大跨越導線測振及監測技術研究

張喜澤， 張大義， 蔡丹宙， 黃國飛， 韓云武， 馬 瞻， 劉 斌

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

微風振動容易引起架空線路導、地線的線股疲勞斷股，該問題一直威脅著輸電線路的安全運行，尤其在大跨越上。因為檔距大、懸掛點高、水域開闊等特點，使得風輸給導線的振動能量大大增加，導線振動強度遠較普通檔距嚴重。一旦發生疲勞斷股，將給電網安全運行帶來嚴重危害，給國民經濟造成重大損失，通常僅換線工程本身的損失就高達數百萬元，因此大跨越導線的防振工作一直被廣大科研工作者所關注，而建立一套完整的室內測振試驗室與室外現場監測系統就顯得尤為重要。

許多國家在20世紀60年代就開展了導線振動的能量研究，通過測定導線自阻尼和阻尼器功率特性等，來選擇合理的消振方案。CIGRE/IEEE輸配電委員會推薦“導線自阻尼測量導則”和“單導線風振阻尼器特性測量導則”。但是，風激振動是一個非常復雜的理論問題，制約因素非常多，比如掛高、風速、風向、地形、間隔棒及導線振幅、頻率等。因此，大跨越工程中除了要建立室內導線阻尼能量測試系統對導、地線進行室內消振模擬及優選防振方案外，還必須加強線路在架設完畢后進行導、地線風激振動水平的現場測試，以便確認防振措施的有效性及工程的安全性。

本文對大跨越導線的室內測振技術以及室外監測技術進行了詳細的研究。

1 室內測振技術研究

1.1 自阻尼測量

我們采用功率法來測試導線的自阻尼特性(見圖1)。圖1中，1為信號發生器，產生頻率能連續可調的正弦信號;2為功率放大器，供給足夠大的功率以推動激振器3;4為力傳感器，檢測激振器輸給導線11的激振力，并把這個正弦的機械力轉換成正弦的電信號;5為加速度傳感器，檢測該點的運動加速度，并把加速度信號轉換為電信號;力和加速度信號分別經電荷放大器6、7，并歸一化處理后，其輸出的電壓信號就是激振力和加速度的值，加速度電壓信號再經過積分器8積分后變成速度信號;然后再把力和速度信號同時輸入功率表9，功率表的輸出就是激振器輸入導線的功率大小;同時，力和加速度信號分別輸入示波器10的x和y軸，調節1的頻率，從示波器中可以確定導線是否處于共振狀態;12為重型夾具;13為水泥阻力墩。

圖1 功率法測量導線自阻尼原理圖

在用功率法測量導線自阻尼時［1］，需要注意以下問題［2］:

(1)用電磁振動臺振動時，它的低頻特性不好，最好采用衰減法來補充;

(2)電磁振動臺的動圈加上夾具的質量較大，會影響振動臺所處的半波長度，表現出局部阻尼的作用;

(3)信號通道之間的相角越小越好，最好為0°;

(4)由于導線自阻尼很小，諧振時速度變化率很大，嚴格穩定在諧振狀態十分困難;

(5)力傳感器和加速度傳感器必須有良好的線性、頻率相應特性及可重復性。

1.2 速度和振幅的測量

導線振動時，加速度傳感器隨著導線作加速運動，將其輸出的感應信號經電荷放大器的歸一化處理后，通過積分器積分，從峰值電壓表讀出該點的振動速度。將該速度值除以振動角頻率即得該點的振幅。

1.3 風能平衡點和輸入風能的確定［3］

大跨越導線風振強度與輸入風能的大小有關，也與導線自阻尼及消振措施性能優劣有關。風能曲線有Diana and Falco曲線、Farquharson曲線和Slethei曲線等，我們對輸入風能曲線的選取進行了計算和分析。

下式為Diana風能曲線擬合成為以相對全振幅(Y/D)為自變數的解析函數:

式中，W/M為單位長度導線所吸收的風的功率:Y為振動的振幅的峰值;D為導線的外徑;f為導線振動的頻率。

日本人提供的Slethei風能曲線的解析表達式，也是相對全振幅的函數為:

式中，V為風速(m/s);CL為風速V的函數。

按照式(1)～式(4)繪制出了Diana曲線與Slethei曲線對比圖(見圖2)。為了安全起見，我們選用Diana風能曲線。將導線自阻尼特性曲線經過坐標變換后，繪制到風能曲線上，得到的兩曲線交點，即為該頻率下的能量平衡點及相應平衡的振幅值，再把交點的位置反算到導線自阻尼特性曲線的坐標系中。安全起見，將功耗值乘以3倍作為以后輸給導線的風能值。

圖2 Diana曲線與Slethei曲線的對比

1.4 應變的測量

消振措施的消振性能優劣是由線夾出口、花邊出口和防震錘夾頭出口處導線上的動彎應變來確定。對于具體某點的應變的測量方法如下:

A、B、C、D表示貼在導線外層股線的四片等值應變片(見圖3)，其連接線路圖見圖4，信號源1將1 kHz的信號輸入應變片橋中，輸出信號再經過相敏檢波放大器2，濾去了1 kHz的信號，在動態電阻應變儀3中記錄振動頻率一致的應變信號。測到的是某一個諧振頻率下的某一個特定振幅的應變值。

2 室外監測技術研究

2.1 現有監測產品的調研

對于現場監測技術，研究人員詳細研究了加拿大生產的PAVICA型輸電線路測振儀(見圖5)。該產品是國內目前現場監測的唯一解決方案，其特點是自動化程度高，可編程，安裝方便，測試結果可以直接從屏幕讀出，也可以很好地和計算機進行數據通信。它記錄的數據是被測點的振幅，根據被測點振幅和應變的關系，確定該點的可允許振幅的范圍，若有數據超出該范圍，則判斷導線消振效果不佳。導線的振動與風速有關，根據氣象局提供的當地氣象條件，選擇風速比較穩定，且風向最好與導線相垂直，溫度變化小的季節進行現場測試?，F場測試時，選擇線夾出口處和防振錘夾頭處的振幅，或者根據用戶提供的要求，選擇被測點。該儀器可以用來驗證現場消振方案的有效性，功能的可擴展性不強。

圖3 應變片安裝位置

圖4 應變片橋連接方法

圖5 PAVICA型輸電線路測振儀

2.2 現場測振方案的自行開發設計

項目組走訪了多家單位，受訪用戶更希望能夠長期、實時監測導線的振動情況。例如，已有部分電力公司正在籌劃建立省網下的電力監控中心，以期對重點線路進行實時監控，振動監控也包含在內。

由于PAVICA測振儀是采用蓄電池供電的結構，用定時開啟的工作方式達到省電的效果，無法進行長期實時監測;其采集數據存儲在自身的存儲器內，只能在驗證期結束后才能得到，無法實時地反映導線的振動情況。因此，該儀器不能適應上述需求。同時，其他滿足要求的產品也未被發現。因此，研究人員結合國內電力用戶的需求自行開發能夠長期、實時監測導線振動情況的現場監測儀。

在高壓隔離的條件下實現長期供電有多種可供選擇的方案，加上低功耗無線傳輸技術的發展，完全可以結合國外儀器的特點，自行開發可長期實時監測的測振系統。

(1)高壓條件下的供電方案

目前針對架空導線的監測產品，多是采用太陽能供電。此類產品的特點是功耗小、重量輕、結構簡單，還沒有用于導線振動測量。太陽能供電的最大缺點是受天氣條件制約，無法完成諸如長期無日照條件的測量，也決定了其輸出功率必須在蓄電池容量和天氣條件下做出取舍。所以單純地采用太陽能供電的方式不是特別理想。而架空線本身就是用于不間斷傳輸電能的載體，可從中取出一部分電量用于導體運行狀況監測。此外，風能供電也是最近流行起來的技術，盡管受到天氣影響，卻可以為持續供電提供額外的保障。

綜上所述，可確定該產品將采用多種供電方案相結合或擇優選擇的方式，力爭使供電系統的輸出功率高于監控儀器的消耗功率，同時努力實現儀器的微消耗，確保長期供電。所需的配套電路可借鑒現有便攜式設備充電系統的設計，如手機充電器。

(2)高壓條件下的測量方案

在解決了供電問題之后，只要在重量允許的情況下，就可以加載更多功能模塊。

架空線振動測量的基礎理論由IEEE委員會在1965年給出［4］，該標準采用測量彎曲幅度的物理量，并且可以推算出導線端部兩個被測點的相對位移，以反映出整根導線的振動狀況。PAVICA測振儀正是采用了這種測量標準。

經過對PAVICA測振儀研究并結合現有傳感器知識可得出，在線振動測量應采用機械傳動裝置結合壓電晶體組成的傳感器將振動信號轉變為電壓信號，再經過采集電路濾波，轉換為數字信號進行后續處理，處理結果采用無線傳輸方式傳遞至低壓端，再進行調配。其中，機械部分的重量占據了很大比重，在選材、精加工方面都需慎重考慮。國內傳感器生產廠家的產品多是針對直接位移測量，盡管其精度和測量范圍都可滿足要求，而針對兩點相對位移的傳感器還未出現，需要額外改造或是直接定做。

現有的無線傳輸方式已經是非常成熟的技術，有很多解決方案可供選擇。其產品重量輕、集成度高，工作在射頻范圍之內，抗干擾能力極強。無線傳輸可以徹底解決高低壓隔離的問題，在解決了供電問題之后，便可以實現任意距離的無線傳輸。

無線模塊同傳感器的對接電路是需要額外開發的部分，這部分電路的作用是接收傳感器輸出的微伏量級信號，并放大為模數轉換芯片可分辨的信號，在確保低干擾的情況下將信號傳遞給無線模塊進行傳輸。該部分工作具有一定難度。

實現方案概括:借鑒IEEE標準，采用機械傳感器裝置配套相應處理電路，以無線方式傳輸數據。

3 結束語

本文根據 IEC TC7［5］、CIGRE/IEEE 推薦的自阻尼測試方法以及IEEE給出的架空線振動測量的基礎理論，結合風激振動的特點以及大量的基礎性試驗研究，并走訪了國內大量的電力系統用戶，提出了切實可行的室內消振試驗方案和適用于國內市場需求的現場監測儀器。

［1］蔡丹宙.架空導線自阻尼性能測量的數學分析［J］.電線電纜，1982(6):12-17.

［2］蔡丹宙.激振載荷導線的一些問題［J］.中國電機工程學報，1985，5(2):48-54.

［3］Diana G，Falco M.On the transmitted to a vibrating cylinder by a blowing fluid(Experimental Study and analysis of the Phenomenon)［J］.Meccanica，n.l(Vol.Vl)，1971.

［4］IEEE Committee Report.Standardization of conductor vibration measurements［R］.IEEE Trans.Paper，Vol.PAS-85，No.1，1966.

［5］CIGRE SC B2WG25 Task Force self-damping Draft，Overhead line.Methods for laboratory measurement of conductor self-damping［R］.Notes for the future IEC Standard 62567 Ed.1.0.