輸電線路防振錘抑振性能淺析

周志斌

（江西省電力公司 檢修分公司，江西 南昌 330043）

0 引言

據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)500kV以上的輸電線路總長(zhǎng)度已經(jīng)超過(guò)了50000km，要是算上110kV在內(nèi)的，我國(guó)輸電線路總長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)了500000km。由于高壓、特高壓輸電工程所采用的輸電線與一般線路有所不同，具有截面大和懸掛點(diǎn)高的特點(diǎn)，并且檔距相應(yīng)增大，所以在風(fēng)作用下輸電線振動(dòng)得更加嚴(yán)重。線路防振也顯得特別重要，面對(duì)形形色色的防振金具，防振錘是使用頻率最多的，所以研究防振錘的防振性能尤為重要。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究動(dòng)態(tài)

自從發(fā)現(xiàn)了微風(fēng)振動(dòng)對(duì)導(dǎo)地線的危害現(xiàn)象以來(lái)，國(guó)外學(xué)者就提出用消振裝置來(lái)保護(hù)導(dǎo)線。到目前為止，線路上使用的防振錘種類已有幾十種，而今仍被廣泛應(yīng)用的防振錘是卻是1950年研制的“Stock bridge”防振錘。歐美國(guó)家對(duì)線路防振方面做了大量的研究工作，例如澳大利亞、加拿大、意大利、美國(guó)、德國(guó)等。這些國(guó)家在此領(lǐng)域的研究很具有參考性和代表性，值得借鑒和參考。

最早使用的防振器是由澳大利亞的ErnestBate發(fā)明的，這種防振器被稱為BATE或BRETELLE防振器如圖1所示。BATE防振器在結(jié)構(gòu)上由一段與導(dǎo)線規(guī)格相同的導(dǎo)線，兩端跨過(guò)懸垂線夾，形成一定的弧垂值，端部用輕型線夾與導(dǎo)線固定。1926年，Stockbridge防振錘（如圖2所示）由Monroe和TemPlin發(fā)明。二人對(duì)此防振錘進(jìn)行改進(jìn)以使其獲得兩個(gè)響應(yīng)頻帶，這種新型防振錘稱為M&T型stockbridge防振錘，它提供了頻率峰值大約為7Hz和12Hz的兩個(gè)自由度。1952年澳大利亞Homebush-tallawarra的132kv的輸電線路上使用了一種扭式防振錘。其外形如啞鈴狀，由兩頭的鑄鐵垂頭，中間的固定線夾組成。一般安裝在導(dǎo)線的側(cè)向，其形狀如圖3所示。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，該防振錘由于對(duì)大多數(shù)頻率產(chǎn)生的響應(yīng)頻率不高，所以影響了其進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用。

圖1 BRETELLE防振錘

圖2 M&T型stockbridge防振錘

圖3 扭式防振錘

圖4 ES-2防振錘

20世紀(jì)60年代一種叫做ES-2型的防振錘其針對(duì)Stockbridge防振錘連接點(diǎn)處導(dǎo)線疲勞磨損進(jìn)行改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)如圖4。這種改進(jìn)主要是以帶有一層橡膠墊的與絞線代替以前的線夾改善防振錘固定線夾的結(jié)構(gòu)。其很好的防止了此處導(dǎo)線發(fā)生疲勞斷股現(xiàn)象。

20世紀(jì)80年代左右，Dulmison發(fā)明了變節(jié)距防振錘——Dulmison防振錘（如圖5），這是在ES-2型防振錘的基礎(chǔ)改進(jìn)的專利產(chǎn)品。它相當(dāng)于在于ES-2型防振錘兩端的垂頭上各增加一個(gè)附加環(huán)頭。這種防振錘的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)線路上出現(xiàn)的危險(xiǎn)頻率范圍來(lái)調(diào)換環(huán)頭的位置，這樣可以最大范圍的消振，使消振效果到達(dá)更佳。

圖5 改進(jìn)后ES-2防振錘

隨著計(jì)算機(jī)編程及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，現(xiàn)在國(guó)外的防振金具發(fā)展出現(xiàn)多樣化和創(chuàng)新化，其中防振錘設(shè)計(jì)思想也日益更具有創(chuàng)新性，從結(jié)構(gòu)到性能都有較快發(fā)展，一些多共振頻響特性的防振錘歐美等諸多國(guó)家都已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)。

1.2 國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)

我國(guó)多在線路上使用防振錘、護(hù)線條等防振防護(hù)金具降低微風(fēng)振動(dòng)帶來(lái)的影響。其中防振錘的應(yīng)用已起到了明顯的防振效果，防振錘的性能試驗(yàn)以及應(yīng)用等方面也積累了很多資料。但總的來(lái)說(shuō)，由于我國(guó)在防振動(dòng)力特性反面還處在一個(gè)剛剛起步的階段，對(duì)相關(guān)的研究還沒(méi)有深入展開(kāi)，新型防振器的設(shè)計(jì)方面也一直處于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段，缺少系統(tǒng)且有效的理論分析，相應(yīng)軟件的建模和計(jì)算也在探索中進(jìn)行。

目前我國(guó)尚未對(duì)防振金具提較詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，所以有些防振錘即使型號(hào)形同、外觀相同但由于生產(chǎn)廠家的不同工藝標(biāo)準(zhǔn)不同，其在同樣的測(cè)試條件下也會(huì)有不同的測(cè)試結(jié)果，其性能特性存在較大的差異。

2 導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)的機(jī)理

2.1 風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的作用

導(dǎo)地線的振動(dòng)是由風(fēng)的激勵(lì)引起的，通常借助于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)來(lái)分析其產(chǎn)生的機(jī)理，也就是一個(gè)兩端剛性固定的圓柱體水平放在風(fēng)洞的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)速度為且垂直于圓柱體軸線方向的風(fēng)作用在該圓柱體上時(shí)，將會(huì)在其背后形成漩渦，也就是“卡爾曼漩渦”，如圖6所示。這種漩渦上下交替產(chǎn)生并且不斷離開(kāi)圓柱體逐漸消失，就形成了一種上下交替的力。

圖6 卡爾曼漩渦

卡爾曼和司脫羅哈通過(guò)研究旋渦的特性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)漩渦有比較穩(wěn)定的頻率，所產(chǎn)生的交變力頻率與圓柱體直徑和風(fēng)速存在一定關(guān)系：

式中，fs為漩渦出現(xiàn)時(shí)的頻率(Hz)；Vs為與圓柱體雷諾數(shù)有關(guān)的司脫羅哈風(fēng)速(m/s)；D為實(shí)驗(yàn)中圓柱體的直徑(mm)；S為司脫羅哈數(shù)，一般S的取值范圍為185至210之間。

2.2 同步（鎖定）效應(yīng)

當(dāng)橫向的均勻風(fēng)速作用在固有頻率為f0的圓柱體上時(shí)，一旦風(fēng)的沖擊頻率fs與圓柱體自身固有頻率f0相等，就會(huì)引起諧振，并且使圓柱體上所受的沖擊力變大，從而使圓柱體的振動(dòng)振幅變大。當(dāng)圓柱體開(kāi)始以f0=fs的頻率發(fā)生振動(dòng)后，則其背風(fēng)一側(cè)的漩渦頻率也為f0。同時(shí)如果風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化，即風(fēng)速值為fs的±20%，則該圓柱體的振動(dòng)頻率和背風(fēng)側(cè)的漩渦頻率將會(huì)一直保持f0，即為“同步效應(yīng)”或者被稱為“鎖定效應(yīng)”。

3 存在的問(wèn)題

雖然我國(guó)很多學(xué)者對(duì)輸電線微風(fēng)振動(dòng)的研究越來(lái)越深入，也給輸電線路的防振提供了一定參考，而且在線路實(shí)際運(yùn)行中也安裝了防振錘，但是防振錘錘頭脫落、防振錘鋼絞線彎曲嚴(yán)重和導(dǎo)地線斷股等微風(fēng)振動(dòng)引起的危害線路運(yùn)行安全的現(xiàn)象依然存在，如圖7所示。傳統(tǒng)防振錘采用重錘、鋼絞線、線夾等結(jié)構(gòu)組成，在較長(zhǎng)時(shí)間的微風(fēng)振動(dòng)過(guò)程中鋼絞線和重錘連接處容易出現(xiàn)疲勞斷股導(dǎo)致防振錘損壞。如何采取有效的防振措施使特高壓導(dǎo)、地線的振動(dòng)降低至安全范圍以內(nèi)，迫切需要進(jìn)行深入的研究。

圖7 疲勞斷股

這些現(xiàn)象與防振錘質(zhì)量、生產(chǎn)工藝等有一定關(guān)系，但更重要的問(wèn)題是需要去認(rèn)識(shí)防振錘的動(dòng)態(tài)特性及其和導(dǎo)線的特性阻抗之間的配合關(guān)系，同時(shí)也要考慮防振錘自身因?yàn)殚L(zhǎng)期振動(dòng)而造成的損壞問(wèn)題。

4 新型防振錘設(shè)想的提出

4.1 新模型

筆者結(jié)合運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，又查找了相關(guān)國(guó)外資料，認(rèn)為橡膠是較理想的減振材料，對(duì)振動(dòng)有阻礙作用，橡膠幾乎可被拉伸到破裂而不失去其彈性具有很大的柔韌性，并能承受交變應(yīng)力而不易出現(xiàn)疲勞，對(duì)振動(dòng)有阻尼作用的特性，橡膠和水一樣，幾乎不可壓縮，受壓后僅產(chǎn)生彈性變形，但其體積不變。彈簧對(duì)于沖擊載荷、振動(dòng)載荷有很好的緩沖性能。如果將彈簧、阻尼橡膠、配重板組合連接起來(lái)肯定能夠迅速衰減振動(dòng)能量，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線的減振、防舞功能。

查閱了相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和資料后，作者提出了初步的結(jié)構(gòu)圖。其結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。這種阻尼彈簧防振錘由重錘和鋼絞線組成。

圖8 阻尼彈簧防振錘結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 下一步工作

4.2.1 模型建立

對(duì)阻尼彈簧防振錘的力學(xué)模型簡(jiǎn)化，其簡(jiǎn)化模型為一個(gè)阻尼彈簧和一個(gè)重球的組合，如圖9所示：

圖9 阻尼彈簧防振錘力學(xué)模型

圖10 阻尼彈簧防振錘ANSYS模型

阻尼彈簧由阻尼彈簧和配重板組成，簡(jiǎn)化其力學(xué)模型為阻尼彈簧與重球的組合。查找了ANSYS軟件之后，可以將阻尼彈簧用阻尼彈簧單元combin14模擬，重球用三維質(zhì)量單元mass21單元模擬。

4.2.2 理論建模對(duì)比及優(yōu)化參數(shù)

利用有限元分析軟件可以建立防振錘和輸電線-防振錘體系模型，如圖10所示，利用索單元模擬輸電線，將輸電線、防振錘磁滯阻尼等效成為粘滯阻尼，將風(fēng)輸入功率等效成為微風(fēng)激勵(lì)力作用于單元節(jié)點(diǎn)模型。按照某一氣象區(qū)進(jìn)行加載并提取位移時(shí)程曲線的相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)提取位移時(shí)程曲線考察防振錘懸掛點(diǎn)的動(dòng)彎應(yīng)變值是否符合規(guī)定，并以振動(dòng)穩(wěn)定后位移大小作為抑振效果好壞的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)提取位移時(shí)程曲線，查看擬定結(jié)構(gòu)參數(shù)的阻尼彈簧防振錘的抑振性能。

接下來(lái)并建立另一型號(hào)防振錘的模型，按照相同的條件進(jìn)行加載，將阻尼彈簧防振錘與該型號(hào)防振錘的抑振效果進(jìn)行對(duì)比。

最后對(duì)阻尼彈簧防振錘的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和驗(yàn)證。選取多組阻尼彈簧防振錘的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以彈簧剛度和配重板重量為自變量，穩(wěn)定后的導(dǎo)線振幅為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)軟件進(jìn)行函數(shù)擬合。并求得最優(yōu)解。驗(yàn)證最優(yōu)解的合理性。

4.2.3 制作實(shí)物進(jìn)行真型試驗(yàn)

理論的數(shù)值確定后，按照理論中的參數(shù)制作實(shí)物，在導(dǎo)線振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，將收集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。找出差異原因，進(jìn)一步優(yōu)化。

5 建議及展望

國(guó)內(nèi)對(duì)新型防振金具的研究還只是停留在初步階段，既無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，又無(wú)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)分析軟件對(duì)新型防振金具的參數(shù)進(jìn)行初步分析更是很少有涉及，其實(shí)用性、準(zhǔn)確性有待實(shí)踐的檢驗(yàn)。另外在分析懸索的計(jì)算理論時(shí)，也做了許多和實(shí)際不相符合的假設(shè)。這些假設(shè)對(duì)結(jié)果的影響程度不得而知。

要想真正的在線路上實(shí)踐運(yùn)用，尚應(yīng)對(duì)阻尼彈簧防振錘在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)室模擬導(dǎo)線振動(dòng)的各種運(yùn)行環(huán)境和工況，對(duì)導(dǎo)線的振幅大小實(shí)時(shí)觀測(cè)，測(cè)量多組數(shù)據(jù)，從多方面驗(yàn)證阻尼彈簧防振錘的減振效果，

應(yīng)該承認(rèn)，盡管我國(guó)大量生產(chǎn)和使用防振錘，但在防振理論研究和防振性能研究方面還遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著我國(guó)電力建設(shè)步伐的加快，超高壓、特高壓及眾多大跨越線路對(duì)安全要求的不斷提高。越來(lái)越多的線路設(shè)計(jì)者和國(guó)內(nèi)學(xué)者已充分認(rèn)識(shí)到不能只是一味的地參考其它國(guó)家防振錘的主要尺寸進(jìn)行生產(chǎn)，而應(yīng)該借鑒先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)內(nèi)環(huán)境，研制新型防振金具并對(duì)防振金具的防振特性進(jìn)行深入研究，力求找到適合我國(guó)線路實(shí)際情況的防振金具和防振特性研究方法，在這方面還有許多工作要做。

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