（机械设计及理论专业论文）输电线路多分裂导线次档距振荡的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘嚣 臻要 随着电网规模越来越庞大，电压等级越来越高，如何有效、安全、可靠地提高输 送能力，是我国电网面临的一个主要问题。目前输送电容量不断增大，为了减少电晕 损失秘电晕干扰，同时为了骧电线路豹缀游蛙和可靠谯，簸邀线路广泛采雳多分裂导 线。次档距振荡麓分裂导线骄特有的一静静线振动形式。因次档鼯搬荡而导致的分裂 导线破坏问题己经成为一个影响电网安全运行的关键问题。 因此，本文主要对输电线路多分裂譬线次档距掇荡进行研究分析。分析了次档 疆强荡静凝理，莠给赉了足耪跨嚣菇麓；辩隆趸霹隔耱季露铡竣档鼷簌荡遴抒辘毽分 析：给出了阻尼间隔棒安装距离的优化布置方案，并得出最优的络渠；对该方案进 行计算和试验评估。得到了缎好的计算结果，可以试用于工程。最后开发了一套阻 尼游缀捧毒置方式及其设诗诗箕敦锌，方硬设诗入员楚援。 关键词：分裂导线，次档距振荡，阻尼间隔棒，优化布置 a b s t 整c t m o d e r ne x t r ah i g hv o l t a g e ( e h v ) a n du l t r ah i g hv o l t a g e ( u h v ) n e t w o r k sr e q u i r e f a u l t st ob ec l e a r e dr a p i d l ya n ds e l e c t i v e l ya sa ne f f e c t i v em e t h o dt oi n c r e a s ep o w e r t r a n s f e ra n di m p r o v et r a n s i e n ts t a b i l i t y t h ei n c r e a s eo ft h et r a n s m i s s i o nv o l u m e c o n t i n u o u st oa u g m e n ta n dt od e c r e a s et h ec o r o n al o s sa n dc o r o n ai n t e r f e r e ；a n dc o n s i d e r t ot h ee c o n o m ya n dt h er e l i a b i l i t y ，b u n d l e dc o n d u c t o r sa r ea d o p t e d s u b s p a no s c i l l a t i o n s a r eas p e c i a lv i b r a t i o nt y p et ob u n d l e dc o n d u c t o rl i n e s i tb e c o m e sa l lu r g e n tp r o b l e mt o s t u d yt h ei n f l u e n c eo fs u b s p a no s c i l l a t i o n st od i s r u p t i o no fb u n d l e dt r a n s m i s s i o nl i n e h e n c e ，t h ep a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h ea n a l y s i so ft h es u b s p a no s c i l l a t i o nt o b u n d l e dc o n d u c t o f si nt r a n s m i s s i o nl i n e s t h em e c h a n i c so fs u b s p a no s c i l l a t i o na r e a n a t y z e d a n dp u tf o r w a r ds o m ea n t i v i b r a t i o nm e t h o d ；t h em e c h a n i c so fa n t i s u b s p a n o s c i l l a t i o n so fs p a c e rd a m p e r s ；t h es p a c e rd a m p e r so fs u b s p a np o s i t i o n i n g ；a n das e r i e s o fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do nt o t e s tr e s u l tc a l c u l a t e d ，w h i c hi sv a l i d a t e dt ob e r e a s o n a b l ea n dc a nb eu s e di nt h er e a lp r o j e c t ，f i n a l l y , as u i to fc a l c u l a t i o na n d e m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt of a c i l i t a t et h ed e s i g n e r s f e n gx u e - b i n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz a u g z h u k e yw o r d s ：b u n d l e dc o n d u c t o r s ，s u b s p a no s c i l l a t i o n ，s p a c e rd a m p e r , o p t i m i z a t i o n f 、 p o s i t i o n 。 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电网规模越来越庞大，电压等级越来越高，如何有效、安全、可靠地提高输 送能力，是我国电网面临的一个主要问题。目前输送电容量不断增大，为了减少电晕 损失和电晕干扰，同时为了输电线路的经济性和可靠性，输电线路广泛采用多分裂导 线。次档距振荡是分裂导线所特有的一种导线振动形式。因次档距振荡而导致的分裂 导线破坏问题已经成为一个影响电网安全运行的关键问题。 因此，本文主要对输电线路多分裂导线次档距振荡进行研究分析。分析了次档 距振荡的机理，并给出了几种防振措施：对阻尼间隔棒抑制次档距振荡进行机理分 析：给出了阻尼间隔棒安装距离的优化布置方案，并得出最优的结果；对该方案进 行计算和试验评估。得到了很好的计算结果，可以试用于工程。最后开发了一套阻 尼间隔棒布置方式及其设计计算软件，方便设计人员使用。 关键词：分裂导线，次档距振荡，阻尼间隔棒，优化布置 a b s t r a c t m o d e r ne x t r ah i g hv o l t a g e ( e h v ) a n du l t r ah i g hv o l t a g e ( u h v ) n e t w o r k sr e q u i r e f a u l t st ob ec l e a r e dr a p i d l ya n ds e l e c t i v e l ya sa ne f f e c t i v em e t h o dt oi n c r e a s ep o w e r t r a n s f e ra n di m p r o v et r a n s i e n ts t a b i l i t y t h ei n c r e a s eo ft h et r a n s m i s s i o nv o l u m e c o n t i n u o u st oa u g m e n ta n dt od e c r e a s et h ec o r o n al o s sa n dc o r o n ai n t e r f e r e ；a n dc o n s i d e r t ot h ee c o n o m ya n dt h er e l i a b i l i t y ，b u n d l e dc o n d u c t o r sa r ea d o p t e d s u b s p a no s c i l l a t i o n s a r eas p e c i a lv i b r a t i o nt y p et ob u n d l e dc o n d u c t o rl i n e s i tb e c o m e sa nu r g e n tp r o b l e mt o s t u d yt h ei n f l u e n c eo fs u b s p a no s c i l l a t i o n st od i s r u p t i o no fb u n d l e dt r a n s m i s s i o nl i n e h e n c e ，t h ep a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h ea n a l y s i so ft h es u b s p a no s c i l l a t i o nt o b u n d l e dc o n d u c t o r si nt r a n s m i s s i o nl i n e s t h em e c h a n i c so fs u b s p a no s c i l l a t i o na r e a n a l y z e d a n dp u tf o r w a r ds o m ea n t i v i b r a t i o nm e t h o d ；t h em e c h a n i c so fa n t i s u b s p a n o s c i l l a t i o n so fs p a c e rd a m p e r s ；t h es p a c e rd a m p e r so fs u b s p a np o s i t i o n i n g ；a n das e r i e s o fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do nt o t e s tr e s u l tc a l c u l a t e d ，w h i c hi sv a l i d a t e dt ob e r e a s o n a b l ea n dc a nb eu s e di nt h er e a lp r o j e c t f i n a l l y ，as u i to fc a l c u l a t i o na n d e m u l a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e dt of a c i l i t a t et h ed e s i g n e r s f e n gx u e b i n ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz a n g z h u k e yw o r d s ：b u n d l e d c o n d u c t o r s ，s u b s p a no s c i l l a t i o n ，s p a c e rd a m p e r ，o p t i m i z a t i o n r p o s i t i o n 。 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文输电线路多分裂导线次档距振荡 的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： i 曼盎遮日期：丝纽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名：盥 日期：弼，f 导师签名 日期： 鳓 夕，。5 f s 华北电力大学硕士学位论文 孳l 言 第一章渚论 架空翘高压输电线路是电力能源系统中将电能进行传输、调节和分配的重要生 命线工程续糖。它静安众运行是关瑟到重诗民生憋大事，辕魄线路终酸爨会导致供 电系统的瘫痪，这不仅严重地影响人们的生产建设和生活秩澎，雨且还会产生重大 的附带灾害，给社会和人民的生命财产造成严熬的后果。 为保诞电网的安全w 靠运行，除要有电气方蕊的技术保障外，输电线路还必须 有是够豹力学方瑟的安全毪彝虿嘉瞧。在导线藏念其方面不裁要磅究其静态力学往 能，更重黉的是研究分析其动态力学性能，这魑闲为输电线路不仅承受其自重、覆 冰等静荷载，而且还要承受风产生的动荷载。在风的作用下，导线可能发生高频微 嚷戆微风掇凌，也可能发生孛频中餐蝠度豹玟拯艇振荡，遂霹鼹发生低髹大疆度的 舞动。戳彼人们对微风振动和舞动研究较多，取得的成采也较显著，基本能够满足 工程实际需蒙。但是对于次档距振荡，尽管人们进行过不少研究，但因其机理十分 复杂，还不能达到工程察际需要。所以，关于次搂距振荡的研究对于输电线路盼安 全运行有澄重要意义。 1 2 架空输电线路多分裂导线振动的类型和特点 根据弓i 超导线振动豹起函移导线振动豹形式，可以把导线振动现象分为以下几 种类型：微风振动、次梢距振荡、舞幼、横向碰洳、短路振动等。由于前三种经常 发生，是絮空输电线路鼯线振动的主疆形式，冀嚣项比较如袋l t 所示。次档距 簌荡是分装导线爨特寄麓振动瑷象，它豢豢会遥袋弱稳子导线戆互撞黎羧密，筑瑟 使阻尼性能差的间隔棒松动甚至损坏。又由于我阑对此项目的研究较少，因此，对 分裂导线次档距振荡的研究更需受到人们的重视。 2 。 徽疑振动 导线的微风振动魁一种由气流的漩涡流在导线的背风侧交替脱落所产生的导 线振动现象。引起导线振动的风速，遥常在0 5 l o m s 的范围内；振动的双振幅 一羧不大予导线壹径懿2 3 售；缀动静频率黎鬻约蔻3 8 0 h z 振囊裁熬为芷弦 拍频波；搬动几率很大，一般认为释线一直处于微风振动状态。由于微风振动持 续的时间长，导线线夹的出口处长期处于曲折状态，若不采取任何防振措施，线股 华北电力大学硕士学位论文 上将产生很大的动弯应力，长期如此将导致疲劳断股，影响线路安全。特别是在一 些线路档距长且经过地形开阔区( 诸如江河、湖泊、海峡和峡谷) 的大跨越线路中， 由于导线的张力大、悬挂点高，其导线微风振动的问题更为突出。因此，导线的微 风防振一直受到人们的特别关注。 表卜1 导线主要振动型式的比较 、 振动型式 基本内毒 微风振动次档距振荡舞动 架空线路受影响的型式 所有分裂导线所有 频率范围( h z ) 3 8 01 3 0 1 1 0 振幅( m ) 0 0 1 1 00 1 0 50 5 1 5 主要振动方向垂直接近水平( 椭圆)接近垂直( 椭圆) ， 气象条件促进振动的特性稳态 稳态 稳态 风速( m s ) 0 5 1 07 2 05 2 0 导线表面情况裸线无冰裸线干燥不对称覆冰 受导线运动作用导线张力：导线自阻尼；分导线间布置；分裂 垂直与扭转固有频 率的比值；弧垂比 的设计条件阻尼器的应用；护线条导线倾角；次档距布 值与支撑条件 置 破坏需要的近似时问 3 月2 0 年4 1 8 小时l 4 8 小时 造成各子导线的互引起相间闪络，金 对线路的损害情况造成导线疲劳断股撞和鞭击，使导线线具损坏，烧伤导线、 股磨损，间隔棒松动拉倒杆塔、导线折 甚至损坏，导线断断等 股、短路等 1 2 2 次档距振荡 次档距振动是指超高压输电线路分裂导线上两间隔棒之间的子导线振荡，这是 采用分裂导线的线路所特有的机械运动现象。就振动频率和振幅而言，次档距振动 介于微风振动与舞动之间，振动频率约为l 3 h z ，振幅为0 1 0 5 m ，振动轨迹 呈水平扁长椭圆状。在本文以后章节中将对此进行详细分析。 1 2 3 舞动 导线舞动主要发生在超高压多分裂导线输电线路中。它是在特定的季节( 冬季) 2 华北电力大学硕士学位论文 导线覆冰时，由于间隔棒限制了导线的自身轴线回转运动，很容易形成导线单侧覆 冰；若此时遇上水平方向风( 风速为5 2 0m s 、风向与线路夹角大于4 5 。) 的作用 时，在导线单侧覆冰的扭转力和风力的作用下，分裂导线就会随着覆冰位置的不同 而产生自激振动，导致导线发生上下振动，也就是舞动”1 。 在超高压多分裂导线输电线路中，舞动频率一般为0 1 1h z ，舞动轨迹通常 为偏离垂向为长轴的椭圆运动，并且伴有导线绕轴线的交变扭转，振幅般随波长 不同而变化，严重时可达到导线弦垂大小( 可达1 2 m ) 。由于幅度较大，有摆动，一 次持续时间很长，因此，舞动一旦发生，危害性很大，一般容易引起相问闪络，间 隔棒、线夹等金具损坏，严重时会造成线路跳闸停电或引起烧伤导线、拉倒杆塔、 导线折断等严重事故，从而造成重大经济损失和人员伤亡，严重地威胁着输电线路 的安全运行。 1 2 4 电晕诱发振荡 只是一种由在导线底部形成的水滴引起的电晕所造成的运动水滴引起的每一 次电晕爆发产生一个向上的脉冲，激发起振荡的同时，水滴也发生变形，因而使运 动持续不断。电晕诱发振荡显然是相当小的，而正常采用的防止导线舞动的措施看 来足够控制这一类的振荡。在发生振荡时，风往往是平静的，出现水滴是发生电晕 诱发振荡的必要条件。以前观测到的电晕诱发振荡的幅值和频率如表1 2 所示。 表1 - 2电晕诱发振荡的观测值 分裂导线最大表面电位梯度最大幅值频率 ( m i l l )( k v m m )( 峰峰值，m m )( h z ) 4 5 11 6 52 5 54 2 ( d 8 3 31 5 ，42 52 4 1 2 2 3 1 7 1 2 2 54 1 6 2 31 61 2 1 05 1 国 频率高的振幅小。 1 2 5 横向碰击 横向碰击是由于周期性风速的变化，作用在导线的某一段上，所形成的来回摆 动。摆动的幅度可达数米，在一个档距内可发生一个半波长的基本波，其持续时间 可达数小时。横向碰击易发生在山谷或水坝口等风力集中的地方，但极少发生。一 旦发生横向碰击，首先造成导线间短路，其次是绝缘子和金具等的损坏。防止措施 是在选择线路路径时，注意避开风力集中的地段或增大分裂导线间距离“。 3 搿j b 电力大学硕士学位论文 1 2 ，6 短路振荡 短藉强荡汉发生狂分裂导线酶线路主、短路辩短路电流产生静魄磁驳雩l 力，菠 同分裂的子母线间相驻吸引、使每个次耥距内都会产生一个半波长的碰击振荡。其 聪果是造成阕隔棒和器线的碰镬损伤，脏护措麓麓增加间冁棒的强度”1 。 目前麓着输送客羹增大，为了减少魄晕损失和电晕干扰，对高蕊线路和越高压 线路广泛采用分裂导线，次档蹶振荡是分裂导线所特有的一种导线振动形式。因次 搂鞭摄荡霹嚣致涎分装导线酸耀阕题已经藏为一个卡分紧浚夔运题。因筵，本文主 要对次档距振荡进行分析研究。 3 次档题振荡豳内羚研究瑶状 对于输泡线路多分裂导线次档距振荡的研究，国乡 开展的比较晕，龙其是在闻隔 棒布置豹研究上骰了大量的工彳乍，取得了一定豹藏果。如r c l a r e n 簿用传递矩阵法 研究了分裂导线的振动，计算出了二、四、六分裂等导线振动的固有模态：v t t s u i 震蠢疆元法分辑了包愈三个次襁距懿双分裂导线戆次整疆掇荡；荚嚣弼洛普公翅魏专 家侯效( h e a r n s h a w ) 通过研究安装某种型号的三、四分裂间隔棒的试验线路的导线振 动，给出了三分裂和暇分裂问隔棒在特定导线上的无量纲特性曲线，进一步总结出分 裂鼯线鑫交振动对数裘藏辜蠢次橙距毒鼹豹关系麓线，最瑶绘出了一释次档距布置匏 计算方法。 我国在这一镶域缀过足十年匏努力，输电线路陡振技零瞧有了较浃的进步。1 9 9 9 年阑家“九氘”攻关硕目“大截面四分裂导线防振试验的研究”课题的完成，使我国 防搬技术和研究水平上了一个新台阶，在次档距优化布置方丽取得了些成果l 6 j 。但 是，在次撞缀振荡懿蒸穑瑾论萋髯究方瑟耱较兔藩嚣，次挡蹬振荡豹撩籁蠢躐，j 、与国嚣 先进技术有较大差距。 。4 本文羔程骛鬃翔主要志饔 本文圭露默国电邀力建设磷究所5 0 0 予伏肇庆花都缮罗竣变瞧工程矮癸裂 导线北江大踌越为工程背景。对输电线路多分裂导线次档躐振荡现象的物理分析、 风振响应和振动控制以及阻尼间隔棒抑制次档距振荡的机理展开了详细的分析研 究。豢磊开发密阻露溺隔捧舌| | 己健布置设嚣；卡算较伟，戮方便使尾。凝菇超来，本文 的工作主要肖以下几个方面： 1 。多分裂导线次档距振荡的基本理谂分柝。分椽了次档距振荡蛇诱因、维持振 动的原困和影响因素。 4 华i b 电力大学硕士学位论文 2 对阻尼问隔棒性能进行各项试验测试研究分析。 3 研究当前主要使用的防振措旌。本文主要针对阻尼间隔棒的安皱距离提出了 一静新颖静饶化布置( 次档距饶纯布置) 方絮。这是本文的核心肉容也怒难点所在。 完成计算后结国电电力建设研究所提供的试验数攒对计算结果进行分析，验诚了 计算方法豹弼行性。 4 开发出了阻尼间踽棒优化布置设计计算软件龟。软件包包括分析计算模块和 数据库模块。系统计算鬃比较大，涉及到调用数组。用v i s u a lb a s i c 6 0 开发软件 赛瑟，提供给溺户功戆丰富、交甄便捷豹掰褫纯秀甏，并配滋a c c e s s 数据疼，为 计算的参数选择以及数据存储提供了方便。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章多分裂导线次档距振荡及防护 本章主要对次档距振荡现象进行阐述，用空气动力学的知识分析分裂导线次档 距振荡的振动起因和使之维持振动的原因；讨论分裂导线次档距振荡的影响因素， 对分裂导线的架设安装提出建议。根据振动的不同特点，给出了几种次档距振荡的 防护措旋。 2 1 次档距振荡现象 随着输电容量的不断增大，为了减少电晕损失和电晕干扰，同时为了输电线路 的经济性和可靠性，所以在超高压线路上广泛使用分裂导线。次档距振荡只发生在 分裂导线输电线路中，是其特有的一种振动现象。 关于次档距振荡，是指在分裂导线情况下，其中一根或多根子导线不可避免地处在 前方子导线形成的尾流中，由于尾流效应，使得下风的子导线更容易吸收风的输入能量， 从而发生的低频大振幅振动。1 。它是一种l 3 h z 的低频的椭圆轨迹的振荡，椭圆的长 轴近于水平，如图2 1 所示，而且在同一水平面子导线的振荡方向相反。这种振荡一 般发生在低温季节，风速为7 2 0 m s 的情况下。 ( a ) ( 6 ) a ) 俯视图 b ) 顺线路a - - a 截面视图( 虚线代表导线运动轨迹) 图2 1 分裂导线的次档距振荡 6 华托电力大学硕士学位论文 次挡躐振荡会造成各予导线懿互撞鄹羧击，锼导线线段磨援，恧虽髻致闽疆棒夹头 她产生更大的动弯应力，从而使阻尼性能麓的间隔棒松动甚至损坏，甚至造成导线断股、 短路等恶憾事故，威胁絮窆导线及金具鲶运行寿命，以至需要爨换造馀昂贵的零线和 金具。我们知道，架空超高压输电线路的稳定性臻求很高，它的安全运行至关重要，而 又由于它所经过的地区的地表条彳牛莘b 气候 差往缀复杂。所以，关予输电线路多分裂导线 次档距振荡的研究具有重鬃的意义。 2 。2 次楼篷振荡的振动视理 次档距振荡豹振动税理主要驭潋下两方蘧逡行分拼：l 、髹荡产生豹诱茵；2 、 维持振荡的原因。 2 2 ，1 振荡产生的诱因 在超褰基赣惫线路分裂导线中，蓑蟋了由嚣攘或受多妻冬孚幸亍戆电力线褐戏戆一 组或一束姆线，而不是带单相电流的单根导线。这样，使用这熄平行的导线时，间 隔捧是必不可少静辫静( 企吴) ，它们把分裂导线困定戏寒凝结梅，这些潺隔饕在秀 塔间档距按一定的距离与这些平行导线难直相连。各个间隔棒间的跨度称为次档 距。 。一风向 罨缝 图2 2 架空线背风面涡流示意网 如图2 2 所示，根播流体力学的理论，当一个流体质点流通一个非流线型圆柱 体的前缘时，流体质点的压力就从自由流动的压力升高到停滞压力。靠近前缘的流 体高压将促使正在形成的附面瑶在圆柱体的两侧逐渐发展。在阑柱体的最宽截面附 近，附面朦从圆桉体表面的两侧脱开，并形成两个在流动中间尾部拖拽的剪切层， 这两个自国的剪协层就构成了嚣流豹 边界。因为剪切层的最内层与自妇流接触的最外层相比较，它的移动要慢的多，于 是这些自癞剪韬滋就倾向于卷戒不连续酌旋涡，从而奁惩流中形成一个巍翔韵旋涡 7 华北电力大学硕士学位论文 流型，这种旋涡的流动和圆柱体的相互作用，就是诱发导线振动的根源。需要说明 的是，尽管导线截面一般来说并非圆柱体，但两者相差不大，风洞试验指出两者的 试验结果几乎完全相同，这说明流体绕圆柱体流动的结论完全适用于导线线路。 根据以上理论，当风稳定横向吹向处于同一水平面上的两根子导线时，被前面 的子导线所屏蔽的另一根子导线处在气流的尾流区内，产生升力和抵抗力而发生自 激振动，称为次档距振荡，或尾流振荡。前面柱体的尾迹可画成如图2 3 所示，后 面柱体构成了个“探测器”，通过对包括它在内的尾流的研究，可以弄清当柱体 处于尾流中特定位置时，所受到的顺风向和横风向力的分布情况。次档距振荡多数 是水平横向振动分量大的椭圆形振动。 风 亡= = = = = = = = 图2 - - 3 次档距振荡现象中的梓体 2 2 2 维持次档距振荡的原因 应用流体力学中的同步效应( s y n c h r o n i z a t i o n ) ( 又称锁定效应) 概念可以很清 晰的分析维持微风振动的原因。由斯特罗赫( s t r o u h a l ) 公式可知，旋涡的主频率( f ) 和自由流体流速( 功与圆柱体直径( 国的商成正比： s = 罟 ( 2 - 1 ) r 式( 2 1 ) 中s 为斯特罗赫常数( s t r o u h a ln u m b e r ) ，一般取0 1 8 5 0 2 。所谓同步 效应，是指当圆柱体以旋涡脱落频率或相近频率振动时，会对尾流产生很强的整流 作用，以至旋涡脱落频率不再由( 2 - 1 ) 式决定而是与圆柱体的振动频率趋于一致。由 产生同步效应的流体速度区间按式( 2 - 1 ) 得出的相应脱落频率区间就称为联锁频带。 1 9 7 1 年g d i a n a 和m f a l c o 由风洞试验进一步指出，当实际流速v 和对应脱落 频率由式( 2 1 ) 确定的流速k 之比在0 8 3 1 3 7 之间时，发生同步效应。此时，交 变力起到助长振动的作用，也可以说风能功率是正的。这是因为原来旋涡的脱落沿 档长方向有任意分布的性质，但是一旦导线以接近于主频率的固有频率开始振动， 旋涡即与此振动频率同步发生脱落，这意味着旋涡的脱落沿档长方向的任意分布性 不复存在，而是按助长的方式排列起来，从而产生一定频率的稳定的微风振动。所 8 臻i 电力大学硬士学经论文 以，导线一旦起振以后，在风速变化的一定范围内，同步效应将使掀动持续下去。 光滑牲体后的尾流是非常复杂的，它包括周期的涡流期乱流。当这些乱溅磁到 第二个菲流线型物体时，该物体就处于它的尾流中了。维持次档距搽荡的维持原因 可以用空气幼力学数据来处理准静态振幼。 舞了麓纯空气动力分辑，皴如下馁设： 1 ) 假定迎风面劂柱体固定。这样就与实验室的实际条件相一致。 2 ) 假定被测的空气动态升力与阻力系数与风速无关，也与导线( 圆柱体) 表面 清况无关。 3 ) 假定迎风面柱体产生的尾流与背风面柱体产生的尾流没有相反干扰。 图2 4 攒述了逮风垂柱抟瓣尾滤鄹鑫由滚遮夔舞力系数、阻力系数约关系。 5 、升力 i - 一 藏一y 飞 。卜 j 写 - f 。一 j 入太 、一 刍 一 自 寻、， 黍。 3 哇 l 一避风瑶警线 2 - - 迎风面导线产生的尾流“边界” 3 - - 在背风面导线上的升力分布 4 一在营最嚣导线主鹣阻力分毒。 5 一背风面导线 圈2 4 背风导线上的空气动力 2 3 次档距振荡的影响因素 影响分裂导线次襁距振荡豹因素除了气象祭 串和逸形媲貌等基本禹素努，还有 若干可变因豢，主要有：分裂强线的数凝和布置：分裂导线间距和导线直径；导线 度爨；子导线曩 到对越囱豹顿懋；闽隔穆装置的类澄纛位置镰“”。 2 3 1 风的影响 均餐稳定戆燕是孳 起分袈学线次档柩振荡豹蘩本嚣素。一方瑟，分爱导线强魂 需鞭一定的能量，一般次档柜搬荡多发生在7 2 0 m s 风速殿风力方向与线路必角在 母 华北电力大学硕士学位论文 4 5 。以上的区域。另一方面，要维持分裂导线的持续振动，振动频率必须相对稳定。 即要求风速应具有一定的均匀性，如果风速不规则的大幅度变化时，则导线不会形 成持续的振动，甚至不发生振动。影响风速均匀性的因素有风速的大小、导线的悬 挂高度、档距、风向和地貌等。如果档距增大，则为保证对地距离，导线悬挂点必 须增高。离地面越高，风速受地貌的影响越小，均匀性越好。根据在平原开阔地区 的观察结果表明，当风向和线路方向呈4 5 9 0 。夹角时，导线产生稳定振动：在 3 0 4 5 。时，振动的稳定性较小；夹角小于2 0 。时，基本上很少出现振动。 2 3 2 分裂导线的数量和布置的影响 到目前为止，二、三、或四分裂导线已广泛应用于运行线路上，我国首条7 5 0 千伏输电线路，青海省海东地区官亭镇至兰卅l 东输电线路工程六分裂扩径导线试验 段架线于今年5 月在兰州展放成功，标志我国输电线路六分裂导线已经开始架设运 行。在这些分裂导线中，四分裂导线对次档距振荡最敏感，而三分裂导线是最稳定 的，因其有均横排列少数几根导线位于尾流内。据此，可将四分裂导线布置成菱形 来降低次档距振荡。而随着我国超( 特) 高压输电线路的涌现，分裂导线的根数也越 来越多，如何布置对次档距振荡的影响不容忽视。 2 3 3 导线直径和分裂导线间距的影响 分裂导线的迎风面导线至背风面导线的距离，通常用间距对直径之比( a d ) 表 示。在常规设计中，这一比值在1 0 2 0 之间。据大电网国际会议对各会员国的咨询， 大多数国家的a d 值在1 5 1 8 之间时，没有发生过严重的次档距振荡，如果小于1 0 ， 则可能产生严重的振荡。增大a d 值往往会降低次档距振荡，但是若过大的话，从 技术和经济上考虑是不合理的。 2 3 4 导线质量的影响 通过计算分析可知，分裂导线次档距振荡的起振风速随着导线单位质量的增加 而增大。图2 5 表示导线质量和起振风速的关系，其中质量坐标为导线本身质量的 倍数。由图可以看出，如果一味增大导线质量，对输电线路分裂导线次档距振荡的 防治也是不利的。 2 3 5 子导线排列对风向倾角的影响 一般来说，背风面导线的水平位置，与子导线排列对风向的倾角有关( 如图2 6 所 示) ，并在尾流施力下具有强烈的影响。由于背风面导线在迎风面导线尾流区内，受 到尾流施力而引起振荡，则必须使分裂导线有一点仰角( 即倾斜a ) 。但倾斜程度不能大 到使背风面导线在尾流区域外。如对于分导线间距为4 6 0m 晰，则倾角为2 0 。当分裂导 1 0 华北电力大学硕士学位论文 线与辩应静藏滚努农乎嚣对，怒滚藏力藏会使振荡赣着减弱戆蓬势发避。 不稳定的倾角范围最可能出现在约为5 1 5 。问，而遮赡其体范围对特定的挡距来1 有定的关系。倾角的矢向( 迎向风或离开风) ，所导致的不稳定性，与分裂导线的徊 程发青一定的关系。 戴 = = 鹱量倍数) 黼2 5 导线媵量和起掇晟速的关系 图2 6 予导线布置关系示意图 2 3 6 闯隔棒装蔗的类型和僚誊翡影晌 对于次档距搬荡，为了更好的吸收振荡产生的能量，现在广泛选用其有较好阻尼 能的闼礞捧，鄱为疆足淘隔捧。阉隔捧的安装位置对于次挡难摄荡的澎响是非索大艇 为防止褶邻次秘鼹振荡周赣一致( 有一延发爱振荡，藏会激起全部次秽躐振荡) 酶瑗象 现，间隔棒的安装距离应当采用不等距的方法。 s 2 口 8 喜 i (s警一煅筐糕捌 华北电力大学硕士学位论文 2 4 次档距振荡的防护 在工作线路中，抑制和减小次档距振荡的防护措施通常有如下几种：增大分裂导 线间距( 增大a d 值) ；改变分裂导线的倾角；减少尾流区中导线的数量；减小次档距的 长度；间隔棒的优化布置和适宜选型。这些措施将在下面分别给以讨论，但是它们并 不是互不相容的，而常常是混和使用。 2 4 1 增大分裂导线间距( 增大a d 值) 分裂导线的间距( 或a d 值) 通常取决于电气方面的因素，如导线表面的允许电 压降等。但也确实存在着选择的a d 值要大于电气方面所要求的最小值，以改善振 动的特性。当a d 值增大时，引起振动的尾流动力变小，因而振动也可减小。所有 的振动波型、垂直向和水平向的摆动，滚动及次档距也将受到影响。但是增大a d 值通常会导致线路成本的增加。 设计中实际采用的a d 增大值常常是和其他的防护措施联合使用的。多数国家 分裂导线间距与线径之比在1 5 1 8 之间，表( 2 1 ) 给出了一些国家已经采用或推荐 采用的分裂导线a d 值。再加上间隔棒的合理布置与选型，会有效的抑制和减小次 档距振荡。 表2 - 1各国推荐的分裂导线a d 值一览表 国别前苏联日本英国美国意大利 分裂导线数目8 1 0886 81 0 1 28 a d 值 1 6 7 1 5 9 1 0 4 1 1 7 1 2 9 1 0 8 2 91 4 3 2 4 2 改变分裂导线的倾角 当分裂导线的倾角足以使背风面的导线离开迎风面导线的尾流区时，就可以消 除尾流动力并防止由于尾流引起的所有振动波型。在输电线路的常规设计中，分裂 导线的倾角一般都不超过2 0 4 。 对于线路中设计好的倾角，其防止振动的效果要视对这一倾角的控制和引起倾 角产生偏差的各种因素而定。风压就是因素之一；其他因素指那些甚至在没有风压 的情况下也能引起不同于预定倾角的因素，包括垂度的误差、分裂导线的导线间蠕 变的差别，以及由于冰或其他可能的荷载不同而导致伸长率的不同。所以，倾角设 计必须足够大，以至使上述的偏差值不会将实际档距中导线的倾角又改变为可发生 振动的范围内。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 4 3 减少尾流区中导线的数量 减少迎风面导线的尾流区中导线的数量，实际上就是分裂导线相对位置如何布 置的问题。根据前面提到的，对于双分裂导线，可采用垂直布置，或成4 5 0 对角线布 置，这样也省去了安装间隔棒，而且不仅有效的抑制了次档距振荡和舞动，也避免 了间隔棒及附近导线损坏的弊端。 对于多分裂导线，国外将三分裂导线的三角形扭转3 0 。：四分裂导线采用菱形布 置方式，且扭转4 5 。，以减少尾流效应，抑制次档距振荡。而对于更多的分裂导线， 由于我国尚没有运行经验，需要相关专业人士进一步的研究。 2 4 4 减小次档距的长度 为了减少次档距振荡的强度，除选用防振性能较好的间隔棒外，还考虑用减小次档 距长度的方法，因为同样导线和分裂间距下，振荡幅值与次档距长度成正比。次档距的 长度与振幅的关系如表2 2 所示。这样，就可以减少分裂导线振荡所产生的能量和增 加间隔棒吸收的能量，从而把次档距振荡抑制在安全限度内。但是，过度缩小次档距长 度会造成很大的经济浪费。所以，再加上选择适宜的间隔棒和合理的安装位置布置，次 档距也不必过分缩小。 表2 - 2 次档距的长度与振幅的关系 次档距锄)振荡振幅渤)次档距)振荡振幅) 1 2 01 0 1 23 5 52 4 6 75 8 2 4 5 间隔棒的优化布置和适宜选型 为了更好的吸收次档距振荡产生的能量，最好选用阻尼间隔棒，如图( 3 2 ) 所示。 由于双分裂导线次档距振荡相对较轻，国内一般线路多采用的刚性间隔棒，如图( 3 一1 ) 所示。对于三根及以上的分裂导线多采用整体式阻尼间隔棒。 间隔棒的优化布置问题将在第四章中详细介绍，这里就不在赘述。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章阻尼间隔棒的作用机理和性能测试 输电线路多分裂导线通常采用的是阻尼间隔棒。它是分裂导线输电线路中必不 可少的金具，在分裂导线系统( 空间弹性振动系统) 中起到间隔骨架作用，除了本身 以及帮助分裂导线系统经受大气和冰风荷载的考验之外，对抑制子导线微风振动和 次档距振荡起着重要的作用，在一般档距情况下，不需要再安装其它阻尼装置( 如 防振锤，阻尼线等) 。 3 1 阻尼间隔棒的结构和作用机理 分裂导线所采用的间隔棒按照其工作特性，大致可以分为两类：刚性间隔棒和 阻尼间隔棒。刚性间隔棒就是在其所在的位置无子导线间的相对位移，如图3 1 所 示。而阻尼间隔棒在其所在的位置有子导线间的相对位移，就是在间隔棒的活动关 节中嵌进橡胶垫，利用橡胶垫的阻尼特性起到消振作用，如图3 2 所示。目前，我 国在5 0 0 k v 输电线路系统中，已经使用的有方( 矩) 形阻尼间隔棒、圆环形阻尼间隔 棒和十字形阻尼间隔棒等。 阻尼间隔棒在我国广泛应用于输电线路，其作用原理是：在间隔棒活动关节处， 利用橡胶元件作阻尼材料来消耗导线的振动能量，以便能在保持分裂导线几何尺寸 的同时，使其有充分的活动性。利用橡胶的粘性在交变应力之下，吸收足够的能量以 达到对导线振动产生阻尼作用。该类间隔棒导线有足够的扭转握力，即使当分裂导 线出现扭转现象时，亦不会出现夹的握力有松动情况，适用于各地区。但是，考虑 到我国送电线路的经济条件，这类间隔棒主要用于导线容易产生振动地区的线路( 如 平原、丘陵及开阔地带) 。而刚性间隔棒的消振性能较差，适用于导线不易产生振动 地区的线路( 如山地、林区的隐蔽地带) 或用作路线间隔棒。 a ) 结构图 图3 一l 刚性间隔棒 1 4 b ) 产品图 华北电力大学硕士学饿论文 1 线夹零搀2 。橡骏垫3 线夹盏板4 锬蛲5 橡胶桂 6 。十字鞍套7 框絮零体8 定经盏楹9 螺控 a ) 方孵系列结构b ) 矩形产品图 圈3 - 2 四分裂阻尼间隔棒 3 2 阻尼阀隔棒的性熊测试 对于多分爱导线次秘难振荡酶磷究，主要是戮溺疆薅安装援蹇熬礤究必瓣象。瑟显， 现在广泛选用的间隔棒童鼹是具有较好阻尼性能的黻尼间隔棒。对于每个最严重的振荡 形式，在评估一个间隔棒或阻尼间隔棒的性能时，确定间隔棒夹头刚度是基本的步骤，有 效的阻尼间隔棒必须有一个合理的接避于最优值的刚度僮。因必间隔棒靠线瓜与导线接 触，两导线在运行孛会产壅蠕交，掰潋不仅要握紧还要茨壹在长期运行以螽豹桧动，否 则就会磨损导线造成严黧的后果。而风，阻尼元件的阻尼性能魑研究设计阻尼间隔棒的 关键参数，熬与橡胶元件材料的阻尼系数有关。阻尼间隔棒的耐疲劳特性也怒需要测试 夔一令重要羧素。 所以，就需要对阻尼间隔棒的性熊进行测试，主要测试内容为： 1 ) 测定阻尼间隔棒的阻尼性能能耗和夹头刚度： 2 ) 测定阻尼闯骚捧敕线瓜撰麓力； 3 ) 测定阻尼间隔棒阻趸元件豹阻尼洼麓； 4 ) 测定阻尼间隔棒的耐疲劳特性。“ 1 5 华北电力大学硕士学饿论文 3 。2 毽麓经裴潮试 阻尼问隔棒是利用橡胶垫在关节处产生弹性，吸收消耗能量来减小导线的振 动。其阻尼特性可以通过下面的方法获得：间隔棒体刚性固定，即将3 0 m 左右的导 线在一定戆拉力下张紧，将藏疆搭瓣定在整疆上。在孛点楚麴骧系绞磬蠢频率下豹 激振，当振幅为4 0 7 0 r a m 时释放，用加速度计采集自幽衰减信号，记录振幅 风， ，以，卅。然后求其对数衰减系数d ，如式3 - i 所示。在我国，方型阻尼间隔棒的对 数衰减系数为0 。1 3 o 1 4 ，十字受梵0 1 2 。这样，就可以对鼹屠闯隔棒的隰是性能， 也就是能糕鞠夹头剐凌进行翔定。 艿：三l n ( i 2 ( a 。爿2 + 4 “3 ) ) 撵 式中巧对数衰减系数； ”一一周波数； 焉测试开始时的振幅； 盔一一第辩个周聱弱振黼。 3 ，2 2 线爪握着力测试 ( 3 - 1 ) 在对瓣恧阕隔棒测试辩，线瓜攥蕾力是嚣簧犍臻鸯鬟鞋耋褫豹一矮要求。强茭露 隔棒与导线接触是通过线爪，而导线在长期运行中会产生蠕黛，所以不仪耍握紧还 要防止以后的松动，否则会造成导线的严重磨损。当导线覆冰不均匀时，昂线束偏 穆后闯隔棒仍能握紧导线。 阻恧闯黼捧线乐撵着力豹溅试试验毽括线夹颁线握力试验帮线夹缒糖力矩试 验。对于线夹顺线握力试验，将线夹按要求的紧阐力矩安装在受张导线上。导线张 力一般取2 5 c u t s ( c u t s 计算拉断力) 。顺导线方向对线夹施加压力( 如图( 3 3 ) 所 示) ，囊援定瓣矮线握力篷，瞧定1 分镑。继续璞大拉力妻笺滢移，记录握力篷。 羲辍 图3 3 阻尼间隔棒线夹扭握力试验 华藏电力大学硬士学位论文 瓷握力藿大予要求篷露，试验逶l 璧。 对于线夹轾握力试验哥潋遮榉避雩予，如图( 3 3 ) 所示：布置一个分裂露线豹档 驻，其长度等于线路上最小次档躐的掰倍，将闻隔棒安装在其中点，然掰将间隔棒 投转1 8 0 。，重复1 0 次以上，线爪与鼯线应无滑动。 l 视图a _ a 毫一 强3 - - 4 陬尼间隔捧线夹扭握力试验 3 ，2 3 阻尼元件的阻尼性能测试 橡胶元件性能试验的目的是检镬阻尼间隔棒橡胶元件的物理机械性能悬再满足 标准要求，在胶块和钮状块中选取抽样做实验，试验项