架空輸電線路大跨越檔導(dǎo)線分段防振方案試驗(yàn)研究

眭佳賓，趙 露

（株洲電力勘測設(shè)計(jì)科研有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

大跨越工程是一項(xiàng)特殊的工程，類似于鐵路工程中的橋梁和涵洞工程，所以其重要性非常明顯。因?yàn)樗缭胶恿鳌⒑础⑺畮旒吧焦龋瑢?dǎo)線掛點(diǎn)高、所處地形開闊，極易形成微風(fēng)振動(dòng)，其振動(dòng)水平也較常規(guī)檔距更為嚴(yán)重。長期的微風(fēng)振動(dòng)可能導(dǎo)致絞線斷裂，嚴(yán)重威脅輸電線路的安全[1]。同時(shí)，由于項(xiàng)目施工期間要封江斷航，可能對(duì)運(yùn)輸和航運(yùn)產(chǎn)生很大影響，需要多個(gè)管理部門的協(xié)調(diào)。為減少大跨越施工對(duì)各方面的影響，確保導(dǎo)線的安全運(yùn)行，導(dǎo)線的防振工作應(yīng)非常慎重[2]。

以220 kV 輸電線路中跨越湘江項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目擬采用的導(dǎo)線為鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線JLHA1/G3A-640/290，鋁鋼比為0.449，導(dǎo)線的平均運(yùn)行應(yīng)力高達(dá)24%的極限抗拉強(qiáng)度，而目前我國常用的大跨越導(dǎo)線的鋁鋼比一般小于0.3，平均運(yùn)行應(yīng)力約為20%，大大提高了湘江大跨越導(dǎo)線防振的難度。同時(shí)，導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)是一個(gè)非線性動(dòng)力學(xué)問，通過理論計(jì)算很難得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，需要將理論計(jì)算和模擬試驗(yàn)相結(jié)合，才能得到可靠的減振措施[3]。研究針對(duì)跨越湘江所用的JLHA1/G3A-640/290 型導(dǎo)線進(jìn)行了防振試驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出了一種新的防振形式，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

1 工程信息

工程跨越湘江段采用的方式為耐-直-直-耐，導(dǎo)線采用單根JLHA1/G3A-640/290 型鋼芯高強(qiáng)度鋁合金絞線，具體信息如表1 所示。

表1 導(dǎo)線參數(shù)表

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室利用模擬試驗(yàn)檔對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行了微風(fēng)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。導(dǎo)線的一端與力傳感器連接，另一端由液壓加載裝置（圖1 中的張拉端）拉動(dòng)，模擬導(dǎo)線張力工況。導(dǎo)線張拉到預(yù)定值后，使用振動(dòng)臺(tái)在導(dǎo)線加載裝置端部對(duì)其施加正弦激振力模擬導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)[4]。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

2.2 傳感器布置

加速度傳感器用于測量振動(dòng)臺(tái)附近導(dǎo)線第一自由半波的波腹振幅，使用應(yīng)變片測量中的夾具出口處導(dǎo)線的動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)變。應(yīng)變片粘貼在導(dǎo)線上方最外層的2 根線股上。

2.3 試驗(yàn)操作

導(dǎo)線的振動(dòng)頻率由閉環(huán)控制系統(tǒng)控制，輸入導(dǎo)線的功率Pt通過測量激振力F和速度V來控制，可描述為

式中：φ為F和V之間的相位角[5]。

試驗(yàn)的具體操作步驟如下：一是以15 Hz 的振動(dòng)頻率激振架設(shè)好的導(dǎo)線，利用振動(dòng)臺(tái)向?qū)Ь€輸入5個(gè)不同的能量（按從小到大的順序，如2 W、4 W、8 W、16 W 和32 W 等），使導(dǎo)線產(chǎn)生不同強(qiáng)度的振動(dòng)；二是記錄不同振動(dòng)強(qiáng)度下導(dǎo)線的振幅和各個(gè)線夾夾固點(diǎn)的應(yīng)變；三是改變導(dǎo)線振動(dòng)頻率并重復(fù)前2 步，頻率變化步長約為5 Hz，直至頻率為65 Hz 左右；四是整理功率、振幅以及應(yīng)變數(shù)據(jù)，待下一步使用。

3 試驗(yàn)分析方法和試驗(yàn)結(jié)果

通常使用導(dǎo)線各線夾夾固點(diǎn)的最大動(dòng)彎應(yīng)變隨頻率的變化規(guī)律來表示導(dǎo)線的頻率響應(yīng)特性，包括不加任何防振裝置的導(dǎo)線自阻尼特性和加裝防振裝置的導(dǎo)線系統(tǒng)特性。導(dǎo)線的頻率響應(yīng)特性可通過能量平衡法（見圖2）計(jì)算得到[6]。圖2 中，Pw是風(fēng)能，mW/m；Pc是導(dǎo)線自身阻尼消耗的能量，mW/m；Pd是導(dǎo)線上阻尼裝置消耗的能量，mW/m；Y是波腹振幅，m；D是導(dǎo)線直徑，m。在測試過程中，當(dāng)Pt完全被導(dǎo)線自身消耗時(shí)，導(dǎo)線系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性即為導(dǎo)線自阻尼特性。當(dāng)導(dǎo)線上安裝有阻尼裝置時(shí)，即Pt=Pc+Pd，導(dǎo)線系統(tǒng)的頻率響應(yīng)結(jié)果則可以用來評(píng)價(jià)導(dǎo)線系統(tǒng)的防振性能。

圖2 能量平衡法示意

3.1 導(dǎo)線自阻尼特性

導(dǎo)線的自阻尼功率表示為

式中：系數(shù)a、β為f的函數(shù)；f為導(dǎo)線振動(dòng)頻率，Hz。式（2）兩邊取對(duì)數(shù)，可得

式中：logPc是log(Y/D)的線性函數(shù)；a為斜率；β為截距。利用最小二乘法和試驗(yàn)中測得的振幅數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出每個(gè)頻率下的相應(yīng)系數(shù)a和β[7]。本工程中導(dǎo)線的系數(shù)a和β可描述為

由風(fēng)能曲線和自阻尼功率曲線的交點(diǎn)可以計(jì)算得到能量平衡點(diǎn)的振幅，即“平衡點(diǎn)振幅”。導(dǎo)線自阻尼特性可以通過平衡點(diǎn)振幅和試驗(yàn)中測得的各夾固點(diǎn)最大動(dòng)彎應(yīng)變及振幅數(shù)據(jù)，利用回歸計(jì)算方法擬合得到。

導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)易發(fā)的風(fēng)速范圍為0.5 ～10 m/s。微風(fēng)振動(dòng)頻率和風(fēng)速的關(guān)系為

式中：f為風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的激振頻率，Hz；K為斯托羅哈常數(shù)，通常取0.185 ～0.200；v為風(fēng)速，m/s；d為導(dǎo)線直徑，m[8]。

導(dǎo)線自阻尼特性一般遵循的規(guī)律是隨著振動(dòng)頻率的增加，導(dǎo)線最大動(dòng)彎應(yīng)變先增大然后再減小，一般發(fā)生范圍為20 ～35 Hz。JLHA1/G3A-640/290 型導(dǎo)線的自阻尼特性如圖3 所示，根據(jù)式（6）計(jì)算，得到該導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)易發(fā)頻率范圍為3 ～55 Hz，但當(dāng)該導(dǎo)線頻率為65 Hz 時(shí)，最大動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)變?nèi)越咏?00 με，比標(biāo)準(zhǔn)值100 με 高出約100%，顯然該導(dǎo)線需要防振的頻帶較寬。

圖3 JLHA1/G3A-640/290 型導(dǎo)線自阻尼頻率響應(yīng)

3.2 導(dǎo)線系統(tǒng)特性

根據(jù)導(dǎo)線的自阻尼特性計(jì)算結(jié)果，防振錘型號(hào)選定為FR-14NL 和FR-8NL。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，Bate 阻尼線型號(hào)選定為JL/G1A-720/50。根據(jù)微風(fēng)振動(dòng)頻率的上限（65 Hz）和下限（15 Hz），初始防振裝置的設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 初始聯(lián)合防振裝置

導(dǎo)線系統(tǒng)特性的計(jì)算方法與自阻尼特性的計(jì)算方法相似。在計(jì)算導(dǎo)線自阻尼特性時(shí)，測試功率Pt由導(dǎo)線自身消耗，即

導(dǎo)線系統(tǒng)消耗的功率則為

用上述方法可以得到導(dǎo)線系統(tǒng)特性。

傳統(tǒng)防振設(shè)計(jì)中，通常在某檔導(dǎo)線兩端各安裝一套聯(lián)合防振（即Bate 阻尼線+防振錘）裝置。然而，由于湘江大跨越工程中使用的導(dǎo)線鋼比較大，且為單導(dǎo)線，因此防振試驗(yàn)的難度大大增加，安裝初始防振裝置的導(dǎo)線頻率響應(yīng)如圖5 所示，與標(biāo)準(zhǔn)要求還有很大差距。

圖5 安裝初始防振裝置的導(dǎo)線系統(tǒng)頻率響應(yīng)

為解決上述問題，將該2 000 m檔距平均分為2段，將2 段作為獨(dú)立的檔距進(jìn)行防振方案的設(shè)計(jì)。根據(jù)圖5 中的頻率響應(yīng)測試結(jié)果，改變對(duì)應(yīng)于導(dǎo)線20 ～55 Hz 頻段的阻尼線的長度或直徑，通過試驗(yàn)及其結(jié)果對(duì)防振裝置逐步進(jìn)行優(yōu)化，最終得出防振裝置如圖6 所示。與以往不同，該工程在2 000 m 檔距中使用了4 套聯(lián)合防振裝置。該檔導(dǎo)線系統(tǒng)特性如圖7 所示，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 聯(lián)合防振裝置

圖7 安裝最終防振方案的導(dǎo)線系統(tǒng)頻率響應(yīng)

4 結(jié) 論

湘江大跨越工程導(dǎo)線采用JLHA1/G3A-640/290型鋼芯鋁合金絞線，由于這種導(dǎo)線的鋼比大，額定拉斷力高，傳統(tǒng)的方法已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。研究介紹了220 kV 輸電線路中跨越湘江項(xiàng)目導(dǎo)線防振試驗(yàn)工作流程，提出了將跨越檔等分為2 段，并單獨(dú)進(jìn)行防振的方法，取得了良好的試驗(yàn)效果，為工程實(shí)踐提供了參考。