線夾回轉(zhuǎn)式導(dǎo)線阻尼間隔棒防舞機(jī)理與模態(tài)分析

劉連光，趙強(qiáng)，劉自發(fā)，葛江鋒，姚建生，仇堅(jiān)，朱小強(qiáng)

(1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市102206;2.江蘇天南電力器材有限公司，江蘇省如皋市226522)

0 引言

分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒是分裂導(dǎo)線輸電線路的主要防保金具之一，對(duì)子導(dǎo)線起夾持支撐以及防止導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)等作用。利用線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒防御舞動(dòng)是日本首先提出，并進(jìn)行研究、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用［1-4］的。其中，文獻(xiàn)［1］介紹了日本多次發(fā)生的輸電線路冰雪舞動(dòng)災(zāi)害事故，包括2005年12月22日，發(fā)生在日本新潟下越地區(qū)的覆冰事故造成的輸電線路供電中斷，約65萬戶居民受到影響，最長(zhǎng)停電時(shí)間為31 h。文獻(xiàn)［2-4］介紹了日本旭電機(jī)技術(shù)研究中心于1994年在易覆冰的山形縣立川市專門設(shè)立導(dǎo)線覆冰試驗(yàn)線路，對(duì)耐雪環(huán)、偏心錘、相間間隔棒和線夾回轉(zhuǎn)式分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒等裝置的舞動(dòng)防御效果進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明線夾回轉(zhuǎn)式分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒具有較好的覆冰舞動(dòng)防御效果。

針對(duì)超高壓輸電線路分裂導(dǎo)線截面大、架線高、檔距長(zhǎng)等易舞動(dòng)的特點(diǎn)［5-6］，國(guó)內(nèi)廠家也研制了線夾回轉(zhuǎn)式導(dǎo)線阻尼間隔棒。目前，線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒已在安徽、山東、河南等十幾個(gè)省市的輸電線路上大量應(yīng)用。但由于線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的工程應(yīng)用時(shí)間較短，還缺乏科學(xué)、有效的工程試驗(yàn)和理論評(píng)價(jià)檢驗(yàn)，線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的防舞效果和評(píng)價(jià)方法，安裝位置優(yōu)化及應(yīng)用效益等都需要研究。本文根據(jù)輸電導(dǎo)線和間隔棒的物理參數(shù)，研究防舞效果評(píng)價(jià)的理論與方法。

輸電線路導(dǎo)線的舞動(dòng)機(jī)理已有一定的研究成果［7］。其中，Den Hartog 和 O Nigol理論認(rèn)為，導(dǎo)線的不均勻覆冰是舞動(dòng)的重要因素，在同樣地理和氣候條件下，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線更容易舞動(dòng)［7-8］。線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的特點(diǎn)是部分線夾可自由旋轉(zhuǎn)，部分線夾固定不動(dòng)，固定線夾依附在間隔棒本體上，回轉(zhuǎn)線夾開有夾持導(dǎo)線的固定夾持孔，以夾持孔夾持中心線為中心連接在固定線夾上，使夾持的導(dǎo)線在其中能自由振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)幅度范圍為－90°～+90°，固定線夾的情況則相反。

由于電網(wǎng)規(guī)模越來越大，采用線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒改造線路的費(fèi)用很大，線夾回轉(zhuǎn)式導(dǎo)線阻尼間隔棒的防舞效果成了關(guān)注的熱點(diǎn)。研究分裂導(dǎo)線的參數(shù)、舞動(dòng)特性，認(rèn)識(shí)線夾回轉(zhuǎn)式導(dǎo)線阻尼間隔棒的防舞機(jī)理，提出間隔棒抑制舞動(dòng)的評(píng)價(jià)方法是效果、效益評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。

1 線夾回轉(zhuǎn)間隔棒防舞機(jī)理

1.1 防舞機(jī)理

單導(dǎo)線與分裂導(dǎo)線覆冰的差異很大。輸電線路的自身軸線一般是偏心覆冰而面向迎風(fēng)側(cè)的，導(dǎo)線覆冰后質(zhì)量不平衡將會(huì)繞自身軸線扭轉(zhuǎn)，覆冰導(dǎo)線在不斷扭轉(zhuǎn)、不斷覆冰的過程中橫截面形狀變得均勻，起到了抑制導(dǎo)線舞動(dòng)的效果。分裂導(dǎo)線每隔一段距離就有間隔棒將子導(dǎo)線固定起來，使子導(dǎo)線在間隔棒附近無法實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)由于固定式的連接，增大了長(zhǎng)度更短的次檔距導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)剛度。次檔距的子導(dǎo)線需要更大的靜扭矩才能扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)線很難產(chǎn)生繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)。分裂導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)系數(shù)比單導(dǎo)線大很多［9］，不均勻覆冰情況更為嚴(yán)重，因此分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線更易舞動(dòng)。四分裂導(dǎo)線間隔棒和六分裂導(dǎo)線間隔棒實(shí)物如圖1所示。

圖1 線夾回轉(zhuǎn)式分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒Fig.1 Rotary clamp spacer-damper of bundled conductor

線夾回轉(zhuǎn)式間隔棒的舞動(dòng)防御原理如圖2所示，可旋轉(zhuǎn)線夾是防御舞動(dòng)的關(guān)鍵所在。用間隔棒固定子導(dǎo)線時(shí)，使一半數(shù)量的子導(dǎo)線能在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，即便是在發(fā)生覆冰的情況下導(dǎo)線也能利用覆冰、積雪偏心質(zhì)量扭轉(zhuǎn)，通過繞自身軸線扭轉(zhuǎn)而形成均勻的圓形覆冰。從而達(dá)到抑制導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)的目的。

圖2 線夾回轉(zhuǎn)式導(dǎo)線阻尼間隔棒的舞動(dòng)防御原理Fig.2 Anti-galloping principle of rotary clamp conductor spacer-damper

1.2 機(jī)理驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述防舞機(jī)理，即回轉(zhuǎn)線夾對(duì)導(dǎo)線自身扭轉(zhuǎn)的釋放作用，可對(duì)導(dǎo)線偏心覆冰后自身的扭轉(zhuǎn)性質(zhì)進(jìn)行研究。先假設(shè)初始覆冰角為0°，線路覆冰密度為900 kg/m3，導(dǎo)線參數(shù)及間隔棒分布見表1和表2［10］。然后通過改變初始覆冰厚度，比較偏心覆冰作用下回轉(zhuǎn)線夾和固定線夾子導(dǎo)線的自身扭轉(zhuǎn)情況。

表1 導(dǎo)線計(jì)算模型參數(shù)Tab.1 Computational model parameters of conductor

表2 導(dǎo)線間隔棒布置情況Tab.2 Arrangement of conductor spacers

在同一分裂導(dǎo)線上，分別取1根由固定線夾夾持的子導(dǎo)線和1根由可回轉(zhuǎn)線夾夾持的子導(dǎo)線，加載相同的覆冰扭矩作用，然后計(jì)算2根子導(dǎo)線繞自身軸線的扭轉(zhuǎn)變化情況。圖3為在初始覆冰厚度為10 mm的情況下，沿檔長(zhǎng)的2根子導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)角分布情況。隨偏心覆冰厚度(5～25 mm)的增加，2根子導(dǎo)線在檔距中點(diǎn)附近扭轉(zhuǎn)角的變化如圖4所示。

圖3 10 mm初始覆冰厚度子導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)情況Fig.3 Twisting of sub-conductor when initial ice thickness is 10 mm

圖4 子導(dǎo)線覆冰厚度與扭轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of conductor icing thickness and torsion angle

由圖3、圖4可以看出，導(dǎo)線覆冰扭矩隨著冰層厚度的增加而增大，由檔中的位置可知，子導(dǎo)線在固定線夾作用下的扭轉(zhuǎn)角的變化率小于使用可旋轉(zhuǎn)線夾導(dǎo)線的變化率。扭矩的增大對(duì)使用回轉(zhuǎn)線夾的導(dǎo)線影響大，對(duì)使用固定線夾的導(dǎo)線影響小，即使用回轉(zhuǎn)線夾的導(dǎo)線容易形成均勻覆冰，減小舞動(dòng)的可能性。

2 導(dǎo)線間隔棒體系三維模型

2.1 導(dǎo)線模型

輸電導(dǎo)線是細(xì)而長(zhǎng)的柔性體，不能受壓但可以受拉。分裂導(dǎo)線實(shí)際上是由間隔棒與多子導(dǎo)線組成的索梁［11］，采用有限元討論舞動(dòng)問題時(shí)，可將其作為連續(xù)振動(dòng)系統(tǒng)、單自由度系統(tǒng)或多自由度系統(tǒng)處理。研究舞動(dòng)振型時(shí)多使用連續(xù)系統(tǒng)。本文利用ANSYS Workbench軟件分析四分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)振型問題，因此采用圖5所示的四分裂導(dǎo)線三維連續(xù)系統(tǒng)模型，導(dǎo)線三維模型的建立基于如下假設(shè)［11］:

(1)輸電桿塔及間隔棒呈剛性;

(2)輸電導(dǎo)線的垂跨比數(shù)值很小;

(3)沿跨度方向的線路阻尼不予考慮;

(4)將導(dǎo)線和相鄰桿塔簡(jiǎn)化為沿軸線方向的彈簧。

圖5 四分裂導(dǎo)線模型Fig.5 Model of four-bundled conductors

2.2 導(dǎo)線阻尼間隔棒體系有限元模型

基于上述假設(shè)，在建模軟件CATIA中，可建立間隔棒模型和導(dǎo)線阻尼間隔棒體系模型。本文仿真采用的導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ—240/30，導(dǎo)線參數(shù)見表3。將CATIA建立的導(dǎo)線阻尼間隔棒體系模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元軟件，可以得到導(dǎo)線阻尼間隔棒體系有限元模型。

考慮導(dǎo)線同時(shí)受軸向拉力、橫向升力和阻力的影響，取2 m劃分網(wǎng)格，在導(dǎo)線中點(diǎn)與軸線相垂直平面取80 cm×120 cm的計(jì)算區(qū)域，并在該區(qū)域?qū)Ь€表面做局部加密以增加計(jì)算的精度。由于輸電線路呈細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，采用極坐標(biāo)非結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格和在導(dǎo)線邊界區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)約為18萬個(gè)。

表3 導(dǎo)線的物理參數(shù)Tab.3 Physical parameters of conductor

3 導(dǎo)線阻尼間隔棒體系模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析過程

通過對(duì)有限元模型的模態(tài)分析，認(rèn)識(shí)覆冰導(dǎo)線的動(dòng)力特性，得到模態(tài)振型和固有頻率，根據(jù)固有頻率和振型給出舞動(dòng)起決定作用的模態(tài)階數(shù)，分析結(jié)果可為后續(xù)數(shù)值模擬仿真以及導(dǎo)線間隔棒的防舞布置提供理論依據(jù)。模態(tài)分析的求解過程如圖6所示。

圖6 模態(tài)分析步驟Fig.6 Procedure of modal analysis

3.2 模態(tài)仿真結(jié)果

導(dǎo)線模態(tài)決定導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)特性與材料特性，與外載荷無關(guān)。根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定的邊界約束條件為:檔距端點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度約束。ANSYS仿真選用Subspace法的廣義Jacobi迭代算法。通過仿真計(jì)算，可得到導(dǎo)線阻尼間隔棒體系模型前6階模態(tài)的固有頻率和固有頻率振型圖。固有頻率見表4，其中6階固有頻率的振型圖如圖7所示。

表4 前6階模態(tài)固有頻率Tab.4 Natural frequencies of the first six modal orders

圖7 6階固有頻率振型圖Fig.7 Vibration mode graph of the sixth order natural frequency

通過固有頻率和振型圖仿真計(jì)算可得到表5的分析結(jié)果。從表5可看出，導(dǎo)線的第1階和第3階、第5階振型主要在xz平面內(nèi)擺動(dòng)，即順風(fēng)向舞動(dòng)，分別為1個(gè)半波和2個(gè)半波;第2階和第4階、第6階陣型主要在yz平面內(nèi)擺動(dòng)，即橫風(fēng)向舞動(dòng)，分別為1個(gè)半波和2個(gè)半波。

表5 振型分析結(jié)果Tab.5 Analysis results of vibration mode

前4階振型與理論分析相吻合，第5階、第6階振型理論上應(yīng)為3個(gè)半波，但受導(dǎo)線中部間隔棒的約束，而實(shí)際振型僅為2個(gè)半波?？紤]到由于ANSYS仿真結(jié)果中缺少扭轉(zhuǎn)振型，因此上述分析結(jié)果可以驗(yàn)證如今普遍認(rèn)同的輸電導(dǎo)線舞動(dòng)形態(tài)以半波舞動(dòng)為主要振型的結(jié)論［12-13］。此外，在振型波腹位置，導(dǎo)線振幅較大，應(yīng)考慮在此處加裝防舞器，能起到更好的防舞效果。

4 結(jié)論

(1)本文防舞原理分析和機(jī)理驗(yàn)證結(jié)果表明，可旋轉(zhuǎn)線夾能部分地或全部地取消檔距內(nèi)線夾對(duì)子導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)約束，從而使得導(dǎo)線覆冰的不均勻程度得到消除或減輕，達(dá)到一定的防御舞動(dòng)的目的。

(2)分裂導(dǎo)線是由間隔棒與多根子導(dǎo)線組成的索梁，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、材料特性和動(dòng)力學(xué)特性極其復(fù)雜。使用ANSYS對(duì)導(dǎo)線間隔棒體系三維建模及模態(tài)分析結(jié)果表明，本文采用的Subspace法是求解導(dǎo)線間隔棒體系結(jié)構(gòu)特性、動(dòng)力學(xué)特性的有效方法，廣義Jacobi迭代算法的模態(tài)仿真精度高，能反映導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)、變形等情況。

(3)導(dǎo)線阻尼間隔棒體系6階模態(tài)的固有頻率和振型分析結(jié)果表明，本文分裂導(dǎo)線阻尼間隔棒體系的6階振型的仿真分析結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合，所采用的分析方法可以用于優(yōu)化間隔棒以及其他防舞器的安裝位置。了解導(dǎo)線阻尼間隔棒體系對(duì)不同類型動(dòng)力荷載的響應(yīng)，確定求解控制參數(shù)，認(rèn)識(shí)導(dǎo)線阻尼間隔棒體系的固有振動(dòng)頻率和振型，有利于提高防舞效果。

［1］小田島.達(dá)彥新潟下越雪害の概要［J］.AEW 技報(bào)第36號(hào)，2007(12):2-5.

［2］三塚洋明，宍戸亮一，武田浩三，等.ルズスペサのギャロッピング抑制効果［J］.AEW 技報(bào)第30號(hào)，2001(12):7-10.

［3］今後の雪害対策のあり方について［C］//原子力安全·保安部會(huì)電力安全小委員會(huì)，2007.

［4］中野純.ギャロッピング現(xiàn)象と対策用ルズスペサについて［J］.AEW 技報(bào)第33號(hào)，2004(12):18-23.

［5］金成生.線夾回轉(zhuǎn)式防舞間隔棒在特高壓輸電線路中的應(yīng)用研究［J］.上海電力，2010(3):205-209.

［6］朱寬軍，劉彬，劉超群，等.特高壓輸電線路防舞動(dòng)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(34):12-20.

［7］郭應(yīng)龍，李國(guó)興，尤傳永.輸電線路舞動(dòng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2003.

［8］Yamaoka M，Hasegawa J.Fundamental characteristics of overhead transmission line galloping determined by simulating calculation using equivalent single-conductor method［J］.Electrical Engineering in Japan，1995，115(7):11-28.

［9］朱寬軍，劉彬.架空輸電線路分裂導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(3):10-18.

［10］朱寬軍，劉彬，劉超群，等.特高壓輸電線路防舞動(dòng)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(34):12-20.

［11］陳曉明.大跨越輸電線舞動(dòng)及其控制研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2002.

［12］王少華.輸電線路覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)及其對(duì)塔線體系力學(xué)特性影響的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

［13］孫珍茂.輸電線路舞動(dòng)分析及防舞技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.