、国网公司Q/GDW 1829;防舞第一优选方案:截止2017年底,全国共计安装项目研发的相间间隔棒22.3万支,占防舞改造线路的80%以上;防舞新方案:在湖北、内蒙等舞动线路改造长度达1320km。防舞推广应用情况五、工程应用 行业标准:DL/T1343、DL/T764;杆塔结构加固措施:应用于II级以上舞动区,2013年以来的所有特高压工程,共计应用17500基杆塔;抗舞间隔棒:仅河南地区安装8230套,纳入国家电网公司新技术推广目录。抗舞推广应用情况五、工程应用舞动预警系统 国网企业标准:Q/GDW11006 指导完成27个网省公司舞动分布图绘制 成为数千条线路防舞改造的依据舞动分布图 建成国网公司舞动预警分中心 连续提供舞动预警服务5年 为9个网省公司提供服务中长期气候预测报告12份气象/舞动预测周报142期重要天气报告43份各类气象分析报告27份预警系统开放用户248名发送预警短信17000余条报告预警短信推广应用情况推广应用情况汇报完毕,谢谢!报告完毕,谢谢!