特高壓直流工程用大截面導線的阻尼特性

齊 翼，芮曉明，尹 泉，張 昭，姬昆鵬

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192）

大截面導線是以多根鍍鋅鋼芯或鋁合金線為芯，外部同心螺旋絞多層硬鋁線，導體標稱截面不小于800 mm2的導線。國外大截面導線的應用主要集中在日本、美國等國家。美國于20世紀60年代在太平洋聯絡線應用了2×1 170 mm2導線。日本采用大截面導線最多，500 kV導線的截面已達4×1 520 mm2、6×810 mm2，1 000 kV采用8×810 mm2、8×960 mm2導線。近年來，巴西也開始在大容量的直流輸電線路上研制和應用1 170 mm2以上大截面導線[1]。我國自2008年起開展大截面導線及配套金具、施工工藝、施工機具等技術的研究工作，先后完成了4層結構900、1 000、1 250 mm2大截面導線的研制及工程應用工作，并先后在特高壓直流工程中得到應用：錦屏-蘇南工程采用6×900 mm2導線；哈密南-鄭州工程采用6×1 000 mm2導線；靈州-紹興、酒泉-湖南工程采用6×1 250 mm2導線；錫盟-泰州、晉北-江蘇、上海廟-山東等工程采用8×1 250 mm2導線。

架空導線在風力作用下容易誘發微風振動，長期的微風振動容易導致導線疲勞斷股及金具損傷[2]。大截面導線的應用滿足了大容量、遠距離、低損耗輸電技術的要求，但由于其檔距大、掛點高、迎風面大等特點，在運行過程中需要更加注重微風振動等方面的問題。風輸給導線的能量需要由導線自身吸收，因此，掌握導線自身吸收振動能量的特性——導線自阻尼特性是導線系統防振設計的重要環節[3]。本文以1 250 mm2系列大截面導線為研究對象，通過試驗研究，給出了各型導線的自阻尼表達式。對于全面掌握大截面導線性能、支撐導線防振設計以及指導大截面導線的運行與維護都具有重要意義。

1 導線自阻尼機理及表達式

1.1 自阻尼機理

導線的自阻尼特性反映的是導線在不同振動狀態下（不同振動頻率、振動幅度）消耗振動能量的能力，它是一種結構或一種材料的固有特性，主要由三方面構成：

（1）線股材料的遲滯阻尼，即每根線股內部的能量損耗；

（2）線股之間發生滑移時，各線股接觸面處的摩擦作用所引起的能量損耗；

（3）導線運動時與空氣之間的粘滯摩擦所引起的能量損耗。

其中，第二方面是導線自阻尼作用的主要部分。導線自阻尼受導線材料、導線結構、導線張力等因素的影響。

1.2 自阻尼表達式

可以將導線自阻尼表示成式（1）的形式

式中：系數α、β為與f相關的表達式；f為導線振動頻率/Hz；D為導線外徑/mm；Y為導線波腹雙振幅/mm。

由于α、β十分復雜，國際上尚無理論計算方法可以對其進行求解，因此必須通過試驗測定。

2 導線自阻尼試驗

2.1 試驗方法

導線自阻尼試驗采用功率法[4]。試驗要求在導線諧振條件下進行，因自阻尼很小，系統不易穩定，所以試驗中必須嚴格控制系統的諧振條件，并保持穩定振動。

依據試驗要求，建立了導線自阻尼試驗系統。該系統主要由導線張拉及固定裝置、導線激振裝置、數據采集系統、數據處理分析系統等部分組成。自阻尼試驗檔布置如圖1所示。

圖1 導線自阻尼試驗檔布置示意圖

將導地線按要求的張力架設在試驗檔上，在試驗檔的一端利用激振器激振導線，模擬不同頻率的微風振動，用傳感器測量激振力、激振速度、導線波腹振幅以及線夾出口處的動彎應變等參量，最終通過數據處理分析軟件對采集的數據進行處理，給出導線自阻尼解析表達式[5-7]。

2.2 數據處理方法

試驗過程中通過改變諧振頻率，并在每個諧振頻率下測量導線振幅及對應的功率，均可得到一組自阻尼試驗數據。自阻尼試驗數據的處理采用回歸計算的方法。

對自阻尼表達式（1）兩邊取對數，有

利用最小二乘法對試驗數據進行擬合，在雙對數坐標下可以繪制出各頻率下的自阻尼特性曲線，該曲線是一組以α為斜率，β為截距的直線。如圖2所示。

圖2 1250/70導線（圓線）自阻尼功率特性曲線

其中，對于不同諧振頻率，直線的斜率和截距均不相同，故α和β均可表示為諧振頻率f的函數。那么，在特定頻率下，對于曲線上的2個點(Y1/D，P1)和(Y2/D，P2)，可以將曲線斜率α表示為

求得不同頻率下的α后，可將其擬合成關于振動頻率f的曲線。

求得α后，將其代入式（2），可求解各頻率下的β值，并將其擬合為關于振動頻率f的曲線。

為更精確地表達α和β的值，可根據實測的數據規律將其擬合為一次或二次表達式。

3 1 250 mm2系列導線自阻尼試驗結果

3.1 試驗樣品

1 250 mm2系列大截面導線包含5個具體型號，包括圓線及型線2種類型，自阻尼試驗針對每種型號的一件樣品進行。具體試件型號如表1所示。

表1 五種1 250 mm2系列導線型號

3.2 1 250 mm2系列導線自阻尼表達式

經過對試驗數據的處理，得出1 250 mm2系列導線的自阻尼特性表達式。表達式形式如公式（1），其中的系數α、β為與f相關的表達式，如表2所示。

3.3 1 250 mm2圓線自阻尼特性對比分析

1 250 mm2系列大截面導線中包含2種圓線、3種型線，2種圓線分別為JL1/G3A-1 250/70-76/7和JL1/G2A-1 250/100-84/19。為比較2種圓線自阻尼特性的差別，將兩者自阻尼頻響特性繪于同一坐標系下，如圖3所示。

從2種圓線自阻尼試驗結果的對比來看：

（1）2種導線在25 Hz及以上的振動頻率下，懸垂線夾出口處導線的動彎應變水平相當，即振動強度相當，說明在該振動頻率范圍內，2種導線的阻尼特性相當。

（2）2種導線在25 Hz以下的振動頻率下，1 250/100導線的在懸垂線夾出口處的動彎應變水平較1 250/70導線總體來說較低，尤其是在15 Hz左右，1 250/100導線的動彎應變明顯低于1 250/70導線，說明1 250/100導線在低頻下的組尼特性優于1 250/70導線。

圖3 無防振方案時1 250/70與1 250/100圓線頻響特性比較曲線

（3）總體而言，單線股數較多的1 250/100導線的阻尼性能優于單線股數較少的1 250/70導線。

3.4 1 250 mm2型線自阻尼特性對比分析

1 250 mm2系列大截面導線中3種型線分別為JL1X1/G3A-1 250/70-431、JL1X1/G2A-1 250/100-437和JL1X1/LHA1-800/550-452。同樣，為比較3種型線自阻尼特性的差別，將三者頻響特性繪于同一坐標系下，如圖4所示。

圖4 無防振方案時1 250/70、1 250/100及800/550型線頻響特性比較曲線

從3種型線自阻尼試驗結果的對比來看：

（1）從懸垂線夾出口處導線的動彎應變水平來看，3種型線自阻尼特性的排列順序為：1 250/100＞1 250/70＞800/550，“＞”表示“優于”。

表2 5種1 250 mm2系列導線自阻尼系數表達式

（2）被試驗的1 250/100型線的阻尼特性非常好，所有振動頻率下的導線應變水平均在許用應變以下，即使不安裝防振裝置也能保證導線的安全運行。

（3）1 250/70及800/550兩種型線的阻尼特性也較好，僅在低頻情況下略高于許用應變，方振設計時應重點考慮低頻振動的防護。

3.5 圓線與型線自阻尼特性的對比分析

圓線與型線在自阻尼特性上存在一定的差異，為比較五種1 250 mm2大截面導線自阻尼特性，將五種導線的頻響特性繪于同一坐標系下，如圖5所示。

從懸垂線夾出口處導線的動彎應變水平來看，五種導線自阻尼特性的排列順序為：1 250/100（型線）＞1 250/70（型線）＞800/550（型線）＞1 250/100（圓線）＞1 250/70（圓線），“＞”表示“優于”。總體而言，型線自阻尼特性優于圓線自阻尼特性。另外，綜合考察五種導線，除1250/100（型線）在全部振動頻率范圍內均滿足許用應變的要求外，其他四種導線僅在低頻振動時超出許用應變的范圍，而對于30 Hz以上的頻率均滿足許用應變的要求，因此，1 250 mm2大截面導線微風振動的重點防護頻率范圍為30 Hz以下。

3.6 1 250 mm2大截面導線與1 000 mm2大截面導線自阻尼特性的對比分析

在1 250 mm2大截面導線出現之前，常規線路中截面最大的導線是1 000 mm2導線。為比較兩類大截面導線阻尼特性的差別，選取1 250/70、1 250/100、1 000/45和1 000/80四種導線，將上述導線無防振方案狀態下的頻響特性繪于同一坐標系下，如圖6所示。

從上述自阻尼試驗結果的對比可以看出：同等張力條件下（25%RTS），同等截面型式（圓線）的1 250 mm2導線的阻尼性能要優于1 000 mm2導線的阻尼特性。

圖6 無防振方案時1 250 mm2導線與1 000 mm2導線頻響特性比較曲線

4 結語

本文給出了基于微風振動模擬試驗測量導線自阻尼的試驗條件及試驗方法，對五種1 250 mm2系列大截面導線分別進行了自阻尼特性試驗，給出了1 250 mm2系列大截面導線的自阻尼表達式及頻響特性曲線，并對試驗數據進行了對比分析，得出以下結論。

（1）對于圓線而言，股數較多的1 250/100導線的阻尼性能優于股數較少的1 250/70導線。

（2）對于型線而言，型線部分截面較大的1250/70和1 250/100導線的阻尼性能優于型線部分截面較小的800/550導線。

（3）總體而言，型線的阻尼性能優于圓線的阻尼性能。

（4）1 250 mm2大截面導線微風振動的重點防護頻率范圍為30 Hz以下。

（5）1 250 mm2大截面導線的阻尼性能優于1 000 mm2大截面導線。