趙 強,劉連光,姚建生,仇 堅,朱小強
(1.華北電力大學電氣與電子工程學院,北京 102206;2.江蘇天南電力器材有限公司,江蘇 如皋 226522)
輸電線路微風振動,可能引發(fā)導線斷股以及輸電線路斷線等惡性電力事故[1]。例如,新疆220 kV樓哈線投運3年發(fā)生導線斷股事件300余處[2],對電網(wǎng)安全運行造成了嚴重影響。有效抑制輸電線路的微風振動,是重要的研究課題。雖然絕大部分的輸電線路采用防振錘抑制微風振動,但由于防振錘的安裝位置改變或滑動,可能導致防振錘失效。
針對傳統(tǒng)防振錘易滑移、安裝不便、能耗大等不足,現(xiàn)已研發(fā)了預絞式防振錘。本文主要分析預絞式防振錘的制造工藝、技術特性及工程應用等情況。
輸電線路的導線具有自阻尼[3],對一定范圍內(nèi)的微風振動有抑制作用,但不能消除微風振動。采用防振錘抑制微風振動,是一種常用的措施[4]。使導線輸入風能與整檔導線的自阻尼能耗和防振錘能耗相平衡[5],消除導線振動,其表達式為
式中,
Pw為導線輸入風能;
Ps為導線自阻尼能耗;
Pd為防振錘能耗。
研究表明,導線自阻尼消耗能量與振幅2.5次方成正比,而輸入風能基本與振幅一次方成正比,故加上防振錘消耗的能量,導線的振幅會大幅度下降,從而有效抑制微風振動[6]。
架空線路加裝防振錘后,不僅導線振幅大為下降,并且能夠形成穩(wěn)定振動的諧振頻率,要比無防振錘時的自然頻率稀疏得多,也就是說安裝防振錘后,導線振動的幾率大為降低,因此可有效防止導線振動。
圖1 傳統(tǒng)防振錘實物圖
盡管傳統(tǒng)防振錘在抑制微風振動方面,取得了一定的效果,但其自身設計制造上的缺陷,也是不容忽視的。其垂體材料為鑄鐵,易生銹;且垂體有空隙,易積水積雪,而影響防振錘防振性能;線夾采用局部壓板夾緊設計,形成閉合回路,會產(chǎn)生渦流損耗,增加線路能耗。
此外,由于傳統(tǒng)設計采用螺栓安裝,易在防振錘夾板及線夾處產(chǎn)生集中應力,不僅會出現(xiàn)防振錘滑移現(xiàn)象,且交變的集中應力,經(jīng)多次交替作用后,最終將導致導線疲勞斷股。
安裝防振錘的作用,是用來降低微風對導線的疲勞損害,所以當防振錘產(chǎn)生滑移后,反而會對導線造成更大的損害,因此必須要確保合理的制造工藝,以及具備相應的技術特性。
防振錘是由錘頭、鋼絞線及線夾組成的一種阻尼器,通過線夾懸掛在導線上。預絞式防振錘錘體采用特殊合金材料制造,不易生銹;鋼絞線采用30%鋁包鋼制造,可保證不傷害導線;線夾為鋁合金制造,采用上掛式全握結構,施工時便于直接掛在導線上,效率很高。
預絞式防振錘如圖2所示。
圖2 預絞式防振錘實物圖
(1)防積水。預絞式防振錘錘體圓滑無空隙,可以完全消除積水積冰積雪,不會因結冰導致產(chǎn)品總質(zhì)量發(fā)生變化,而影響產(chǎn)品的防振性能。
(2)防滑性。預絞式防振錘與傳統(tǒng)防振錘最大的區(qū)別,在于采用預絞絲安裝[7],減小人為因素帶來的影響,預絞絲與導線間的握力均勻分散在30~60 mm長度的區(qū)域上,避免了導線的應力集中,消除了螺栓固定式防振錘安裝力矩不均勻、易滑移的缺陷。
(3)多頻諧振性。預絞式防振錘采用特制的小節(jié)距鋼絞線,兩端的重錘成狗骨頭形狀,并分別置于鋼絞線的前后兩側,形成一定的角度,兼顧了音叉型與扭矩型防振錘的優(yōu)點,其有4個諧振頻率,分別在10 Hz、35 Hz、50 Hz、75 Hz附近[8]。
(4)節(jié)能性。預絞式防振錘線夾為鋁合金制造,且采用開口設計,避免了由于使用鋼鐵材料而產(chǎn)生的渦流損耗,同時,接觸面積的增大,也有效地減少了接觸電阻,減少了能量損耗[9]。
(5)抗疲勞性。此外,纏繞在導線上的預絞絲,增強了導線與防振錘接觸區(qū)域的彎曲剛度,削弱了在這些區(qū)域的動態(tài)彎曲應力[10]。在同等條件下,預絞式防振錘與傳統(tǒng)螺栓壓緊型防振錘相比,有效改善了導線在懸掛點的應力環(huán)境,使導線所受的靜態(tài)壓應力、夾應力、彎曲應力和動態(tài)應力大大減小,延長了導線的抗疲勞特性和使用壽命,具有很高的性價比。
表1列出了6種適應不同型號導、地線的預絞式防振錘。
表1 預絞式防振錘型號
上述預絞式防振錘,經(jīng)過1 000 kV交流電氣試驗、800 kV直流電氣試驗及疲勞試驗等各種型式試驗,結果表明,其各項指標均滿足國家標準要求。
下面以一般地形10 km長線路為例,從工程實際應用出發(fā),與傳統(tǒng)防振錘相比,預絞式防振錘存在明顯的優(yōu)越性。
(1)安裝成本。傳統(tǒng)防振錘因采用螺栓安裝,均需安裝鋁包帶,增加了安裝成本。而預絞式防振錘采用預絞絲安裝,不用安裝鋁包帶,且無需任何安裝工具,徒手即可完成,安裝方便快捷,施工成本低廉。
(2)維護成本。后期運行維護成本可描述為
式中,
Cw為每年后期維護總成本;
n為防振錘安裝數(shù)量;
Cx為單次單個巡視費(1元);
Px為每年巡視次數(shù);
Ch為更換損壞產(chǎn)品的費用。
傳統(tǒng)防振錘因采用螺栓安裝,易產(chǎn)生滑線,且會生銹易脫落,每年至少需巡視5次。而預絞式防振錘采用預絞絲安裝,絕無滑移現(xiàn)象,同時不易生銹,每年只需巡視1次即可。
此外,傳統(tǒng)防振錘性能較差,容易結冰,使用壽命一般,易產(chǎn)生滑移對導線帶來很大損害,滑移后需要進行更換及復位操作,成本極大。
相比之下,預絞式防振錘因其性能優(yōu)越,不會結冰,且預絞絲一般采用與裸纜線相同的材料制成,減小了由于不同金屬間在電氣環(huán)境下所引起的電腐蝕,不僅延長了防振錘的使用壽命,而且對導線能有效地保護,不會滑移,無需更換及進行復位操作。
預絞式防振錘與傳統(tǒng)防振錘后期維護成本對比如表2所示。
表2 預絞式防振錘與傳統(tǒng)防振錘后期維護成本對比
傳統(tǒng)防振錘,前期工作量較大,采用鋁夾板及螺栓安裝[11],需要扳手安裝,加大了高空作業(yè)難度,帶來施工安全隱患。
而預絞式防振錘,對操作人員的技術要求不高,具有安裝簡便、迅速、可徒手安裝、無需安裝工具等特點,節(jié)省了大量的施工時間及施工材料,同時也降低了高空作業(yè)的勞動強度和危險性,確保施工安全。
一般情況下,熟練工人徒手安裝一套預絞式防振錘,只需要幾分鐘到十幾分鐘的時間。安裝完成后,其安裝品質(zhì)可用望遠鏡在地面上觀察和判斷,極大地降低了工程驗收難度,方便安全。
預絞式防振錘以其良好的防滑防振性能,現(xiàn)已廣泛應用于江蘇、浙江、安徽、山東、河南、甘肅等省輸電線路,抑制微風振動工程。
以甘肅電網(wǎng)為例,受地形、氣候影響,河西地區(qū)750 kV輸電導線微風振動強烈,常有防振錘滑移、導線疲勞斷股等事件發(fā)生,嚴重威脅該地區(qū)輸電線路的安全與穩(wěn)定運行。為此,結合運行實際,采用了新型預絞式防振錘,來抑制微風振動。經(jīng)現(xiàn)場試驗表明,預絞式防振錘不僅能有效抑制微風振動,而且安裝方便,不易滑移,極大地減小了后期維護的工作量。
電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行最重要,預絞式防振錘以其先進的技術水平,獨特的無放電外型設計,錘體無空隙,消除了水及冰的沉積;錘頭間對稱斜度設計,能產(chǎn)生多個共振頻率,有效吸收不同頻率的振動,降低導線疲勞損壞;采用全開口設計,無磁滯及渦流損耗,節(jié)能效果顯著;在施工中采用預絞絲安裝,無需安裝工具,提高工作效率,確保施工安全,避免人為因素影響,徹底解決了長期以來防振錘的滑移問題,工程應用效果顯著。
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