输电线路防振锤抑振性能浅析

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【摘 要】输电线微风振动持续发生会造成导、地线断股，同时输电线使用应力也会降低，所以许多学者对输电线微风振动相关问题和防振策略进行了深入研究。通常大部分导地线需要安装防振锤来抑制导地线振动，从相关运行经验和实验来看效果比较理想，但是还是存在一些问题。本文首先论述了防振锤国内外研究现状和微风振动的机理，接着结合作者自身的运行经验，提出了在结构和材料上改变来提高防振锤抑振性能的新设想，为防振锤进一步深入研究打下了一定基础。

【关键词】输电线路；振动；阻尼弹簧防振锤；参数优化

0 引 言

据有关部门统计，我国500kV以上的输电线路总长度已经超过了50000km，要是算上110kV在内的，我国输电线路总长已经超过了500000km。由于高压、特高压输电工程所采用的输电线与一般线路有所不同，具有截面大和悬挂点高的特点，并且档距相应增大，所以在风作用下输电线振动得更加严重。线路防振也显得特别重要，面对形形的防振金具，防振锤是使用频率最多的，所以研究防振锤的防振性能尤为重要。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究动态

自从发现了微风振动对导地线的危害现象以来，国外学者就提出用消振装置来保护导线。到目前为止，线路上使用的防振锤种类已有几十种，而今仍被广泛应用的防振锤是却是1950年研制的“Stock bridge”防振锤。欧美国家对线路防振方面做了大量的研究工作，例如澳大利亚、加拿大、意大利、美国、德国等。这些国家在此领域的研究很具有参考性和代表性，值得借鉴和参考。

最早使用的防振器是由澳大利亚的ErnestBate发明的，这种防振器被称为BATE或BRETELLE防振器如图1所示。BATE防振器在结构上由一段与导线规格相同的导线，两端跨过悬垂线夹，形成一定的弧垂值，端部用轻型线夹与导线固定。1926年，Stockbridge防振锤（如图2所示）由Monroe和TemPlin发明。二人对此防振锤进行改进以使其获得两个响应频带，这种新型防振锤称为M&T型stockbridge防振锤，它提供了频率峰值大约为7Hz和12Hz的两个自由度。1952年澳大利亚Homebush-tallawarra 的132kv的输电线路上使用了一种扭式防振锤。其外形如哑铃状，由两头的铸铁垂头，中间的固定线夹组成。一般安装在导线的侧向，其形状如图3所示。但在实际应用中发现，该防振锤由于对大多数频率产生的响应频率不高，所以影响了其进一步的推广和应用。

20世纪60年代一种叫做ES-2型的防振锤其针对Stockbridge防振锤连接点处导线疲劳磨损进行改进，其结构如图4。这种改进主要是以带有一层橡胶垫的与绞线代替以前的线夹改善防振锤固定线夹的结构。其很好的防止了此处导线发生疲劳断股现象。

20世纪80年代左右，Dulmison发明了变节距防振锤――Dulmison防振锤（如图5），这是在ES-2型防振锤的基础改进的专利产品。它相当于在于ES-2型防振锤两端的垂头上各增加一个附加环头。这种防振锤的优点在于可以根据线路上出现的危险频率范围来调换环头的位置，这样可以最大范围的消振，使消振效果到达更佳。

图5 改进后ES-2防振锤

随着计算机编程及测试技术的发展和应用，现在国外的防振金具发展出现多样化和创新化，其中防振锤设计思想也日益更具有创新性，从结构到性能都有较快发展，一些多共振频响特性的防振锤欧美等诸多国家都已经开始批量生产。

1.2 国内研究动态

我国多在线路上使用防振锤、护线条等防振防护金具降低微风振动带来的影响。其中防振锤的应用已起到了明显的防振效果，防振锤的性能试验以及应用等方面也积累了很多资料。但总的来说，由于我国在防振动力特性反面还处在一个刚刚起步的阶段，对相关的研究还没有深入展开，新型防振器的设计方面也一直处于经验设计阶段，缺少系统且有效的理论分析，相应软件的建模和计算也在探索中进行。

目前我国尚未对防振金具提较详细的标准，所以有些防振锤即使型号形同、外观相同但由于生产厂家的不同工艺标准不同，其在同样的测试条件下也会有不同的测试结果，其性能特性存在较大的差异。

2 导线微风振动的机理

2.1 风对导线的作用

导地线的振动是由风的激励引起的，通常借助于风洞实验来分析其产生的机理，也就是一个两端刚性固定的圆柱体水平放在风洞的实验中，当速度为且垂直于圆柱体轴线方向的风作用在该圆柱体上时，将会在其背后形成漩涡，也就是“卡尔曼漩涡”，如图6所示。这种漩涡上下交替产生并且不断离开圆柱体逐渐消失，就形成了一种上下交替的力。

图6 卡尔曼漩涡

卡尔曼和司脱罗哈通过研究旋涡的特性发现，当出现振动时漩涡有比较稳定的频率，所产生的交变力频率与圆柱体直径和风速存在一定关系：

f■=S■

式中，f■为漩涡出现时的频率（Hz）；V■为与圆柱体雷诺数有关的司脱罗哈风速（m/s）；D为实验中圆柱体的直径（mm）；S为司脱罗哈数，一般S的取值范围为185至210之间。

2.2 同步（锁定）效应

当横向的均匀风速作用在固有频率为f0的圆柱体上时，一旦风的冲击频率f■与圆柱体自身固有频率f0相等，就会引起谐振，并且使圆柱体上所受的冲击力变大，从而使圆柱体的振动振幅变大。当圆柱体开始以f0=f■的频率发生振动后，则其背风一侧的漩涡频率也为f0。同时如果风速在一定范围内变化，即风速值为f■的±20%，则该圆柱体的振动频率和背风侧的漩涡频率将会一直保持f0，即为“同步效应”或者

被称为“锁定效应”。

3 存在的问题

虽然我国很多学者对输电线微风振动的研究越来越深入，也给输电线路的防振提供了一定参考，而且在线路实际运行中也安装了防振锤，但是防振锤锤头脱落、防振锤钢绞线弯曲严重和导地线断股等微风振动引起的危害线路运行安全的现象依然存在，如图7所示。传统防振锤采用重锤、钢绞线、线夹等结构组成，在较长时间的微风振动过程中钢绞线和重锤连接处容易出现疲劳断股导致防振锤损坏。如何采取有效的防振措施使特高压导、地线的振动降低至安全范围以内，迫切需要进行深入的研究。

图7 疲劳断股

这些现象与防振锤质量、生产工艺等有一定关系，但更重要的问题是需要去认识防振锤的动态特性及其和导线的特性阻抗之间的配合关系，同时也要考虑防振锤自身因为长期振动而造成的损坏问题。

4 新型防振锤设想的提出

4.1 新模型

笔者结合运行经验，又查找了相关国外资料，认为橡胶是较理想的减振材料，对振动有阻碍作用，橡胶几乎可被拉伸到破裂而不失去其弹性具有很大的柔韧性，并能承受交变应力而不易出现疲劳，对振动有阻尼作用的特性，橡胶和水一样，几乎不可压缩，受压后仅产生弹性变形，但其体积不变。弹簧对于冲击载荷、振动载荷有很好的缓冲性能。如果将弹簧、阻尼橡胶、配重板组合连接起来肯定能够迅速衰减振动能量，就能实现对导线的减振、防舞功能。

查阅了相关设计标准和资料后，作者提出了初步的结构图。其结构图如图8所示。这种阻尼弹簧防振锤由重锤和钢绞线组成。

图8 阻尼弹簧防振锤结构示意图

1.导线；2.线夹；3.防振锤；21.线夹主体；22.线夹压盖；23.防滑橡胶垫；

24.自锁螺栓；31.活塞杆；32.定位板；33.阻尼弹簧；34.阻尼橡胶套；

35.筒体；36.配重板；37.排水孔

4.2 下一步工作

4.2.1 模型建立

对阻尼弹簧防振锤的力学模型简化，其简化模型为一个阻尼弹簧和一个重球的组合，如图9所示：

阻尼弹簧由阻尼弹簧和配重板组成，简化其力学模型为阻尼弹簧与重球的组合。查找了ANSYS软件之后，可以将阻尼弹簧用阻尼弹簧单元combin14模拟，重球用三维质量单元mass21单元模拟。

4.2.2 理论建模对比及优化参数

利用有限元分析软件可以建立防振锤和输电线-防振锤体系模型，如图10所示，利用索单元模拟输电线，将输电线、防振锤磁滞阻尼等效成为粘滞阻尼，将风输入功率等效成为微风激励力作用于单元节点模型。按照某一气象区进行加载并提取位移时程曲线的相关内容，通过提取位移时程曲线考察防振锤悬挂点的动弯应变值是否符合规定，并以振动稳定后位移大小作为抑振效果好坏的评判标准，通过提取位移时程曲线，查看拟定结构参数的阻尼弹簧防振锤的抑振性能。

接下来并建立另一型号防振锤的模型，按照相同的条件进行加载，将阻尼弹簧防振锤与该型号防振锤的抑振效果进行对比。

最后对阻尼弹簧防振锤的结构优化和验证。选取多组阻尼弹簧防振锤的结构参数，以弹簧刚度和配重板重量为自变量，稳定后的导线振幅为目标函数，通过软件进行函数拟合。并求得最优解。验证最优解的合理性。

4.2.3 制作实物进行真型试验

理论的数值确定后，按照理论中的参数制作实物，在导线振动台上进行试验，将收集到的试验数据进行对比。找出差异原因，进一步优化。

5 建议及展望

国内对新型防振金具的研究还只是停留在初步阶段，既无相关标准，又无相关运行数据，通过相关分析软件对新型防振金具的参数进行初步分析更是很少有涉及，其实用性、准确性有待实践的检验。另外在分析悬索的计算理论时，也做了许多和实际不相符合的假设。这些假设对结果的影响程度不得而知。

要想真正的在线路上实践运用，尚应对阻尼弹簧防振锤在实验室进行试验研究。在实验室模拟导线振动的各种运行环境和工况，对导线的振幅大小实时观测，测量多组数据，从多方面验证阻尼弹簧防振锤的减振效果，

应该承认，尽管我国大量生产和使用防振锤，但在防振理论研究和防振性能研究方面还远落后于发达国家。随着我国电力建设步伐的加快，超高压、特高压及众多大跨越线路对安全要求的不断提高。越来越多的线路设计者和国内学者已充分认识到不能只是一味的地参考其它国家防振锤的主要尺寸进行生产，而应该借鉴先进的经验，结合我国国内环境，研制新型防振金具并对防振金具的防振特性进行深入研究，力求找到适合我国线路实际情况的防振金具和防振特性研究方法，在这方面还有许多工作要做。

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