防风林抑制高压线路舞动的探讨

韩金龙

摘要：高压线路的舞动的广泛治理已经近30年，新方法层出不穷，但新问题也年年更新。针对形成舞动的气象因素，从防风减风角度引入大气物理粗糙度因素，分析防风林抑制舞动的可能性。进一步提出防风林种植的型式，引导输电线路建设与环境保护的和谐发展。

关键词：防风林，粗糙度，抑制线路舞动

1高压线路舞动的新情况

2015年1月28日至29日，受低温寒潮影响，汉川、天门、荆州、荆门、当阳等地出现冻雨和风雪天气。国家电网公司湖北检修公司运行在此区域内的近30条超高压线路，包括500kV交流和±500kV直流及以上线路发生舞动。截止1月29日晚22：00时左右随着天气的好转，线路舞动停止，持续时间长达46小时。舞动段共计约1300余档，近600公里，范围约3万平方公里，创历年之最。经统计本次线路舞动幅值为3-6m，最大达到7m，因线路舞动造成设备受损共计200多处。

自1987年中山口大跨越因发生强烈舞动而导致导线断线，大范围的舞动治理已经近30年了，每年都会有新的变化。2015年的大范围舞动，以前没发生舞动的江孱Ⅰ、Ⅱ回等南北走向段也发生了舞动，以前没发生舞动的720mm2导线±500kV龙政线等直流线路也发生了舞动……

2高压线舞动治理手段

2.1舞动机理及治理手段

目前存在多种舞动机理，各自从不同的角度对舞动现象进行了解释。如邓哈托机理适用于垂直型舞动，扭转机理适用于有扭舞动等。通过对多年来舞动现象的综合分析，认为只有不稳定振动才有可能产生像舞动这样大的振幅，可以把舞动看作一种动力不稳定现象。

目前防舞治理的原则概况起来大致有：（1）避开或减少舞动诱因；（2）提高线路的机械和电气强度，提高线路抗舞能力；（3）加装防舞器、失谐摆、偏心重锤、相间间隔棒、扰流器、阻尼器、减振器、转动式间隔棒、组合式间隔棒以及防止覆冰等多种防舞措施障。

在实际操作层面，外加各种防舞装置为主，而从发生舞动诱因的根本上，牵扯到自然中的因素过多，不易操作。我公司副总工林正提出，参考三北防护林，在高压线路走廊内种树或许可以影响风的形成，从而减少舞动的发生。

2.2舞动诱因的主角-风

舞动诱因很多、也很复杂，还没有统一的定论。但是，必备气象条件中的风和冰已经达成共识。防风林从直观上可以改变风，是否有理论依据能作为依据呢？为此，引入流体力学粗糙度概念，用数学手段证明防风林改变风的可能性。

粗糙度是流体力学引进的一个重要参数，是风速等于零的某一几何高度。是现代地球表面各种物质流运动研究中不可或缺的一个重要概念。

（1）对于定床地表，可包括石质、泥质和沙质及冰雪等地表。只要是在刮风时地表上固体颗粒基本不发生运动的地表，它们的粗糙度是可从地表上的风速廓线直接推得的。一般采用拜格诺所采用的对数廓线：uy=5.75V*lgy/y0

其中：uy为高度y时的平均风速，

V*为剪应力速度，

y0是风速为零时的高度。

则：y0=y/exp(uy/5.75V*)

根据公式，y0值大约是其表面地物平均高度的十分之一，或说小一个量级。

（2）植被地表，其主要特点就是由于地面上有柔软的植株和有如乔木上下可通气流这两条。引入一个所谓零面位移高度d，即认为零速度面已不在地表，而是抬高一个高度d，那高度处速度才为零。

uy=5.75V*lg（y-d）/y0

则：y0=（y-d）/exp(uy/5.75V*)

对于茂密树林，在大约是整个林区的中下层高度附近，风速为零。

高压线路发生舞动区段，基本上是空旷的开阔地，冬天地表特性相当于定床地表。如果引入防风林，改造其为植被地表，零速度面将会抬高d值，从而降低风速，减少导线起舞的机会。

3防风林种植的型式

防风林能减小其防护带内的风力，各种防风林的效应不同的，它取决于各防风林的高度、长度、孔隙度和宽度。根据日本的一项风洞研究，将防风林模型分为A类（整体性）和B类（多孔性）等两类，每类又把宽度分成a、b、c等三类。

最终，风洞实验的结论是：

（1）对于A-a、A-b、和A-c型，最小风速出现在距防风林1H远的地方。此外，A-a型中，从1H到3H远的距离内，风速随距离减小；7H以后，风速再度随距离增加。

（2）对于A-c型，从1H到7H的地方风速随距离很快地增大，背面风的最小风速出现在紧靠着宽而密的防风林后面，而且离防风林越远，风速越大。

（3）A-a型和A-c型的风速差异是由于防风林宽度不同而引起的。防风林越窄，背面的树立涡流越大。宽防风林的涡流则越小，也靠近防风林。

（4）对于B-a、B-b、和B-c型，最小风速出现在距防风林1H、3H、5H远的地方。风速达到最小值以后，各型都以同样的速率增大。

（5）防风林顶冠部的粗糙度对减小风速几乎没有影响；防风林越宽，背面风最小风速出现的位置就越靠近防风林。

（6）防风林的孔隙度对放其效应来说是最要的因素，孔隙较少的防风林其背风面风速的极小值出现在紧挨着防风林的地方，当风速达到极小值后，风速的增加要比空隙多的防风林来到快些。而空隙很多的防风林，其背封面风速的减少却又不如孔隙少的显著。因此，孔隙适中的防风林的作用最好。

结束语

根据流体力学粗糙度概念，从理论上证实防风林降低高压线路舞动的可能性。然后，参照相关的风洞实验，明确防风林可采用B-b型式，按5排种植，间隙度60%。

树木的种植不仅仅是高压线路运行单位的单方面资金投入，可以引导当地村民有序种植，促进各方的和谐发展。

参考文献

【1】《电力工程高压送电线路设计手册》（第二版）。

【2】《初论地表粗糙度》（生态环境，2007-06）。

【3】《防风林背风面的风速分布以及关于防风林宽度的风洞试验》（日本：农业气象，33卷第4号）。