（机械设计及理论专业论文）架空输电线用电磁防振锤的初步研究.pdf

i 广西大掣颅士学位论文 架置：鞭r 电线用电磁防， l 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 敝储撇。中时 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 7 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) ：常彳叠翩签名教 年 ，月，口日 ， 、专-r +轧期 架空输电线用电磁防拥l 锤的初步研究 架空输电线用 电磁防振锤的初步研究 摘要 本文在总结导线微风振动研究现状下，针对当前现有防振装置的不足， 开展了新型电磁防振锤的初步研究。 本文对电磁防振锤的理论研究结合了数学、力学和电学三方面的知识。 力学和电学是建立模型的理论基础，数学是处理模型的方法和手段，其中 对傅立叶级数的充分利用是本文研究得以开展的基础。理论研究完成后， 本文的最后一章提出了电磁防振锤设计较为完整的设计过程和步骤。 。本文做了以下具体工作： 71 分析传统机械式防振锤的工作原理，并找出其明显的缺陷； 厂2 建立并求解电磁式防振锤锤头的动力学方程及电路方程，求解用重 锤的质量、弹簧刚度、框的尺寸、电路参数、励磁磁场的磁感强度及微风 振动产生的激励等参数表达的电路平均功率表达式； 3 对电磁防振锤的各个参数进行了优化，使得其防振效果变佳。 本文对于电磁防振锤的设计立足于初步研究，只是涉及到其基本理论 和简单优化，电磁防振锤作为一个新型的工程技术装置，要运用于实践， 还有大量的工作要做。 关键词：架空输电线路微风振动电磁防振锤初步研究 n ， 1 广西大掌硕士学位论文 架空输电线用电磁防振锤的初步研究 i n i t i a ls t u d yo fe l e c t r o m a g n e t i s md a m p e r o n o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e a b s t r a c t b a s e do nt h es t a t e - o f - t h e - a r to ft h ea e o l i a nv i b r a t i o no fw i r e ，c o n s i d e r i n g t h el o w e re f f i c i e n c yo ft h ee x i s t i n ga n t i - v i b r a t i o nd e v i c e s ，t h ei n i t i a lt h e o r i e so f t h ee l e c t r o m a g n e t i s md a m p e rw e r ep e r f o r m e di nt h i sp a p e r t h i sa r t i c l e a d a p t st h ek n o w l e d g eo fm a t h ，d y n a m i c s ，a n de l e c t r i c i t y s t u d y i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i s md a m p e r d y n a m i c sa n de l e c t r i c i t y a r et h e t h e o r e t i c a lp r i n c i p l et om o d e lb u i l d i n g ，a n dm a t hi st h em e a no fs o l v i n gt h e m o d e l ，h o w e v e r , i ti st h ef o u n d a t i o nt ot h i ss t u d y i n gt h a tt h i sa r t i c l ea p p l i e st h e t h e o r yo ff o u r i e rs e r i e sw e l l i nt h el a s tc h a p t e ro f t h i sa r t i c l e ，t h ei n t e g r a ls t e p o ft h ee l e c t r o m a g n e t i s md a m p e rd e s i g n i n gi sp u tf o r w a r da r e rt h et h e o r y s t u d y i n g i nt h i sp a p e r , t h es p e c i f i ct a s k si sd o i n g ： 1 b a s e do na n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em e c h a n i c a ld a m p e r , f i n d o u ti t so b v i o u sf l a w ； 2 e s t a b l i s h i n ga n ds o l v i n gt h ec i r c u i te q u a t i o n sa n dk i n e t i ce q u a t i o no f t h e e l e c t r o m a g n e t i s md a m p e r e s t a b l i s h i n gt h em e a np o w e re x p r e s s i o no f t h ec i r c u i t b ys o m ep a r a m e t e r si n c l u d et h ew e i g h t ，s p r i n gs t i f f n e s s ，l i n eb o u n d a r ys i z e ， c i r c u i tp a r a m e t e r , i n t e n s i t yo fe l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o n ； 3 o p t i m i z i n gt h ep a r a m e t e r so fe l e c t r o m a g n e t i s md a m p e rt o m a k et h e e f f i c i e n c yb e t t e r t h es t u d y i n go fe l e c t r o m a g n e t i s md a m p e ri nt h i sa r t i c l ei se s t a b l i s h e di n p i l o ts t u d y , i ti n v o l v e sb a s i c a l l yt h e o r ya n ds i m p l eo p t i m i z a t i o n a s an e w e q u i p m e n to ft h eh a r dt e c h n o l o g y , i t h a sm o r e t h i n g s t od ob e f o r et h e n i ，一r ? ， p t 广西大掌硕士掌位论文 架空输电线用电磁防振锤的初步研完 e l e c t r o m a g n e t i s md a m p e ri sa p p l i e d t op r a c t i c e k e yw o r d s ：o v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e a e o l i a nv i b r a t i o n e l e c t r o m a g n e t i s md a m p e r p i l o ts t u d y i v 丫0，嘎 2 f j 1 架空输电线用电磁防振锤的初步研究 目录 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 导线微风振动3 1 2 1 产生机理3 1 2 2 基本特点5 1 2 3 断股5 1 2 4 常用消振装置6 1 2 5 风振危害实例6 1 3 传统机械防振锤8 1 4 电磁防振锤1 0 1 4 1 结构及工作原理1 0 1 4 2 研究内容1 1 1 4 3 拟用研究方法1 2 第二章电磁防振锤振动模型1 3 2 1 机械振动1 3 2 1 1 建立质量块的振动模型1 3 2 1 2 求解振动方程1 4 2 2 电磁感应1 6 第三章电磁防振锤电路模型计算2 0 3 1 电动势的傅立叶变换2 0 3 1 1 傅立叶变换2 0 3 1 2 平均功率线性叠加2 l 3 2 部分参数关系确定2 2 3 2 1l 0 的取值2 2 3 2 2c l 与c 2 ，l l 与l 2 之间的关系2 2 3 2 3 屏蔽条件2 3 3 3 电路平均功率求解2 4 v 节， 蔡空r 电脚用电磁l 方攘锤的初步研究 3 3 1 电路简化2 4 3 3 2 纯电阻平均功率2 6 3 4 电路系统的频率特性2 7 3 4 1电路系统传递方程2 8 3 4 2 系统稳定性分析2 9 第四章电磁防振锤初步优化3 1 4 1 感应电动势的优化3 1 4 1 1 设计变量及目标函数3 l 4 1 2 约束条件及部分参数确定3 2 4 1 3 优化的数学模型及优化结果3 3 4 2 平衡电路的优化3 4 4 2 1 数学原理3 4 4 2 2 目标函数3 4 4 2 3 初步优化3 6 4 2 4 计算实例3 7 4 2 5 结论3 8 第五章设计步骤及试验装置3 9 5 1 数据采集3 9 5 2 机械设计4 0 5 3 电路设计4 1 5 4 试验检测4 1 第六章研究结论及展望4 5 6 1 结论4 5 6 2 研究展望4 5 参考文献4 9 附录：部分表达式的姒t h e m a t i c a 计算程序5 2 致谢5 6 v i 勺，0、 攻读学位期间发表的学术论文5 7 v ；0， 架空r 电l 用电磁防朔l 锈的初步研究 、 1 1 概述 甲 勺 第一章绪论 从1 9 2 5 年美国人乔治司托克布里( g s t o c k b r i d g e ) 发表第一篇导线微风振动的论 文之后，此后一些国家陆续有少数专家对微风振动进行了研究，大约每隔十多年就有一 篇值得注意的论文问世【l l 。5 0 年代以来，随着输电线路的发展和超高压线路的兴建，微 风振动事故日益频繁，对微风振动的研究就越来越受到人们的重视。尤其是一些大跨度 线路比较多的国家如加拿大、美国、前苏联、日本、意大利等国家，更是投入了大量的 人力、物力和财力，借助风洞、振动实验以及实际线路运行情况，结合理论分析，进行 了长期而卓有成效的研究【2 q 们。八十多年以来，国际上许多专家对这个问题作了大量的 试验研究，发表了许多具有实际价值的论文。1 9 5 5 年，前苏联电站部中央电工科学研究 所，提出了i ：架空输电线路导线防振保护导则；1 9 6 0 年，为了解决微风振动中导线的 动力响应问题，国际大电网会议通过了l ：架空线路导线及机械计算委员会第六委员会报 告：1 9 7 0 年，国际大电网会议第2 2 研究委员会( c i g r es c - 2 2 ) 对架空输电线微风振动问 题提出了一篇总结报告 国际大电网会议第2 2 专业小组讨论纪要，总结了当时国际上 关于导线微风振动的经验 1 1 - 2 3 l 。 随着计算机技术的迅猛发展，世界各地特别是发达国家的电力科技工作者将计算机 有效的运用到了架空输电线路的防振设计，并取得了可喜的成果。意大利米兰大学与 s a v e 公司合作，利用s a v e 公司性能优越的f r 型防振锤，于2 0 世纪7 0 年代开发了架空输电 线路防振导测的计算机防振设计。美国、加拿大、德国、日本等也相继实现了防振设计 的计算机化。在防振方案设计中，欧美国家较多的采用防振锤，而日本则采用阻尼线和 防振锤相结合的方法，其中以阻尼线为主要的防振器，防振锤起辅助作用。上述两种防 振方案都起到了较好的效果1 2 4 - 3 0 l 。 上个世纪五十年代末期，我国开始注意了架空输电线的微风振动问题。1 9 6 2 年水利 电力部电力建设研究所等单位，开始对我国1 9 1 1 3 k i n 架空输电线的微风振动情况作了调 查，建立了导线微风振动模拟试验室，研制了测振仪，还举办了导线防振训练班，推动 了现场测振工作开展。1 9 9 0 年国家“七五 攻关项目“5 0 0 k v 线路大跨度分裂导线防振 试验研究 课题的完成，标志着我国防振技术和研究水平上了一个新台阶【6 1 1 3 在防振 注。田家自然科学基金资助项目，项目批准号为5 0 6 7 7 0 0 8 。 l 架空输电翻l 用电磁防振锤的初步研究 试验方法、输电线路振动强度的计算方法等方面已经步入国际先进行列f 3 2 1 。但是在输 电线路防振设计的基础理论研究上仍然较为落后，线路防振设计仍然长期处于试验阶 段，与国际先进水平有较大的差距1 3 3 】l 州。当然经过我国线路工作者的努力，大跨越导 线防振也积累了一些经验1 3 孔。 二十世纪九十年代以来，我过一些大专院校及科研机构都对微风振动进行了研究， 比较成功的是1 9 9 5 年哈尔滨工业大学、原电力部电力研究所合作完成的“架空输电线路 防振优化设计一这一项目，该项目借鉴了国外先进经验，应用近二十年来大量的实验技 术和以往开发的多项科研成果，结合营口大跨度工程，开展了架空输电线防振优化设计 的研究工作，深化了导线系统振动力学的基础理论并研制开发了导线优化设计程序和数 据库管理系统。但是由于这些软件均基于d o s 系统，其数据库存储容量有限，不便于在 网上发布，可视性较差，没有应用先进的面向对象的设计方法，不便于进一步研究l 如删。 在试验手段方面，电力建设研究所建成了目前我国唯一的一条微风振动试验线段， 但是随着电力输送容量和输送距离的迅速增长，送电电压也随之迅速升高，这给防振设 计的研究提出了更高的要求【射捌。 长期以来，国内外对于防振锤的研究仅仅局限于传统的机械式防振锤的研究。传统 的机械防振锤，是一种专门为了防止微风振动而在导线上而设计的一种零件。简单说来， 防振锤是由一段短的钢绞线在其两端各装一个重锤，中间有挂在导线上的夹板。当导线 振动时，防振锤的钢绞线两端不断上下弯曲，消耗导线振动传递来的能量n l 。 事实证明，这种传统的机械防振锤在大部分实际工况中虽然都能起到一定的消振目 的，但是对于大档距以及微风振动特别剧烈的工况，这种防振锤就达不到理想的效果。 案例请见第一章的第一节。这种防振锤消耗能量的能力毕竟有限，不能及时地把振动能 消耗掉，并且它的有效防振频率范围很窄，有其明显的局限性l 蚓。 2 0 0 4 年，广西大学樊社新副教授提出了电磁防振锤的设计思想，并于2 0 0 6 年成功 申请了国家自然科学基金项目。理论上，电磁防振锤能有效的解决这个问题，这种防振 锤基本原理是：将输电线中的交流电流作为励磁电流，利用电磁感应原理将输电线的微 风振动能量转变为电能，然后通过电桥电路将这部分电能转换成热能消耗掉。 本论文就电磁防振锤作基本的理论计算与研究，并建立优化目标函数。主要分以下 几章：第一章将阐述导线防振的基本理论，主要包括导线振动基本理论，传统机械防振 锤工作原理及局限性，新型电磁防振锤的工作原理、结构及优点；第二章为电磁防振锤 振动模型计算，主要应用机械动力学基本理论以及电动力学中的电磁感应理论对电磁防 2 啊 勺 ， 架空输电或用电磁防舅l 臼l 的初步研究 振锤振动模型进行建模与分析：第三章为电磁防振锤电路模型计算，主要应用电工学和 控制过程理论对电磁防振锤的电路模型进行建模与分析；第四章为电磁防振锤的优化设 计部分，主要是应用基本的数学优化理论和分析的办法对电磁防振锤的机械部分和电路 部分进行初步优化。 输电线路的微风振动及其防护属于绞线动态力学计算的范畴【钔，它远比静力学的分 析计算深奥复杂，至今仍在不断地研究和试验中。为了便于论文的开展，本章将对导线 微风振动及防振装置作简单介绍，主要包括微风振动的基本理论，机械防振锤的结构和 工作原理，以及电磁防振锤的结构和工作原理。 由于问题的首次研究以及作者水平有限，本论文内容的出发点只是对该装置进行初 步的理论研究，与实际应用还有较大的距离。用于实践，还有大量的工作要做，例如现 场的勘测，试验数据的采集，装置的试用等等，需要进一步研究。 1 2 导线微风振动 输电线路，尤其是高压输电线路，常常发生微风振动。导线的微风振动是导线所有 振动中最频繁的一种振动形式，它常常导致输电线路尤其是高压线路的疲劳断股，严重 的威胁输电线的安全和人民的生命财产安全。 1 2 1 产生机理 如图1 - 1 中所示，当横向风速v 作用于圆柱体上时，在圆柱体的背风侧会产生上下 方向交变的气流旋涡，它不断地以速度虼离开圆柱体向后面延伸而渐渐消失。当上部 图1 1 卡门旋涡 f i g i 1k a r m a ne d d y a 点产生旋涡时，下部b 点的流速大于a 点而产生负压，便出现向下的冲击力作用于圆 柱体上，反之会有向上的冲击力由于上下交替产生旋涡( 卡门旋涡) ，在圆柱体上就 3 e ， 0 ， 架空输电线用电磁防舅l 饲“由初步研究 会作用上下交替的力使得圆柱体上下振动i 们。 卡门旋涡的频率即风作用于圆柱体上交变力的频率，是微风振动中一个很重要的参 数，在防振设计中经常用到。根据参考文献1 1 1 ，采用测力计，通过频谱分析仪可以得到 频谱曲线，例如图1 2 所示， 图l - 2 卡门旋涡作用下的圆柱体所受力的频谱 f i g 1 - 2 t h ef r e q u e n c ys p e c t r u ma b o u tf o r c eo fc y li n d e r b e c a u s eo fk a r m a ne d d y 从频谱图上可以看出，卡门旋涡作用下的圆柱体所受力的频率不是一个定值，在一 段时间内，它由多个频率组成，频率的多样性从一个方面就决定微风振动的复杂性，为 了问题的简化，在研究导线微风振动时，一般取图中的z 作为风力的频率，常称司托哈 罗频率。卡门( k a r m a n ) 和司托哈罗( s 仃o u h a l ) 最早研究了旋涡的特性以后，提出司 托哈罗频率z 与风速、圆柱体直径有以下关系： z = s 妥 ( 1 1 - 1 ) 上， 式中： z 风作用在圆柱体导线交变力的频率( h z ) i 匕司托哈罗风速( m s ) 1 d - - - - 圆柱体直径( m m ) s s 司托哈罗数，一般s = 1 8 5 2 1 0 日本、加拿大等国采用o 1 8 5 ，我国及 欧美等国家采用0 2 t 6 i 。如图1 1 所示，旋涡的移动速度v o 岛0 8 6 v ，旋涡间的距离( 半 波长) 2 2 2 1 5 d ，则卡门旋涡产生的交变力频率为z = v o 2 0 2 v d ( h z ) 。若 y = 0 5 7 m s ，d = 0 0 1 0 0 5 m ，则导线的振动频率z 的范围为2 - - 1 4 0 h z 。 可以理解，导线起振的条件以及振幅的大小都是由能量平衡原理决定的。当风输入 给导线的能量与导线体系内消耗的能量达到平衡时，导线就维持在某一振幅下振动。当 需要降低振幅时，可增加振动体系内的耗能来达到新的能量平衡从而降低振幅。振动能 架空输电线用电磁防朔锤的初步研究 量的输入和消耗与多种因素有关，诸如导线结构、平均静态应力，风速、环境条件、振 动频率及防振装置性能等。而研究导线微风振动的发生与防护实质上就是研究能量输入 与消耗相关的诸多因素的作用，以便更有效地对振动加以控制【6 们j 。 世界各地几乎所有的输电线路尤其是高压线路都受到微风振动的影响和威胁，输电 导线的微风振动问题一直是各国输电线路工作者着重研究的课题之一由于风振引起电 线疲劳断股等事故是一个累积效应过程，这种危险往往不易察觉，而且容易被人忽视。 迄今为止，国内仍然没有一份完整关于全国风振危害情况调查报告，相比之下，欧美及 日本等许多国家和地区在这方面做的调查工作就比较系统1 4 3 l 。 1 2 2 基本特点 导线的微风振动是由于风的激励而引起的一种特有的振动现象，引起这种振动的风 速通常处于0 5 1 0 m s 的范围内，振动频率约为3 1 2 0 h z ，而振动的双振幅一般不会 大于导线直径的2 3 倍，这种振动持续时间较长，有时可以达数天l 。输电线在经过 江河、湖泊、海峡、山谷、开阔区等区域时，这种振动非常突出，反倒是在导线所需张 力较小以及区域植被较好的施工条件下，导线微风振动不易发生【。以上就是这种振动 形式的基本特点。 1 2 3 断股 众所周知，导线由于微风振动导致疲劳断股一般发生在金具安装位置，而这个位置 最多的是悬垂线夹压板端部，或者集中在导线与线夹支托面刚开始分离的部位。如图1 - 3 的部位4 所示。另外，断股情况还经常发生在机械防振锤的线夹处，尤其是在安装多个 机械防振锤的情况下。这也是机械防振锤一个比较严重而且不能克服的缺点。 导线疲劳断股的原因很明确，理论上来说当导线的动弯应力高于导线材料的疲劳极 限时，导线达到一定的振动次数，就会发生断裂。根据材料力学可以知道，一个零件的 材料疲劳极限跟零件的结构疲劳极限是不一样的，材料疲劳极限往往应高于结构疲劳极 限，而一个零件的疲劳强度也是由结构疲劳极限决定的。由于导线的振幅并不是太大， 导线动弯应力一般情况下不会高于导线材料的疲劳极限，不考虑其他因素，导线很难断 股，但是断股确实时有发生，经研究发现，这是由于存在降低导线结构疲劳极限的因素 造成的，例如，由于导线相邻层线股的扭铰方向相反，相互之间形成点接触，在径向压 5 广曩r 大掣啊炙士学位沦文 架空输电线用电磁防朔l 锤的初步研究 力的作用下，线股表面容易造成划伤或压痕，这将降低导线的结构疲劳极限。另外，线 股之间的滑移会使得线股受到磨损，同时导致材料温度升高，这也会降低导线的结构疲 劳极限，使得断股容易发生【i l 【6 1 1 3 3 i 。 图1 - 3 悬垂线夹中导线断股位置 卜回转轴；2 一船体l3 - 压板；4 一断股部位 f i g 1 3t h es p l i tp o s i t i o no fl i n ei nt h es u s p e n s i o nc l a m p l a x i so fr o t a t i o n ；2 - c a t a m a r a n ；3 - p r e s s b o a r di n s u l a t i o n ；4 一s p l i tp o s i t i o n 1 2 4 常用消振装置 图l _ 4 导线振动断股 f i g 1 - 4t h es p l i to fv i b r a t i n gl i n e 为了防止风振影响，架空输电线路上常用的消振装置有护线条，防振锤，阻尼线三 种类型，其中以防振锤用得最多，效果相对于另外两种要好，在第二节中将对其做详细 介绍。 1 2 5 风振危謇实例 下面列举几个国内外的风振危害实例f 2 6 1 1 7 l l 卅l 1 在6 0 年代，我国曾组织有关部门对全国部分地区架空输电线路的风振危害情况 进行调查，调查包括数百回线路及大跨越线路运行情况，其中钢芯铝绞线导线9 5 6 8 m ，钢 6 架空翰电或用电磁防舅l 锤的初步研究 绞线避雷线8 9 6 8 m ，结果发现比较普遍的存在着断股现象。例如，某线路导线采用钢芯铝 绞线，平均运行应力2 5 0 6 c u t s ，因未安装防振锤，运行2 年后检查1 0 9 8 个线夹，发现断股 3 2 2 处，占2 9 3 。针对调查结果，对振动严重的线路，加强了防振措施，开展了试验研 究工作，取得一定成效。 2 2 2 0 k v 长江沌口大跨越，位于武汉上游，双回线跨江，跨越全长2 6 5 8 5 m ，直线跨 江塔高1 4 4 m ，架空导线采用c - 4 1 8 钢绞线，架空地线采用c - 2 6 7 钢绞线，均采用防振锤消 振方案。该大跨越1 9 5 9 年建成，运行数年后发现导、地线因风振严重断股，影响输电安 全。1 9 8 4 年5 月全部更换新线，导线采用g l g j j - 5 8 0 型，地线仍采用c 一2 6 7 型，大跨越换 线工程耗资很大，所造成的直接和间接( 停电) 损失极为严重。 3 5 5 0 k v 平武线长江大军山跨越，建于1 9 8 1 年，塔高1 0 8 m ，跨江距11 6 6 m ，导线标号 l h g j t - 4 4 0 ，跨江采用三分裂方式，架空地线标号为l h g j t - 1 5 0 ，防振方案采用阻尼线加 防振锤混合消振方式。线路运行2 年后已发现振动严重，架空地线防振锤先后脱落5 只， 阻尼线夹脱落8 处，架空地线断6 股。到1 9 8 7 年检查发现2 根架空地线累积断股2 2 次，严 重威胁线路安全。 4 加拿大的马尼特巴2 3 0 k v 线路，采用h 型木杆，全长1 3 2 m 。导线为a c s r 7 9 5 型，1 9 6 0 年建成，1 9 6 4 年发现绝缘子损坏，导、地线断股严重。另一条s a s k a t c h e w a n 2 3 0 k v 线路，1 9 6 3 年建成，线路上均安装了扭式防振锤。一年后发生了严重的风振断股。 比较严重的故障发生在5 个连续档内，发现断股铝线5 4 股，钢绞线2 股，有的故障部位己 发现铁塔下横担对角斜撑材料因导线风振严重而破坏，有8 0 的直线塔抗扭补强部位发 生了断裂或破坏。以后通过试验研究进行了改进。 5 5 0 0 k v 镇江大跨越，由意大利s a e 公司设计，跨越长江，直线塔跨距1 8 2 0 m ，导线 标号为a a c s r ，截面5 5 8u n 2 ，地线标号为a l ，截面3 5 6 咖2 。跨江导线采用四分裂形式， 该跨越防振方案由s a e 公司经意大利米兰大学试验研究确定，采用防振锤方式，1 9 8 9 年 投入运行施工期间，s a e 公司曾组织过3 次现场测振试验，1 9 9 6 年发现大跨越四分裂导 线，有2 只间隔棒线夹处导线断股，经测试是风振引起的。 这样的例子，不管是国内还是国外都举不胜举，微风振动的影响已经被世界各国电 力部分所关注，防振设计的好坏几乎可以决定架空输电线路建设的成败。 7 广西大学硕士学位论文 架空输电线用电磁防攘锤的初步研究 1 3 传统机械防振锤 机械防振锤是最常用消振装置。自从微风振动被发现以来，人们就在不断的研究消 振措施，早在1 9 2 7 年，科学家们就研制了“司托可布里奇 型防振锤，到目前为止，全 世界有几十种类型的消振装置可供输电线路使用l 。下面就“司托可布里奇 型防振锤 简要介绍机械防振锤的结构和工作原理。 “司托可布里奇一型防振锤如图所示： 图1 5 。司托可布里奇”型防振锤 卜一钢绞线2 一质量锤，3 一固定线夹，4 一导线 f i g l 一5t h es t o c k b r i d g ed a m p e r l - s t r a n d ；2 - d a m p e r ；3 - r i n g ；4 一l i n e 由图可以看出，“司托可布里奇一型防振锤( 几乎所有的机械防振锤) 是由一段短 的钢绞线在其两端各装一个重锤，中间有挂在导线上的夹板。当导线振动时，防振锤的 钢绞线两端不断的上下弯曲，把导线振动传递来的能量转换成热能或者声能发散掉，从 而降低导线的振幅，这就是机械防振锤的工作原理。从能量转换的角度来说，这种转 换方式转换和消耗能量的速度过慢，不能以较快的速度消耗微风振动的能量从而达到较 好的消振效果，这是机械防振锤一个明显的不足之处。 这种防振锤的性能取决于钢绞线的弹性及重锤质量，而频率适用范围取决于钢绞线 的长度和重锤质量。防振锤重量太小，不能起到好的消振作用，而重量太大，又会在安 装处产出一个较大的集中力，反而使得此处断股容易发生，据澳大利亚统计1 5 年的线 路运行资料表明，在防振锤处发生的断股占线路断股总数的2 2 1 1 7 1 。这个质量的矛盾 体现了机械防振锤的一个明显的缺点。 下表是防振锤的主要尺寸及适用范围： i 4 w q e , t 白 q l t , t , j i q 电磁防拥l 锤的初多p 研兜 防振 尺寸( 舢)钢线重量 锤型 适用绞线型 a dh c l l 规格 ( k g ) 号 号 f d - ll g j 3 5 5 0 7 84 0 4 04 03 0 09 5 7 尼6 1 5 f d 2l g j 7 0 , - 9 594 65 54 53 7 01 3 07 3 02 4 剃 l g j 1 2 0 1 5 0l l5 66 56 04 5 01 5 01 9 2 24 5 f d 4l g j 18 5 - 2 4 01 16 27 06 05 0 01 7 51 9 ，2 25 6 f d - 5 l g j 3 0 0 - 4 0 01 36 77 07 05 5 0 2 0 01 9 2 67 2 f d 石l g i - 5 0 m 击3 01 37 07 57 05 5 0 2 0 01 9 2 68 6 h g - 3 5g j 3 594 25 04 53 0 01 0 07 ：3 01 8 f g - 7 0g j 7 0 1 1 5 66 05 04 0 01 5 01 9 尼24 2 f g 1 g ，1 1 l6 26 56 05 0 01 7 51 9 ：2 25 9 由此表可以看出，最轻的f d - 1 型也有1 5 k g ，而最重的肛6 型达到8 6 k g 。 下面简单分析这种防振锤频率特性，根据美国 电世界在1 9 7 6 年绘制的“司托 可布里奇静型防振锤的典型频率特性曲线： 、 曩搴， h - 图l _ 6 防振锤典型频翠特性曲线 f i g 1 - 6t h ec l a s s i c a lc u r v eo ft h ed a m p e r sf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c 可以看出，该曲线的变化率非常大，机械防振锤只有在很有限的频率段内才能起到比较 好的防振效果，对大部分频率段内的微风振动，防振效果并不明显，这是机械防振锤的 一个明显缺点。 除了“司托可布里奇 型防振锤，实践中采用的防振锤还有许多，杜密逊防振锤、 9 甜扩 “ 广西大掌硕士学位沦文 集空输电线用电磁防振锈的初步研究 塞尔维防振锤、扭矩防振锤、哈罗防振锤等等。结构不同，但是工作原理和能量转换方 式基本一样。 大概了解机械防振锤后，可以得到其明显的三个缺陷，总结如下： 1 能量转换过慢，不能尽快消耗风振能量； 2 存在质量矛盾，在安装处会生成一个集中力，很可能导致线股断裂； 3 在微风振动的各个频率中，能起到较好消振效果的频段过窄。 以上缺点就影响了机械防振锤的使用效果，也是研究电磁防振锤的出发点。 1 4 电磁防振锤 为了进一步提高防振锤的防振效果，克服机械防振锤的缺点，2 0 0 4 年，广西大学樊 社新副教授提出了电磁防振锤的设计思想( 发明专利申请号：2 0 0 4 1 0 0 0 8 1 7 4 9 ) ，并成功 申请了国家自然科学基金项目( 项目批准号：5 0 6 7 7 0 0 8 ) 。 1 4 1 结构及工作原理 电磁防振锤的结构骨架是面积可变的带槽的塑料框架。框架的各槽中都有金属弹 簧。导线嵌在槽中与金属弹簧联结。各槽中的导线为串接，类似于电机中的绕组。锤头 装在框架的下方，并与一交流电桥固结。利用线夹将塑料框架与输电线联结，线圈和电 桥具体结构如图i 7 所示。 这种防振锤工作的基本原理是：利用输电线中的交变电流作为励磁电流，由于电磁 感应原理，在线圈中，输电线的微风振动能量将会转变为电能，然后通过电路( b ) ，将 这一部分电能转换成热能消耗掉。如图1 7 ( a ) 所示，当输电线路存在微风振动时，以 输电线的振动位移为外部激励，该线圈会形成一个振动系统，即线圈的面积将发生改变。 又由于在输电线周围有垂直于线圈面域的磁场( 该磁场是由输电线中的交流电产生) ， 如此一来，线圈将有感应电动势产生，也就是将输电线微风振动的机械能转换成了电能。 由于电桥与线圈连接，线圈产生的感应电动势将作为电路的输入电压，将这一部分电能 以热能的形式消耗在电路的电阻上。整个过程能量改变形式为：机械能一电能一热能。 从理论上来说，这种能量的转变和消耗速度比传统的防振锤的能量消耗速度要快得多， 这也是电磁防振锤可研究性的根本所在。 t o 广曩r 大尊嵋炙士掌位论丈 架空输电或用电磁防舅l 钥l 的初步研究 3 ( a ) ( b ) a 线圈示意图；b 电桥示意图 l 、2 一是金属弹簧l3 、5 、6 一导线l4 一锤头l 8 一电感l9 一电阻7 一电容 图1 7 电磁防振锤线圈和电桥结构示意图 l 、2 - m a t e ls p r i n gc o i l ：3 、5 、6 - 1 i n e ；4 - h a m m e r h e a d ；7 - c a p c i t y ：8 一i n d u c t o r ：9 - r e s i s t e r f ig 1 7t h es t r u c t u r em a po fl o o pa n dci r c u t eo f e l e c t r o m a g e n tis md a m p e r 很容易得知，一个防振锤消振的效果取决于两个方面，一方面是机械振动部分吸收 风振能量的能力，另外一个方面就是防振锤消耗风振能量的能力。对于一般的防振锤， 吸收风振能量的能力一般都比较好，就算是只有一个固有频率的机械振动装置，它也能 比较好的吸收风振能量，问题在于吸收的这一部分能量是否能及时的以热能和声能发散 掉，大部分的风振能量是否又反馈到了导线上，这个问题才是我们研究和关注的核心。 事实上，传统的机械防振锤在消耗一部分风振能量的同时，将大部分的风振能量反馈给 了导线，或者是机械振动部分的能量达到饱和，而研究电磁防振锤的目的就是为了能够 很好的解决这个问题，在本文后面的分析计算中可以看到。另外，对于电磁防振锤的锤 头，它只承担能量转换的任务，跟能量的消耗没有关系，在满足较好吸收风振能量的前 提下，其重量不用取得太大，所以相对于传统机械式防振锤，电磁防振锤的重量将大大 减轻，从而降低了在其悬挂处产生较大集中力而导致导线断股的概率。 1 4 2 研究内容 提。 1 建立数学模型 本文将建立电磁式防振锤锤头的动力学方程及电路方程，这也是求解数学模型的前 2 求解数学模型 本文将求解锤头的动力学方程和电磁式防振锤的电路方程，并求解用重锤的质量、 广西大曹n 炙士掌位论文 纂囊晴智电线用电磁防舅l 钥“由初步研究 弹簧刚度、框的尺寸、电路参数、励磁磁场的磁感强度及微风振动产生的激励等参数表 达的电路平均功率表达式。 3 参数优化 为了使得电磁防振锤能以最快的速度消耗风振能量，以达到最好的防振效果，要求 采用适当的数学方法对电桥的平均功率进行优化，使其取得最大值。优化目标函数为电 桥的平均功率，初步确定优化参数为重锤的质量、弹簧刚度、框的尺寸、电路参数、励 磁磁场的磁感强度及微风振动产生的激励等。 1 4 3 拟用研究方法 本文主要利用了振动力学，电动力学，控制工程原理及数学理论建立并分析数学模 型，提出电磁防振锤研究设计的基本程序。求解数学模型时，由于系统( 包括振动系统 和电路系统) 的输入均为非正弦量，为了问题分析的方便，本文采用了泛函理论和傅立 叶法将非正弦量转换成正弦量，这是本文采用正弦分析理论的前提条件，也是贯穿全文 的思想方法，在后面的几章内容中陆续可以看到。本文还利用了m 棚a b ，m a l h m a t i c 等数学软件来计算一些比较复杂的关系式。在分析优化数学模型时，由于分析理论不成 熟以及没有实验数据，本文主要采用分析数学模型的物理意义的方法来开展优化。 1 2 广冒大增啊炙士掌位论文 架空输电线用电磁防舅l 锤的初步研究 第二章电磁防振锤振动模型 所谓电磁防振锤，它必然要包含机械部分和电力学部分，在绪论中已经介绍了电磁 防振锤的基本结构和工作原理，本章就其结构和原理涉及到的工程理论进行计算。本章 主要应用了机械动力学基本理论以及电动力学中的电磁感应理论。 2 1机械振动 这一节主要建立质量块的振动模型及振动方程，求得质量块的位移响应，并作简单 分析。分析电磁防振锤的工作原理知道，质量块的位移响应特性直接决定机械能转换程 度，所以这一部分是电磁防振锤参数优化设计工作中不可缺少的一部分。 2 1 1 建立质量块的振动模型 电磁防振锤机械振动部分的作用是把导线微风的机械能通过电磁感应转换成电能， 简化后的模型可以用以下简图表示： 图2 - l 电磁防振锤质量块振动模型 f i g 2 - 1t h ev i b r a t i o nm o d e lo fh a m m e r h e a d i ne l e c t r o m a g e n t i s md a m p e r 该振动模型由弹簧和质量块组成，是一个单自由度的受迫振动模型，可以确定导线 微风振动的位移y ( ，) 为外部激励，电磁防振锤的质量块位移x ( t ) 为系统响应。其中k 为 弹簧刚度。 此处，j ，( r ) 为导线的某个位置( 令