（机械设计及理论专业论文）全介质自承式光缆（adss）微风振动防振计算与仿真.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 a d s s 是一种新型电力特种光缆，可以直接架设在现有电力线路上，由于其卓越 的性能，现已在我国得到广泛使用。线路运行过程中，微风振动对其危害很大，严重 威胁光缆通信线路和电力线路的安全。 本文研究a d s s 微风振动的振动机理，讨论a d s s 微风振动的防振措施。对a d s s 的微风振动力学性能进行分析研究，计算分析出需要保护的微风振动的频率范围。 继而研究防振装置防振锤的力学性能，设计出合理的防振方案，并对该方案进行计 算和试验评估。得到了很好的计算结果，试验验证可以用于工程。最后开发了一套 a d s s 微风振动计算与仿真软件，方便设计人员使用。 关键词：a d s s ，微风振动，强度计算，防振 a b s t r a c t a d s si san e wa n ds p e c i a lt y p eo fe l e c t r i cp o w e ro p t i c a lc a b l e ，w h i c hc a l lb e s p a n n e d o nt h eo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n ei ne x i s t e n c e b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ，a d s sh a sb e e nu s e dw i d e l yi n o u rc o u n t r y a e r ov i b r a t i o nd o e sg r e a t h a r mt ot h ea d s sw h e ni ti n s t a l l e do nt h eo v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n e ，a n dw h i c h t h r e a t e n sc o m m u n i c a t i o nl i n ea n de l e c t r i cp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n ea sw e l l i nt h i sp a p e r ，t h ea d s sa e r ov i b r a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e nr e s e a r c h e da n dt h e m e a s u r eo fa n t i v i b r a t i o nh a sb e e nd i s c u s s e d t h ea d s sa e r ov i b r a t i o nm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ei sa n a l y s i s e df i r s t l y , a n dt h e nt h er a n g eo f a e r ov i b r a t i o nf r e q u e n c yw h i c h n e e d st o p r o t e c t i sc o n f i r m e db a s e do nt h e a n a l y z e t h ed a m p e r sp e r f o r m a n c e i s r e s e a r c h e d t h e nt h er e a s o n a b l ea n t i v i b r a t i o nm e a s u r ei s d e s i g n e d t h e v i b r a t i o n i n t e n s i t yo fa d s s i sc a l c u l a t e da f t e ri n s t a l l e dt h ea n t i - v i b r a t i o nd e v i c e s a n das e r i e so f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e d o nt ot e s tr e s u l t c a l c u l a t e d ，w h i c hi s v a l i d a t e dt ob e r e a s o n a b l ea n dc a l lb 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 fa d s sa e r ov i b r a t i o n c a l c u l a t i o na n de m u l a t i o ns o f t w a r ew a s d e v e l o p e d t of a c i l i t a t et h ed e s i g n e r s f e n gw e i ( m e c h a n i c a ld e s i g n a 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 y w o r d s ：a d s s ，a e r ov i b r a t i o n ，i n t e n s i t yc a l c u l a t i o n ，a n t i - v i b r a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文全介质自承式光缆( a d s s ) 微风振动 防振计算与仿真，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已 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：墨盘日期：矗竺生丛欧 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) 作者签名：i 丕越 日期：亟翌垡丝：盈 导师签名：曼杰醢 日期：型! 三兰：! ：山k 华北电力大学硕士学位论文 1 1 电力特种光缆简介 第一章引言 近年来我国电信市场进一步开放，电力通信面对新的挑战和机遇，它不仅面向 电力系统，还将面对社会、面对整个世界。实现通信的手段也从原来的微波、载波 通信方式发展到现在大量使用光纤通信方式。国家电力公司和国电通信中心的规划 指出，今后电力通信的发展，要以加快网络改造扩建为核心，积极推进高新技术在 电力通信中的应用，建成以光纤通信为主的现代化通信骨干网络。 电力通信的发展带动了电力用光缆的发展，当前主要使用的电力光缆有以下几 种：【1 l 、架空地线复合光缆o p g w ，这种光缆突出的特点是将通信光缆和高压输电 线上的架空地线结合成一个整体，将光缆技术和输电线技术相融合，成为多功能的 架空地线，既是避雷线，又是架空光缆，同时还是屏蔽线，在完成高压输电线路施 工的同时，也完成了通信线路的建设，非常适用于新建的输电线路。 2 、缠绕式光缆g w w o p ，是一种直接缠绕在架空地线上的光缆，它沿着输电线 路以地线为中轴螺旋状地缠绕在地线上，形成了一种依附于输电线支承的光传输媒 介。 3 、捆绑式光缆a l - l a s h ，是一种通过一条或两条抗风化的胶带捆绑在地线或 相线上，减少了光缆由于弯曲缠绕而引起的衰减和增加的长期应力。 4 、相线复合光缆o p p c ，是将光纤复合在输电相线中的光缆。具有可靠性高、 寿命长、安装方便、总体造价低、安全性好等突出优点，在电力系统通信中正在得 到越来越多的应用。 5 、全介质自承式光缆a d s s ，直接架设在电力铁塔上，是目前我国应用最广泛 的电力特种光缆。 1 2a d s s 的结构、特点及应用 a d s s ( a 1 ld i e l e c t r i cs e l fs u p p o r t i n go p t i c a lf i b e rc a b l e ) 全称是全介 质自承式光缆，全介质即光缆所用的材料均为非金属材料，自承式指光缆自身的加 强构件能承受自重和外界负荷。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 1a d s s 的结构 我国应用较多的是芳纶线型的a d s s 光缆，基本结构为缆芯外被覆内护层，螺旋 缠绕芳纶纱，然后再被覆黑色聚烯烃护层，有中心束管式和层绞式两种。其结构如 图i - i 所示。f 2 1 囔 镁； 1 2 2a d s s 的特点 a d s s 除具有一般光缆的通信容量大、中继距离长、抗雷击及电磁干扰、保密 性好等优点外，还有其独特的优点： 1 具有良好的经济性：可与各种电压等级的输电线路同塔( 杆) 架设，不需新立 杆塔，工期短，大大节省了建设费用； 2 具有建设的灵活性：可带电架设光缆，不影响输电线路的正常运行； 3 具有维护的方便性：与电力线路互相独立，不影响输电线路和光缆的正常维 修； 4 具有较强的抗冲击性：a d s s 光缆具有较好的防弹功能，适合雷区、猎区等 区域。 i 2 3a d s s 的应用 美国、加拿大、日本和欧洲的发达国家从2 0 世纪8 0 年代开始在电力系统开展 光缆的研究开发和实际应用。以美国a f l 公司、日本藤仓、住友、古河公司以及法 国的a l c a t ，f o c a s 公司为代表，多年来开发和生产了各具特色、不同结构的a d s s 光缆。2 0 世纪9 0 年代，随着光缆的普遍应用和电力高压线路的发展，a d s s 的应用 迅猛发展，已成为当前光缆行业的一个热点。 我国最早从1 9 9 6 年广东省大亚湾核电站引进和安装a d s s 应用开始，至今在各 2 华北电力大学硕士学位论文 种电压等级的线路上架设的a d s s ( 包括进口、合资、国产) 已达约5 0 0 0 0 千米。目 前用于最高电压等级为2 2 0 k v ，最大跨距为1 2 2 8 - - 1 4 2 0 m ，最大芯数1 0 8 芯。无论 从数量、应用范围，使用的电压等级、跨距和芯数来看，已成为电力特种光缆的“大 p ”。 3 1 1 3a d s s 微风振动问题的提出 在线路运行使用过程中，微风振动现象始终是a d s s 线路安全的一大危害，a d s s 微风振动的波形为驻波，即波节不变，波幅上下交替变化。微风振动的时间为数小 时或长达数天，一年中振动的时间占全年的3 0 5 0 。由于a d s s 的直径小，微 风振动频率高，自阻尼小，所以比导线、地线的微风振动更加严重。长期振动容易 造成光缆的疲劳断股或光纤损伤、金具磨损失效，振动严重时甚至造成断线事故， 严重威胁光缆通信线路和电力线路的安全。 为防止微风振动的危害，必须针对a d s s 微风振动的特殊性设计防振方案。一个合 理的防振方案可以将光缆振动水平抑制在安全范围以内，而不合理的防振方案不仅不能 有效地保护a d s s 的安全，反而可能导致更严重的振动危害。因此，a d s s 防振方案的设 计、计算工作在线路安全运行中起着举足轻重的作用，应引起足够的重视。 自从1 9 2 5 年乔治司托克布里奇( g s t o c k b r i d g e ) 发表第一篇导线微风振动 的论文以后，国际上许多专家对微风振动问题作了大量的试验研究，提出了很多有 价值的论文。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 系列防振锤，于2 0 世纪7 0 年代开发了架空输电线路防振导则的计算机防振设计。 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。1 4 】在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 一2 2 ) 对架空输电线微风振动问题做出 了总结报告，总结了当时国际上关于导线微风振动的经验和研究情况。8 0 年代中期 欧美等发达国家开发研制了a d s s ，使用后发现存在着与导线一样的微风振动问题，而 且由于a d s s 的自身特性，振动更加厉害，危害也更严重。a d s s 微风振动问题参照导线 微风振动的研究，a d s s 的机械特性以及微风振动试验方法依照国际上普遍采用的i e e e p 1 2 2 2 草案，该草案于1 9 9 3 年出版；经1 9 9 5 年和1 9 9 7 年两次修订，逐渐趋于完善。 如今，线路微风振动问题有了长足的发展，但是由于这个问题的复杂性，仍然有很 多问题需要进一步的研究解决。 我国于上世纪五十年代末开始注意导线的微风振动问题，近几十年已建立了微 风振动问题的一系列试验和研究方法。a d s s 自引入我国以来得到了迅速发展，应 用日益广泛。但对a d s s 振动特性定量的研究较少，2 0 0 3 年8 月国电电力建设研究 所和江苏电力设计院合作首次对a d s s 微风振动的振动特性和防振问题进行了试验 研究，取得了较好的减振效果，但不是最理想的，仍须进行深入的研究和分析。目 3 华北电力大学硕士学位论文 前，我国对a d s s 微风振动问题的基础理论研究方面仍然比较落后，尤其是振动强 度计算方法等需要深入研究和探讨。因此，对a d s s 微风振动计算理论和方法展开 深入的研究，并开发出相应的计算机仿真软件，对于a d s s 工程设计和施工是很有 帮助的。 1 4 课题研究内容 本文主要对a d s s 微风振动系统进行理论分析，设计防振方案。建立a d s s 微风 振动系统的数学模型，对未加有防振装置和安装了防振装置的振动系统分别进行强 度计算，并通过试验验证计算的合理性。最后将计算程序编制成a d s s 计算仿真软 件包，以方便使用。具体研究工作如下： 1 a d s s 微风振动的基本理论分析。研究a d s s 微风振动的能量平衡原理、a d s s 的振动机理以及影响因素； 2 对a d s s 微风振动进行自阻尼测试，采用功率法经试验获得a d s s 自阻尼的特 性曲线并拟合成数学表达式； 3 研究当前主要使用的防振措施，针对a d s s 微风振动的特点提出合理的防振 方案： 4 对未装防振装置和安装防振锤后的a d s s 微风振动系统分别建立数学模型， 并进行强度计算。这是本文的核心内容也是难点所在。强度计算主要包括a d s s 和 防振锤的参数识别以及计算a d s s 的平衡振幅值和动弯应变值。由于系统呈很强的 非线性，给计算带来很大不便。完成计算后结合国电电力建设研究所的试验数据对 计算结果进行分析，验证计算方法的可行性； 5 开发a d s s 微风振动计算防振软件包。软件包包括分析计算模块和数据库模 块。由于振动系统呈强非线性，为了减少程序的繁琐以及加快程序运行速度，采用 m a t l a b 6 1 开发软件的计算部分，完成计算的主要内容。用v i s u a lb a s i c 6 0 开发 软件界面，提供给用户功能丰富、交互便捷的可视化界面。两者利用a c t i v ex 自 动化技术链接，结构紧密、调用快捷。并配以a c c e s s 数据库，为计算的选择参数 以及存储数据提供方便。 图i - i 给出了a d s s 防振方案的设计和计算过程，本文按此顺序进行论述。 4 华北电力大学硕士学位论文 图1 - 1a d s s 防振设计计算流程图 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章a d s s 微风振动基本理论 本章主要对a d s s 微风振动现象进行阐述，用空气动力学的知识分析a d s s 微风 振动的振动起因和使之维持振动的原因；讨论a d s s 微风振动的影响因素，对a d s s 的架设安装提出建议。能量平衡原理是研究a d s s 微风振动的基础，本章对能量平 衡原理进行详细论述。另外分析a d s s 自阻尼特性，对g y f t y 2 4 b 1 1 型a d s s 进行 自阻尼试验，给出其自阻尼表达式，并绘制出自阻尼特性曲线。 2 1 微风振动现象 a d s s 架设在电力铁塔上，微风吹过常常引起光缆微风振动。a d s s 微风振动是 由于风的激励而引起的a d s s 机械振动的一种现象，是一种小振幅振动。引起a d s s 微风振动的风速通常为0 5 l o m s ，振动时间一般为数小时，有时长达数天。振动 双振幅一般不大于a d s s 直径的2 3 倍，振动频率约为3 1 2 0 h z ，由于a d s s 自阻 尼的作用，a d s s 需要保护的频率范围一般是1 5 9 2 h z 。一般风速越平稳，风向越 垂直于光缆，微风振动就越容易发生。影响微风振动的主要因素还包括：a d s s 架 设线路附近的地形、线路的档距、a d s s 的张力等。当线路经过地形开阔的地区时， a d s s 最容易产生微风振动，如江河、湖泊、海峡、山谷等大跨越，a d s s 微风振动 现象尤为突出。 由于a d s s 的直径小，振动频率高，自阻尼小，而且每天积累起来的振动次数 大于直径较大的导线，所以微风振动现象更加严重。微风振动的主要危害是造成光 缆的疲劳断股或光纤损伤、金具磨损失效，振动严重时造成断线事故，严重威胁光 缆通信线路和电力线路的安全。2 0 0 3 年6 月2 日和2 0 0 3 年6 月2 3 日阳城电厂至 东明开关站电力通信线路1 4 6 站引入光缆a d s s 后发生过两次断线事故，引起科技 工作者对a d s s 微风防振的进一步重视。a d s s 在我国的广泛应用也使得a d s s 微风 振动问题成为研究的热点。 2 2 微风振动现象的振动机理 微风振动现象的振动机理主要从以下三方面进行分析：1 、振动产生的诱因；2 维持振动的原因；3 振幅自限制作用。1 5 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 1 振动产生的诱因 根据流体力学的理论，当一个流体质点流近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 在形成的附面层在圆柱体的两侧逐渐发展。在圆柱体的最宽截面附近，附面层从圆 柱体表面的两侧脱开，并形成两个在流动中间尾部拖拽的剪切层，这两个自由的剪 切层就构成了尾流的边界。因为剪切层的最内层与自由流接触的最外层相比较，它 的移动要慢的多，于是这些自由剪切层就倾向于卷成不连续的旋涡，从而在尾流中 形成一个规则的旋涡流型，这种旋涡的流动和圆柱体的相互作用，就是诱发微风振 动的根源。需要说明的是，尽管a d s s 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a d s s 线路。对于这种风吹过圆柱体时在圆柱体后方流域形成涡道的现象， 最早作出系统阐述的是卡门( k a m a n ) ，所以把诱发线路振动的涡道称为卡门涡道， 涡道中的旋涡称为卡门旋涡。 如图2 - i 所示，当雷诺数很低时，流体并不脱落圆柱体，当该值提高时，紧贴 “蓼连离、= = 二乡一麓兰、心之兰2 迤适 图2 - l 卡门旋涡示意图 圆柱体背后就形成一对稳定的旋涡，若雷诺数连续提高，旋涡就拉长，直到旋涡之 一脱落圆柱体。于是一个周期性交错排列的涡道就形成了。旋涡在a d s s 缆线上下 反复交替地产生和消灭，作用力就随着上方和下方( 正和负) 旋涡消长的周期而以 交变应力的形式施加给缆线。当旋涡消长的频率与缆线的固有频率接近时，就会发 生共振现象，诱发a d s s 微风振动。所以卡门旋涡是诱发a d s s 微风振动的原因。 2 2 2 维持微风振动的原因 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) 概念来分析 维持微风振动的原因。 由斯特罗哈( 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( v ) 7 华北电力大学硕士学位论文 与圆柱体直径( d ) 的商成正比： f = s v d s ( 2 1 ) 式中s 为斯特罗哈常数，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 不再由式( 2 - 1 ) 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 ) 确定的流速坎之比在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a d s s 以接近于主频率的圃有频率开始振 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。 所以，a d s s 一旦起振以后，在风速变化的一定范围内，同步效应将使振动持续下去。 2 2 3 振动振幅的自限作用 a d s s 的微风振动是一种小振幅振动，即振动振幅不超过a d s s 直径的1 5 倍。在 对流体绕圆柱体流动诱发振动的研究中，人们发现要维持稳定的涡道，必须满足： 2 h = 1 3 d ( h 为涡道中心的垂直距离，d 为圆柱体外径) 。若圆柱体振动的振幅增大到 超过大约0 5 d 的时候，交替间隔排列的旋涡的对称图像就开始破坏。有实验表明， 当振幅为d 而雷诺数r e = 1 9 0 时，在每一个振动周期里会形成三个旋涡，而不再是 小振幅时每个周期中形成两个旋涡那样稳定的图像。此时，流体对圆柱体各点的作 用力趋向无序。对称旋涡脱落规律的破坏表明，在圆柱体上有旋涡诱发的力，当圆 柱体振幅大致是其直径时是自限的。即随着振幅的继续增大，交变作用力会越来越 小。在高雷诺数时，这种自限作用依然存在。g d i a n a 和m f a l c o 使用直径长度 = ( 3 0 1 5 0 m m ) 5 0 0 m m 的圆柱体，在雷诺数r e = 2 1 0 的范围内所做的风洞试 验也证实了自限作用的存在。自限作用表明当振幅大于0 5 d 以后，流体输给圆柱 体的功率就急剧减小。这个研究结果非常重要，表明具有圆柱截面的振动体在使圆 柱体产生振动的流体中，不论有无阻尼存在，振幅都不可能达到远超过其截面直径 的值，所以自限作用很好地解释了微风振动是一种小振幅振动。 至此，运用流体力学中流体绕圆柱体流动的研究成果解释了a d s s 微风振动的 振动机理，指出卡门旋涡是诱发a d s s 振动的原因，同步效应使得振动得以维持， 自限作用的存在限制了微风振动的振幅。 8 华北电力大学硕士学位论文 2 3a d s s 微风振动的影响因素 影响a d s s 微风振动的因素主要有：风速、风向、档距、悬点高度、a d s s 应力 以及地形地物等。1 6 1 2 3 1 风的影响 引起a d s s 微风振动的基本因素是均匀稳定的微风。一方面，a d s s 起振需要一 定的风能，一般产生导线振动的最小风速可取0 5 0 8 m l s ，风速如果再小就不会 发生振动。另一方面，要维持a d s s 的持续振动，振动频率必须相对稳定，既要求风 速应具有一定的均匀性，如果风速不规则的大幅度变化，则a d s s 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、a d s s 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，a d s s 悬挂点必然增高。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，a d s s 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，很少出现振动。 2 3 2a d s s 直径和档距的影晌 、 a d s s 的振动是沿整档里驻波分布的，即a d s s 离开平衡位置的位移大小是沿档 距长度按正弦规律变化的。同时在同一频率下，波幅点( 最大振幅) 及波节点在a d s s 上的位置恒定不变。波长计算公式如下： a ：一d 1 9 8 1 孑 ( 2 2 ) 俨面、g “1 式中： d 一一a d s s 直径，( m ) o v 一一风速，( m s ) ； s 一一司脱罗哈常数； c r a d s s 的应力，( m p a ) ； g 一一a d s s 的自重比载，( k g m m 2 ) 。 由上式可知，振动波的波长和a d s s 直径成正比，而另一方面，一个档距中振动 波的半波数为整数。所以，档距越大、a d s s 直径越小，档中形成完整半波数的机会 越多，也就是a d s s 产生共振的机会越多，a d s s 振动程度也越严重。实际观测证实： 档距小于l o o m 时，很少见到振动，档距在1 2 0 m 以上时，振动就严重一些，在跨越 河流、山谷等高杆塔大档距的地方，可以观测到较强烈的振动。 华北电力大学硕士学位论文 2 3 3 应力的影响 a d s s 应力是影响振动烈度的关键因素，且对a d s s 振动的频带宽度有直接影响。 静态应力越大，振动的频带宽度越宽，越容易产生振动。另一方面，a d s s 长期受振 动的脉动力作用，相当于一个动态应力叠加在导线的静态应力上，而a d s s 的最大允 许应力是一定的。可见，静态应力越大，振动就越厉害，动态应力越大，对线路的 危害就越严重。而且，随着静态应力的增大，a d s s 本身对振动的阻尼作用显著降低， 加重了振动的强度，更易使a d s s 材料疲劳，引起断股断线。 2 4 功率平衡原理分析 功率平衡原理是对a d s s 微风振动系统研究的理论基础。无论是a d s s 微风振动 的试验分析还是理论计算都是以功率平衡原理为依据的。 2 4 1 功率平衡原理 。 如前所述，风吹过a d s s 在它的背风侧产生卡门旋涡引起了微风振动。从能量的 角度来说就是风对a d s s 作了功，并不断地给a d s s 输入能量。风输入a d s s 的能量一 部分被振动的a d s s 自身消耗了，另一部分被防振装置消耗了。当a d s s 微风振动达 到某一稳定振幅时，风输入的能量就等于a d s s 消耗的能量与防振装置消耗的能量之 和。即： 易= 只+ 弓 ( 2 - 3 ) 式中：p ，一一单位时间风输给a d s s 的能量，即风能功率，( w ) ； 尸。一一a d s s 振动消耗的功率，即自阻尼功率，( w ) ： 只一一防振装置消耗的功率，( w ) 。 如图2 2 所示，点a 是无防振装置时p 辟，和只的能量收支平衡点，若此点对应的 振动强度在安全范围以内，则不需要安装防振装置。否则要安装防振装置，使能量 平衡点移到b 点。若b 点对应的振动强度在安全范围以内，则表明防振措旌是合理 有效的。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 功 蛊 p ； 振动幅值h ( m m ) 1 风能功率( p ) 2a d s s 自阻尼功率( 只) 3a d s s 及防振装置消耗的功率( 只+ 岛) 图2 2 能量平衡原理 2 4 2 风能曲线的选取 由于分析的a d s s 微风振动是在风速位于0 5 l o m s 的范围内，因此空气是处 于层流状态。对弹性支撑的、可上下振动的圆柱体在风洞中进行吹风试验，风能曲 线如图2 3 所示，风能功率用公式表示为： 图2 - 3 风能功率曲线 华北电力大学硕士学位论文 岛= f 3 d 4 _ f ( y ) f ( 古) ( 2 4 ) 式中：厂一一频率，( h z ) ； d 一一导线直径，( m ) ； v 风速，( m s ) ； 【，波幅双振幅，( m ) 。 由于国内没有专门的风能试验数据，因此需借鉴国外的研究成果。目前使用较 多的是s l e t h e i 风能曲线和d i a n a 风能曲线。根据我国多年来防振研究经验，考虑 到前者输入风功率较高，有利于安全，本课题采用s l e t h e i 风能曲线进行计算。表 达式如下： = t 6 ：q 广。4 言+ 。s ( 丢) 2 c z s ， 式中： c 。动态升力系数，c l = 厂一一频率，由式( 2 - 1 ) 确定，( h z ) y 一一风速，( m s ) ； d 一一a d s s 直径，( m ) ： y 一一a d s s 振动双振幅，( m ) 。 2 4 。3 功率平衡原理分析 a d s s 自阻尼只和防振装置消耗的能量p 。的确定将在后面的章节中进行论述。 在知道主要参数后，运用功率平衡原理就可以对架空输电线的振动状态作出评价： 无防振器时： 昂= 只 ( 2 6 ) 有防振器时就是式( 2 - 2 ) 。 式( 2 - 5 ) 常用来决定是否需要加装防振器，式( 2 2 ) 用来评价安装的防振器是否 适合。p ，、巴和只均是频率f 和振幅y 的函数。在整个风振频率范围内，可以求得 最大的平衡振幅，从而求得最大动弯应变值，若这个平衡振幅或者动弯应变值小于 许用值，就毋须安装防振装置；若超过了许用应变值，就需要加装防振装置。安装 防振装置以后，就可以用式( 2 - 2 ) 来确定此时的最大平衡振幅值和动弯应变值， 若小于许用值，则安装的防振装置就是适合的，反之就是不适合的。这也是分析a d s s 1 2 华北电力大学硕士学位论文 微风振动系统的主要工作。 2 5a d s s 自阻尼 2 5 1a d s s 自阻尼的定义 a d s s 自阻尼是单位长度缆线所消耗的机械振动功率，表征振动时自身消耗机械 振动能量的能力，是消耗a d s s 微风振动能量的重要因素，其值直接关系a d s s 微风 振动的水平，自阻尼越大越有利于防振。a d s s 自阻尼主要取决于材料内阻尼和材料 间的摩擦，还与它的张力、波长、波腹振幅( 双振幅) 、频率等因素有关。由于a d s s 生产工艺不同，自阻尼分散性大，且受诸多因素影响十分复杂，目前世界上没有a d s s 自阻尼理论计算方面的报导，一般都通过试验测定。a d s s 自阻尼表达式为： 只= 妒4 ( r d ) 4 ( 2 6 ) 式中：f a d s s 振动频率，( h z ) ； d a d s s 夕 径，( r a m ) ； y a d s s 波腹双振幅，( m m ) ； k 、a 、1 3 为系数，通过试验测定。 2 5 2a d s s 自阻尼的测量 a d s s 自阻尼的测量方法有三种：迫振法、自由振动衰减法、和驻波比法。i g l 迫振法是将a d s s 按一定张力架设，两端以重型墩块压紧，以振动台强迫a d s s 振动，在共振状态下，测取a d s s 的振幅和振动台传给a d s s 的功率，这一方法是目 前国际上较多采用的一种试验方法。 自由振动衰减法即将a d s s 按一定张力架设，让缆线以某种振型振动起来，并 无干扰得突然脱开激振力，让其自由衰减振动，测量自由振动的对数衰减率。此方 法的难点是突然脱离手段较难实现，因此国际上很少使用。 驻波比法是将a d s s 按一定张力架设，以振动台强迫a d s s 振动，在共振状态下， 测取缆线相邻波节、波幅点的振幅，计算a d s s 自阻尼，此方法对波节点的振幅测 量精度要求较高，不易实现，国内尚无条件进行。 本课题中a d s s 的自阻尼特性采用功率法经试验获得。试验布置如图2 4 所示， g y f t y 2 4 x b l 1 型a d s s 以6 o o k n ( 1 9 u t s ) 张力架设在试验档上，两端通过压板固 定在重型墩块上，以电动振动台作为振源，用特定频率激振a d s s 。测量的频率范围 为1 9 5 3 h z 7 4 9 5 h z ，选定1 0 个频率，在每一频率下改变五个激振功率值( 这五 个功率值应包含在a d s s 实际微风振动的功率值内) ，在系统达到稳定振动时测量激 1 3 华北电力大学硕士学位论文 振功率和波腹振幅。 图2 4a d s s 自阻尼试验布置示意图 2 5 3a d s s 自阻尼解析表达式的拟合 a d s s 自阻尼有明显的非线性，它是振动频率、振幅的函数，通过试验测得的a d s s 自阻尼数据是离散的点，不便于计算使用，必须拟合成解析表达式才可运用到实际 的工程防振计算中去。 拟合采用最小二乘法。首先，对于一个频率的5 个试验点拟合成如下形式： 只= 1 0 ( y d ) “ i = l ，2 ， ( 2 - 7 ) 这样得到两组数据( a i ，f ) 和( 历，) ，再将它们分别拟合成以下表达式： 口= 口o + a i ，+ 口土厂2 ( 2 - 8 ) p = b o + 岛拍2 ( 2 - 9 ) 这样就得到了a d s s 自阻尼解析表达式： 只= 1 0 9 ( y i d ) 4 ( 2 一1 0 ) 对于g y f t y 2 4 x b l 1 型a d s s ，口、口的值如下：【9 j 口= 1 9 8 2 2 2 8 1 2 7 6 4 8 3 x1 0 3 f 口= - 0 2 3 1 6 1 7 + 5 2 1 2 0 4 6 1 0 2 f 1 4 5 5 2 8 4 1 0 “f 2 为了直观起见，根据上式绘制出a d s s 自阻尼双对数特性曲线，如图2 - 5 所示。 与相同外径的o p g w 自阻尼相比较，a d s s 自阻尼是o p g w 自阻尼的一半，可见a d s s 自阻尼很小，不利于防振。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 5a d s s 自阻尼特性曲线 1 5 华北电力大学硕士学位论文 第三章a d s s 微风振动防振措施 根据引起a d s s 振动的原因及其影响因素和a d s s 振动破坏原理，防振措施可以 从两方面入手。 一是提高设备的耐振性能。a d s s 振动对线路危害主要是引起线夹出口处a d s s 断股断线，所以提高耐振性能的措施主要有： 1 ) 在线夹处安装预绞丝护线条，以增加线夹出口附近a d s s 的刚性，减少弯曲 应力和挤压应力，同时对a d s s 振动起一定的阻尼作用。 2 ) 改善线夹的耐振性能，如要求线夹转动灵活，从而线夹随着a d s s 的上下振 动能灵活转动，减小a d s s 在线夹出口处的弯曲应力。 3 ) 在技术和经济条件许可的情况下，尽可能降低a d s s 静态应力。 二是设法防止和减弱振动，可采取的方法有： 1 ) 设法从根本上消除引起a d s s 振动的条件。如线路避开易振区：年平均运行 应力降低到不易发生振动的程度等。但这些措施在实际工程中是不容易实现的。 2 ) 设法利用线路设备本身对a d s s 振动的阻尼作用，以减小a d s s 的振动，如 采用柔性防振线夹等，现在在电力光纤通讯中应用广泛的预绞式耐张线夹和预绞式 悬垂线夹都具有增强线夹自阻尼，减小磨损的作用。 3 ) 在a d s s 上安装防振装置以吸收或减弱振动能量，消除a d s s 振动对线路的 危害。目前a d s s 采用的防振装置是螺旋阻尼器和防振锤。 在实际工程中，往往将以上两方面的措施配合使用。由于a d s s 自阻尼较小， 不利于防振，所以在工程中必须安装防振装置。 3 1 螺旋防振器防振方案 螺旋防振器是近年来出现的一种冲击型减振器，材料为高强度、耐老化的塑料。 结构如图3 - 1 所示，由减振部分和夹紧部分组成。夹紧部分握住光缆，通过减振段 图3 - 1 螺旋防振器示意图 与光缆的拍打来消耗能量。它能够有效地消耗光缆的振动能量，对风力产生的振 动起阻尼作用。具有防减振、保护光缆和金具的作用。 螺旋防振器的配置包括两个步骤：首先是根据光缆直径确定螺旋防振器的型 1 6 华北电力大学硕士学位论文 号；其次要根据光缆的运行张力、档距大小确定每档需要配置的数量。关于螺旋防 振器的配置见表3 一l 。【”】 表3 - i 螺旋防振器的配置 螺旋防振器具有重量轻、安装方便的特点，但它的振动性能复杂，防振效果难 于确定。它具有较高的响应频率，试验表明，螺旋防振器对于小直径的光纤线路、 配电线路的高频振动的减振非常有效，而对较大直径的线路，效果就不理想。在使 用过程中发现，螺旋防振器与a d s s 结合处电腐蚀现象比较严重。为防止这种现象的 发生，建议光缆的螺旋防振器与内绞丝末端保持一定的距离，内陆地区保证0 5 l 米，沿海地区考虑i 5 米以上。 3 2 防振锤防振方案 3 2 1 防振锤的防振原理 防振锤是目前各国使用最广泛的防振器件之一，用于a d s s 的多为4 d 型防振锤， 如图3 - 2 所示。这种类型的防振锤是按斯托克布里奇音叉式设计，有四个谐振频率， 在功率特性曲线上呈现四个峰，它所对应的频率即为它的四个谐振频率，主要用于去 除和分散由于微风振动对光缆所产生的冲击能量。 1 线夹2 线夹盖板3 ，4 锤头5 钢绞线 图3 - 2 防振锤 2 防振锤有一段短的钢绞线在其两端各装一个重锤，中间有专为装于a d s s 上使 1 7 华北电力大学硕士学位论文 用的夹板。当a d s s 振动时，夹板随着导线上下移动，由于两端重锤具有较大的惯性 而不能和夹板同步移动，致使防振锤的钢绞线不断上下弯曲。重锤的阻尼作用减小 了振动的振幅，而钢绞线的变形及股线间的摩擦则消耗了a d s s 振动传给它的能量， 从而减小了a d s s 的振动。a d s s 振动的振幅越大，防振锤的钢绞线上下弯曲挠度越 大，则消耗的能量越多。振幅减小，防振锤消耗的能量随之下降，最后在能量平衡 的条件下导线以很低的振幅振动。 3 2 2 防振锤的安装要求 防振装置合理与否直接关系着振动强度的高低，如果安装不合理，还会起到相 反的作用，因此安装防振锤要遵循以下基本要求： 1 防振锤应具有良好的消振吸能作用，有效降低a d s s 的振动。这不但有利于 a d s s 防振，而且还能最大限度的阻止振动传到金具和杆塔上。 2 防振锤应对a d s s 悬垂线夹及耐张线夹处给以特殊有效的保护。由于悬垂线 夹和耐张线夹处a d s s 静态受力复杂，而且受力较大，有必要对该点进行特殊保护， 使其动弯应变比许用应变低很多，以确保线路的安全运行。 3 防振锤应结构合理，各夹固点处的a d s s 动弯应变均应满足防振需要，使其 动弯应变控制在许用应变以内。由于安装了防振锤，全部或部分地阻挡了振动波传 至悬垂线夹，使得悬垂线夹处的动弯应变大幅度降低，有效地保护了该点。可是， 由于防振锤在振动中也有振动力传到a d s s 上，使得防振锤夹头处a d s s 产生附加动 弯应变。结构合理会使各点的力均较小，从而使各夹固点的a d s s 动弯应变处于许 用值以内。如果防振锤结构安排不合理，会在个别夹固点产生较大的振动力并传到 a d s s 上，从而使该点产生较大的动弯应变，以至于超过许用应变。 4 防振锤应安全可靠，不但具有较好的防振能力和强度，而且应具有较好的 疲劳特性。必须将防振锤本身的振动强度控制在一定范围以内，以确保防振锤的特 性稳定不变，从而确保防振锤的防振性能稳定。 3 2 3 防振锤的选型 从防振锤的防振原理可以看出，选择防振锤型号时，要考虑以下三个要素： 首先，防振锤的固有频率应与a d s s 可能发生的振动频率范围相适应； 其次，防振锤的质量要适当，太轻则防振效果差，太重则可能在防振锤安装位 置形成新的波节点。一般来说防振锤的重量为层流风速时的一个波长光缆重量的 1 2 3 4 ，理论计算公式如下： w = m ( 1 2 3 4 ) 2 ( 3 1 ) 式中： 1 8 华北电力大学硕士学位论文 w 一一锤头重量，( k g ) ； m 一一光缆单位重量，( k g k m )； 九一一通常情况下层流风速的半波长，( k m ) 。 另外，还应综合考虑a d s s 的主要技术参数，如张力、风速、地形等因素。 3 2 4 防振锤的安装位置 a d s s 安装防振锤后，应该在要求的频带内，防振锤都能起到满意的防振效果。 图3 - 3 是防振锤安装在不同位置的两个防振方案的频率动弯应变特性曲线，其中防 披翠( h z ) 图3 - 3 防振锤在不同安装位置对动弯应变的影响 振方案二分别用了不同生产厂家的防振锤，曲线显示了防振锤安装在不同位置时对 线夹出口a d s s 上动弯应变的影响。由图可知，a d s s 装上防振锤后，线夹出口处的 动弯应变明显下降，同时可以看出同一a d s s 上，由于安装位置不同，动弯应变的降 低效果也随之不同。如果安装位置设计不当，a d s s 上的动弯应变就会出现超标，所 以应该精心安排防振锤的安装位置。 在确定防振锤安装位置时，因为a d s s 的振动是沿整档缆线呈驻波分布的，a d s s 悬挂点处无论何种频率的振动均为一固定的波节点，因此防振锤应安装在悬点附近； 另外，防振锤应安装在波幅点附近，这样防振锤甩动幅度最大，消耗振动能量最多。 然而，a d s s 振动的频率和波长并非是唯一的，而是在一定范围内变化，为使防振锤 的安装能对各种频率和波长的振动都能发挥一定的防振作用，就应该照顾到出现最 大及最小半波长时，都能起到一定的防振作用，这样自然对