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

據有關部門統計，我國500kV以上的輸電線路總長度已經超過了50000km，要是算上110kV在內的，我國輸電線路總長已經超過了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高的特點，并且檔距相應增大，所以在風作用下輸電線振動得更加嚴重。線路防振也顯得特別重要，面對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 國內外研究現狀

1.1 國外研究動態

自從發現了微風振動對導地線的危害現象以來，國外學者就提出用消振裝置來保護導線。到目前為止，線路上使用的防振錘種類已有幾十種，而今仍被廣泛應用的防振錘是卻是1950年研制的“Stock bridge”防振錘。歐美國家對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、德國等。這些國家在此領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防振器在結構上由一段與導線規格相同的導線，兩端跨過懸垂線夾，形成一定的弧垂值，端部用輕型線夾與導線固定。1926年，Stockbridge防振錘（如圖2所示）由Monroe和TemPlin發明。二人對此防振錘進行改進以使其獲得兩個響應頻帶，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。一般安裝在導線的側向，其形狀如圖3所示。但在實際應用中發現，該防振錘由于對大多數頻率產生的響應頻率不高，所以影響了其進一步的推廣和應用。

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60年代一種叫做ES-2型的防振錘其針對Stockbridge防振錘連接點處導線疲勞磨損進行改進，其結構如圖4。這種改進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構。其很好的防止了此處導線發生疲勞斷股現象。

20世紀80年代左右，Dulmison發明了變節距防振錘——Dulmison防振錘（如圖5），這是在ES-2型防振錘的基礎改進的專利產品。它相當于在于ES-2型防振錘兩端的垂頭上各增加一個附加環頭。這種防振錘的優點在于可以根據線路上出現的危險頻率范圍來調換環頭的位置，這樣可以最大范圍的消振，使消振效果到達更佳。

圖5 改進后ES-2防振錘

隨著計算機編程及測試技術的發展和應用，現在國外的防振金具發展出現多樣化和創新化，其中防振錘設計思想也日益更具有創新性，從結構到性能都有較快發展，一些多共振頻響特性的防振錘歐美等諸多國家都已經開始批量生產。

1.2 國內研究動態

我國多在線路上使用防振錘、護線條等防振防護金具降低微風振動帶來的影響。其中防振錘的應用已起到了明顯的防振效果，防振錘的性能試驗以及應用等方面也積累了很多資料。但總的來說，由于我國在防振動力特性反面還處在一個剛剛起步的階段，對相關的研究還沒有深入展開，新型防振器的設計方面也一直處于經驗設計階段，缺少系統且有效的理論分析，相應軟件的建模和計算也在探索中進行。

目前我國尚未對防振金具提較詳細的標準，所以有些防振錘即使型號形同、外觀相同但由于生產廠家的不同工藝標準不同，其在同樣的測試條件下也會有不同的測試結果，其性能特性存在較大的差異。

2 導線微風振動的機理

2.1 風對導線的作用

導地線的振動是由風的激勵引起的，通常借助于風洞實驗來分析其產生的機理，也就是一個兩端剛性固定的圓柱體水平放在風洞的實驗中，當速度為且垂直于圓柱體軸線方向的風作用在該圓柱體上時，將會在其背后形成漩渦，也就是“卡爾曼漩渦”，如圖6所示。這種漩渦上下交替產生并且不斷離開圓柱體逐漸消失，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研究旋渦的特性發現，當出現振動時漩渦有比較穩定的頻率，所產生的交變力頻率與圓柱體直徑和風速存在一定關系：

式中，fs為漩渦出現時的頻率(Hz)；Vs為與圓柱體雷諾數有關的司脫羅哈風速(m/s)；D為實驗中圓柱體的直徑(mm)；S為司脫羅哈數，一般S的取值范圍為185至210之間。

2.2 同步（鎖定）效應

當橫向的均勻風速作用在固有頻率為f0的圓柱體上時，一旦風的沖擊頻率fs與圓柱體自身固有頻率f0相等，就會引起諧振，并且使圓柱體上所受的沖擊力變大，從而使圓柱體的振動振幅變大。當圓柱體開始以f0=fs的頻率發生振動后，則其背風一側的漩渦頻率也為f0。同時如果風速在一定范圍內變化，即風速值為fs的±20%，則該圓柱體的振動頻率和背風側的漩渦頻率將會一直保持f0，即為“同步效應”或者被稱為“鎖定效應”。

3 存在的問題

雖然我國很多學者對輸電線微風振動的研究越來越深入，也給輸電線路的防振提供了一定參考，而且在線路實際運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重和導地線斷股等微風振動引起的危害線路運行安全的現象依然存在，如圖7所示。傳統防振錘采用重錘、鋼絞線、線夾等結構組成，在較長時間的微風振動過程中鋼絞線和重錘連接處容易出現疲勞斷股導致防振錘損壞。如何采取有效的防振措施使特高壓導、地線的振動降低至安全范圍以內，迫切需要進行深入的研究。

圖7 疲勞斷股

這些現象與防振錘質量、生產工藝等有一定關系，但更重要的問題是需要去認識防振錘的動態特性及其和導線的特性阻抗之間的配合關系，同時也要考慮防振錘自身因為長期振動而造成的損壞問題。

4 新型防振錘設想的提出

4.1 新模型

筆者結合運行經驗，又查找了相關國外資料，認為橡膠是較理想的減振材料，對振動有阻礙作用，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，并能承受交變應力而不易出現疲勞，對振動有阻尼作用的特性，橡膠和水一樣，幾乎不可壓縮，受壓后僅產生彈性變形，但其體積不變。彈簧對于沖擊載荷、振動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肯定能夠迅速衰減振動能量，就能實現對導線的減振、防舞功能。

查閱了相關設計標準和資料后，作者提出了初步的結構圖。其結構圖如圖8所示。這種阻尼彈簧防振錘由重錘和鋼絞線組成。

圖8 阻尼彈簧防振錘結構示意圖

4.2 下一步工作

4.2.1 模型建立

對阻尼彈簧防振錘的力學模型簡化，其簡化模型為一個阻尼彈簧和一個重球的組合，如圖9所示：

圖9 阻尼彈簧防振錘力學模型

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，簡化其力學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，重球用三維質量單元mass21單元模擬。

4.2.2 理論建模對比及優化參數

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，將風輸入功率等效成為微風激勵力作用于單元節點模型。按照某一氣象區進行加載并提取位移時程曲線的相關內容，通過提取位移時程曲線考察防振錘懸掛點的動彎應變值是否符合規定，并以振動穩定后位移大小作為抑振效果好壞的評判標準，通過提取位移時程曲線，查看擬定結構參數的阻尼彈簧防振錘的抑振性能。

接下來并建立另一型號防振錘的模型，按照相同的條件進行加載，將阻尼彈簧防振錘與該型號防振錘的抑振效果進行對比。

最后對阻尼彈簧防振錘的結構優化和驗證。選取多組阻尼彈簧防振錘的結構參數，以彈簧剛度和配重板重量為自變量，穩定后的導線振幅為目標函數，通過軟件進行函數擬合。并求得最優解。驗證最優解的合理性。

4.2.3 制作實物進行真型試驗

理論的數值確定后，按照理論中的參數制作實物，在導線振動臺上進行試驗，將收集到的試驗數據進行對比。找出差異原因，進一步優化。

5 建議及展望

國內對新型防振金具的研究還只是停留在初步階段，既無相關標準，又無相關運行數據，通過相關分析軟件對新型防振金具的參數進行初步分析更是很少有涉及，其實用性、準確性有待實踐的檢驗。另外在分析懸索的計算理論時，也做了許多和實際不相符合的假設。這些假設對結果的影響程度不得而知。

要想真正的在線路上實踐運用，尚應對阻尼彈簧防振錘在實驗室進行試驗研究。在實驗室模擬導線振動的各種運行環境和工況，對導線的振幅大小實時觀測，測量多組數據，從多方面驗證阻尼彈簧防振錘的減振效果，

應該承認，盡管我國大量生產和使用防振錘，但在防振理論研究和防振性能研究方面還遠落后于發達國家。隨著我國電力建設步伐的加快，超高壓、特高壓及眾多大跨越線路對安全要求的不斷提高。越來越多的線路設計者和國內學者已充分認識到不能只是一味的地參考其它國家防振錘的主要尺寸進行生產，而應該借鑒先進的經驗，結合我國國內環境，研制新型防振金具并對防振金具的防振特性進行深入研究，力求找到適合我國線路實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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