新型形狀記憶合金間隔棒防舞研究與試驗

張佃華 馬萬明 王鈺鑫

摘 ?要：本試驗項目名稱為500 kV緊湊型線路抗振相間間隔棒研制。為了減小輸電線路舞動帶來的危害，本實驗基于形狀記憶合金（NiTi）的優良屬性，在傳統間隔棒上加裝合金絲與鋼球組合構成新型間隔棒，研制出了一種新型形狀記憶合金相間間隔棒。在實驗室模擬不同頻率振幅下的舞動實驗，對兩種相間間隔棒的減振效果進行數據采集，對采集到的數據分析對比，比較新型相間間隔棒與普通相間間隔棒的減振效果，得出新型相間間隔棒減振效果更佳，對新型相間間隔棒內部合金絲與鋼球組合結構進行調整（合金絲直徑、鋼球的質量）優化新型相間間隔棒，得到減振效果最佳的相間間隔棒。

關鍵詞：記憶合金;間隔棒;阻尼器;振幅;減振

中圖分類號：TM753 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）36-0044-02

1 ?概 ?述

在輸電線路上，導線往往隨著風的吹動而擺動，特別是當導線距離地面較高、風速較大并且持續作用時，風不斷的給輸電線路輸入能量，而導線系統則是通過擺動來散發這種能量，久而久之達到一種平衡狀態而產生一種低頻大振幅的擺動，這種擺動就是我們通常所說的舞動。舞動對輸電線路的危害是相當大的，輕則導線疲勞斷股、金具受損、重則發生輸電線路倒塔事故，給國家帶來嚴重的資產損失。其中常見的解決方式是安裝相間間隔棒，傳統的間隔棒可以有效的預防一些小型線路發生舞動造成的事故。然而隨著近些年來大跨越輸電線路的不斷增加，傳統的相間間隔棒已經漸漸不能滿足需求。

形狀記憶合金（鎳鈦）是一種新型的智能材料，因為它特有的形狀記憶、超彈性、高阻尼特性、抗腐蝕、抗疲勞等一系列優良屬性，生物醫學、機械、電子和航空等領域得到大量的應用。其超彈性可恢復應變高達6%～8%，屈服應力在400～500 MPa，與鋼才相當。當其極限強度超過1 000 MPa，極限變形高達20%，遠遠高于一般的金屬物。利用形狀記憶合金超彈性效應制成的耗能器與其他金屬耗能器相比使用周期長，不但可以滿足輸電線路上要求的力學性能（承受較大的變形能力），而且還能滿足長期戶外使用的耐久性（抗疲勞、抗腐蝕），能夠克服其他類型阻尼器面臨的老化、可靠性低，維護費用高及殘余變形大等問題。本實驗就是以形狀記憶合金絲（材料為鎳鈦）的這些特性研制了一種結構形式簡單、耗能能力極強的新型相間間隔棒。在工程應用中具有廣闊的發展前景。

2 ?新型合金絲間隔棒工作原理

當導線發生舞動時，隨著導線的大幅擺動會帶動相間間隔棒振動，其中相間間隔棒的耗能途徑包括兩部分，一部分是連接兩個間隔棒之間的絕緣子串通過絕緣子串自身拉、壓、彎、扭的擺動方式耗能。另一部分是靠間隔棒內部合金絲阻尼器耗能。由于輸電線路發生舞動時會帶動間隔棒內部鋼球也振動，鋼球振動的同時帶動合金絲不斷的拉伸、收縮以此消耗能量。由于合金絲自身的超彈性特性，屈服應力在400～500 MPa與鋼材相當，即使很小的變形也會消耗巨大的能量，因此有著顯著的減振效果。

3 ?實驗布置

本試驗項目名稱為500 kV緊湊型線路抗振間隔棒研制。實驗是在東北電力大學國家重點實驗室DXZ-1型輸電導線及金具多功能試驗系統上進行的，該系統之前承擔過多項科技項目的試驗研究任務，并為多家科研院所和企業提供技術服務。本系統主要技術指標：可模擬架空輸電線路實際運行狀態下的垂直振動（微風）、順線振動（順線風）、水平振動（橫向風）、扭轉振動（導線舞動）等各種振動工況。本試驗研究的是43 m檔距兩相輸電線路，整條線路均是嚴格按照架空輸電線路設計規范設計。導線型號為LGJ-400/35，直徑26.82 mm，截面積564.66 mm2，綜合彈性模量6.5*1 010 Pa，其中兩間隔棒之間選用復合絕緣子串進行連接。整個輸電線路系統結構大廳布置，如圖1所示。

本實驗準備了直徑分別為0.5 mm、0.3 mm的鎳鈦合金絲，直徑70 mm、80 mm、90 mm的鋼球來進行間隔棒內部組合，新型間隔棒內部結構初始選用合金絲的直徑為0.5 mm，合金絲的剛度為42.12 kN/m，初步選用質量為2.147 kg的鋼球，鋼球的直徑為80 mm，用連接件將鋼球與合金絲裝置在間隔棒上組成新型間隔棒，其中間隔棒的內環直徑為300 mm，當掛80 mm直徑的鋼球時，需要考慮留給合金絲的長度，以便于計算合金絲的預應力。鋼球的焊爪長度為5 mm，鋼球焊爪距離間隔棒內徑邊緣為55 mm，經測得合金絲的極限線性應變為6%，選取合金絲的長度為50mm，根據極限應變合金絲可以獲得的最大變形為50*6%+50=53 mm，55 mm>53 mm說明可以滿足合金絲的拉伸條件，這段長度可以由合金絲的連接件后面的螺栓來調節。為了便于比較在不同直徑合金絲與不同質量鋼球的組合條件需要在相同的合金絲初應力下進行，通過調節小槽鋼后面的螺絲來調節合金絲的初始應力，本實驗合金絲選用的初始應力均為1.5*42.12=63.18 N，新型間隔棒與普通間隔棒實物圖，如圖2、圖3所示。

本實驗系統的激振器上安裝振動臂，可以依靠激振器下的推拉底座帶動扭桿而實現振動臂的左右擺動，因此由振動臂帶動導線左右擺動加上導線自身的重力作用會形成導線自身上下、左右擺動，這就是導線舞動的機理，而且隨著對激振器頻率、振幅的加載等級加大，舞動的幅度也會隨著加劇。

將新型相間間隔棒掛在兩相六分裂導線上，分別對激振器施加不同頻率、振幅下的加載等級，在導線上分別掛上速度（測水平方向）、加速度傳感器（測豎直方向）測導線的振動幅值，利用inv網絡分布式數據采集儀記得傳感器測得的數據，如圖4、 圖5所示。

4 ?實驗結果及分析

經實驗測得的普通相間間隔棒與新型形狀記憶合金相間間隔棒在激振器頻率為1hz、振幅為4 mm的條件下的振幅數值：

由平穩區可以計算出使用普通間隔棒時導線的雙振幅為：水平=66 mm，豎直=112 mm。

當使用鋼球直徑為80 mm、合金絲直徑為0.5 mm的新型間隔棒時，由平穩區可以計算出導線的雙振幅為：水平=54 mm，豎直=108mm。

通過數據采集儀圖像顯示的數據可知，在水平方向與豎直方向新型相間間隔棒比普通相間間隔棒有著更好的減振效果。

調整新型間隔棒內部參數（合金絲直徑、鋼球質量）得到激振器不同頻率、振幅條件下傳感器掛點處的振幅整理，如圖6、圖7所示。

5 ?結 ?語

本試驗在合金絲具有的優良屬性的基礎上，通過模擬舞動實驗，對新型相間間隔棒與普通相間間隔棒的減振效果分析，可得如下結論：新型相間間隔棒比普通相間間隔棒減振效果要好，通過對合金絲相間間隔棒的相關參數的優化，可以看出，隨著合金絲的直徑越細、重球的質量越大，間隔棒的減振效果越顯著。并且導線豎直方向的振幅幾乎是水平方向振幅的兩倍。通過對導線系統的各個加載等級可以看出合金絲的強度可以承受較大幅度導線舞動。隨著輸電導線舞動狀況發生的越來越頻繁，對防舞相間間隔棒的要求越來越高，預計新型合金絲（鎳鈦）相間間隔棒在未來的輸電線路上有著廣闊的發展前景。

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