高压输电线路导线舞动的研究

1、高压输电线路导线舞动的研究 高压输电线路导线舞动的研究the study on galloping of conductor of high-voltage transmission line学科领域: 电气工程研 究 生:曾庆沛 指导教师: 张炳达 教授企业导师:王彩霞 高工 天津大学电气与自动化工程学院 二零一二年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,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 天津大 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

2、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: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天 津 大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天 津 大 学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日摘 要 当前,智能电网具有巨大的优越性并以信息化、自动化、数字化、互动化为特征。坚强智能电网已成为国家电网公司的战略发展目标,

3、作为电力输送物理通道的输电线路,是坚强智能电网的基本保证和重要组成部分,并具有地域分布广泛、运行条件复杂、易受自然环境影响和外力破坏、巡检维护工作量大等特点,因此在工程设计和建设初期,就应该以智能电网线路环节发展目标为指导,利用先进的通信、信息和控制等技术,实现线路安全化的要求。 架空输电线路运行过程中会因自然条件的作用而发生多种自然灾害,舞动就是其中一种危害较为严重的情况。近年来,导线舞动形成一条南起湖南、北抵吉林的巨大的“舞动带”,其波及范围广、舞动强度大、损失严重,为我国历史罕见。作者从理论上研究了导线舞动的形成机理,并在对导线力学研究的基础上,提出相应的防舞措施。 我们主要是通过对输电

4、线路舞动的基本理论及方法进行研究,对防舞机理和措施进行深化比较,结合在线监测系统及过往的防舞设计和经验,为不同环境情况下的线路找到恰当的防舞措施。 本文系统总结了导线舞动发生的规律和各种特点, 导线的抗舞能力在不同电压等级情况下的表现,当前舞动防治工作的形势状态及存在的问题,以及舞动治理方法措施和相关建议,总结和分析进一步研究的实验工作等。关键词:智能电网;架空输电线路;舞动;防舞措施 abstract with the enormous advantage of intelligent electric grid, construction features the informationi

5、zation, automation, digitalization and interaction. development of strong intelligence electric grid has become the strategic goal of state grid corporationpower transmission line, as the physical transmission of electricity, is the basic insurance and essential component of the strong intelligence

6、electric grid, and has features of wide distribution, complicated operating condition, being vulnerable to the natural environment and destruction of external force, and big workload on inspection and maintenance. therefore, at the preliminary stage of engineering project design and construction, gu

7、ided by the development target of intelligent electric grid, we should make use of the advanced communication, information and controlling technology to meet the requirement of the insurance of line safetyeffected by the natural conditions, various natural disaster would probably take place during t

8、he operating process of installing electricity transmission lines, waving being one of the most serious. recently, waving of lines has spread from the south of hunan to the north of jilin, which formed a waving zone. the wide range, mighty power and great loss of the waving is seldom found in our hi

9、story. the paper theoretically researches on the formation of waving and proposes anti-waving measures based on the research of lines mechanicscombined with the previous anti-waving design and experience of online monitoring system, this paper aims to find the appropriate anti-waving measures in dif

10、ferent circumstances through the study on the basic theory of the waving of electricity transmission lines and a comparison between the anti-waving mechanism and measuresthis paper systematically concludes the law and characteristics of lines waving, the sign of anti-waving ability of lines at diffe

11、rent levels of voltage, the situation and existing problems of present anti-waving work as well as the measures and proposal of waving treatment, so as to make a further analysis on the experiment research key words : intelligence electric grid, electricity aerial electricity transmission lines, wav

12、ing, anti-waving measures目 录 第一章 绪 论.1 1.1 高压输电线路导线舞动研究的意义. 1 1.2 输电线路导线舞动之当前现状. 1 1.2.1 我国输电线路舞动现状1 1.2.2 我国输电线路舞动新特点及存在的问题3 1.3 本文研究的主要内容. 5 第二章 输电线路舞动研究的基本理论和方法.7 2.1 输电线路舞动的特征及故障形式7 2.1.1 舞动的特征及影响因素. 7 2.1.2 线路舞动的故障形式 8 2.2 输电线路舞动产生的机理. 10 2.3 舞动产生的力学研究 10 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施.12 3.1 输电线路的防舞机理12 3

13、.1.1 稳定性防舞机理 12 3.1.2 通过改变冰形抑舞机理 12 3.2.输电线路的防舞措施12 3.2.1 防舞措施 12 3.2.2 线夹回转式间隔棒. 13 3.2.3 线夹回转式间隔棒双摆防舞器 16 3.2.4 防舞器特点. 21 第四章 输电线路的舞动在线监测系统.23 4.1 输电导线舞动在线监测的意义. 23 4.2 输电导线舞动在线监测系统的构成 23 4.2.1 线路舞动在线监测系统组成部分23 4.2.2 监测系统主要技术指标. 24 4.2.3 监测系统主要技术参数. 25 4.2.4 关键技术分析. 25 4.3 舞动在线监测系统的监测成果. 26 4.4 基于

14、监测数据的防舞装置效果评价 27 第五章 输电线路的防舞设计29 5.1 防舞设计原则29 5.2 唐山嘴东 110kv输变电工程防舞设计. 30 5.2.1 工程概况30 5.2.2 气象资料31 5.2.3 导线选型33 5.2.4 线路路径选择. 34 5.2.5 线路耐张段与冬季主导风向关系35 5.2.6 舞动耐张段确定35 5.2.7 采用的防舞措施36 5.3 防舞效果 37 第六章 结论.39 参考文献.41 发表论文和科研情况说明44 致 谢.45第一章 绪论 第一章 绪 论 1.1 高压输电线路导线舞动研究的意义 当前,智能电网因其具有信息化、自动化、数字化、互动化等显著特

15、征而显示出巨大优越性。因此,国家电网公司以建设坚强智能电网为其战略发展目标。作为电力输送物理通道的输电线路是坚强智能电网的基本保证和重要组成部分,输电线路的地域分布较为广泛且运行条件极其复杂,尤其易受外力破坏、且受自然环境影响十分显著,加之对其进行巡检及维护等工作量较大,因此在工程设计和建设初期,实现线路安全化的要求尤为重要:除充分利用高新通信、信息及控制技术外, 尤应以智能电网线路环节的发展目标为工程设计及建设的根本指针。 舞动是一种对输电线路危害比较严重的自然灾害,其产生是由空气动力不稳所导致:架空线覆冰断面的常态通常呈现为带状的筒形,当遭遇强风时,低阶固有频率0.1-3hz 、大振幅(约

16、为导线直径的 20-300倍)的共振就会产生。导线发生舞动时往往在垂直方向伴随扭转方向的运动,因其振幅超强(大档距中可达数米乃至数十米)且如万马飞腾之势,故称之为奔马式振动,或称为导线舞动。大量事实表明,导线舞动因其持续时间较长(往往达数小时之久),极大地威胁着高压输电线路的运行安全。舞动容易导致导线鞭击及电弧烧伤或断线、断股现象,易导致金具严重磨损、断裂、脱落,或绝缘子钢脚断裂、杆塔倾倒以及线路跳闸等多种现象的发生,从而造成了大面积的停电现象,给社会经济与生活造成的损失将难以估量。 近些年导线舞动的影响范围愈广,南起湖南、北抵吉林,已形成一条巨大的“舞动带”。它不仅波及范围广且舞动强度大,所

17、造成损失之严重已属罕见。本文以导线力学的相关研究为基础,拟从导线舞动的形成机理角度进行相关理论研究,力求提出相应的防舞措施。 1.2 输电线路导线舞动之当前现状 1.2.1 我国输电线路舞动现状 1 第一章 绪论 作为舞动发生最频繁的国家之一,中国的舞动带分布于南起湖南,北抵吉林的广袤区域,且舞动涉及各个电压等级的输电线路。之所以如此分布,是因为每年冬、春两季(即每年的十一、十二月和次年的一、二、三月),由我国西北南下与东南北上的气流在东北和中部相汇,由此形成冻雨或雨凇,加上此季节的强风天气,从而造成导线覆冰。在我国,传统的强舞动区域以辽宁、湖北与河南三省为最。我国冬、春季气流方向如图 1-1

18、所示: 干冷 气流 暖湿 气流图 1-1 我国冬、春季气流方向图 传统舞动地区分布如图 1-2所示:图 1-2 我国电网舞动分布图 2 第一章 绪论 我国输电线路舞动情况: 我国是舞动多发国家,在我国的9个典型气象区中,其中有8个地区有覆冰条件,且覆冰厚度可达3mm以上,因而都会发生舞动。随着输电线路的发展,尤其是超高压及特高压线路的广泛兴建,导线的直径较大,6分裂以上的多分裂导线相继出现,在某些地形复杂地区及大跨越线段,导线的直径,离地高度也会有大的提高,这就造成舞动更加容易发生。 我国输电线路舞动特点: 1舞动范围扩大、频率高、涉及各电压等级2舞动导致输电线路损失严重 3新型线路抵御舞动灾

19、害能力弱 冬季输电线路覆冰舞动原因分析: 1典型气象条件 降水多、降温幅度大、范围广、过程频繁、持续时间长、极端降温事件多等特点。 这些因素都是形成雨凇或冻雨的必要条件,气温-55的冻雨或雨夹雪加大风天气,是线路发生舞动最适宜的气象条件。 2线路地形条件 舞动发生地形特点:多为平坦开阔地带。线路走向和风向夹角:基本大于45。电压等级:涉及较广,大多为500kv及 220kv线路。 冬季覆冰舞动线路受损之原因分析: 因线路设计荷载是依据静载而设计考虑的,而舞动所生成的动载荷容易造成杆塔、连接金具的薄弱环节损坏,例如,连接螺栓在交变应力作用下极易松动、脱落。导线舞动会引起跳线结构共振和绝缘子串振动

20、,造成跳线及绝缘子损伤。杆塔设计时,可以确定的是风荷载方向与线路转角度数。而舞动是随机的,其随机性有可能造成导、地线转向的度数超出设计中确定的线路转角度数,致使横担在x、y、z轴三方向的力大大超出杆塔设计时的承载能力,从而,引起杆塔整个横担失稳、乃至强度破坏。同塔双(多)回多采用垂直排列和舞动垂直运动轨迹相吻合,容易造成闪络跳闸;紧凑型线路相间距较小,也容易因舞动造成闪络跳闸。单回塔外型多采用酒杯型、猫头型,相对塔身横担长度较短;双回塔多采用鼓型、伞型相对塔身横担长度较长,因此,相同条件下,舞动对双回塔造成的弯矩更大。 新型线路多为分裂导线型式,导线截面较大,通常架线也较高,这些都是易于激发舞

21、动的线路结构特点 。1.2.2 我国输电线路舞动新特点及存在的问题 3 第一章 绪论 1我国输电线路舞动新特点: 1舞动区域扩大:逐渐遍及公司电网大部分地区。 舞动区域由传统易舞区扩展到舞动少发区。 舞动线路波及10-500kv各电压等级的输配电线路。 每次舞动过程至少波及2至 3个省份,单次恶劣天气导致舞动范围扩大。 单个省域内舞动影响范围大。例如,山东省就包括济南、青岛、淄博、潍坊、烟台、泰安、滨州、威海和莱芜9个地区。如图1-3所示:图 1-3 舞动区域扩大示意图 2舞动发生频率增加: 遍及各区域、各电压等级。 3舞动持续时间长、舞动强度大。 2我国舞动研究、防治中存在的主要问题 1舞动

22、研究重视不足、防舞研究基础薄弱 舞动情况的发生具有一定的偶然性,而且概率不高,易会被人们轻视。但这偶然之中又是必然的,只要起舞的三个条件满足了,舞动就会必然发生。我国是舞动频发国家,在相当大的范围内都可能发生导线舞动,鉴于舞动的破坏性之巨大,应对舞动研究与防治给予足够的重视。 目前国内从事舞动研究的机构数量不多。清华大学、武汉大学等部分高校以及国电电力建设研究所等科研单位多为研究生论文选题为依,开展舞动问题的研究,因为处于院校研究阶段,所以大多缺乏系统性、连续性。应用性研究?防舞方法的研究,是我国导线舞动研究的侧重点。由于科研经费以及其他多方面的原因,很少有人对导线舞动机理进行研究。我国舞动研

23、究起步较晚,基础和西方发4 第一章 绪论 达国家相比薄弱的多,导致舞动问题的很难进行深入的探索研究,结果也收效微乎其微。这样,发达国家与我们在导线舞动领域的差距只增不减。舞动问题关乎国泰民安,是世界性难题,而各国均加大了政策支持和多方投入。我们必须加大对舞动研究的投入,坚持理论研究、工程运用相结合,扎实推进舞动问题的研究和解决。 2防治工作重“治”轻“防”舞动防治有两层含义,首先是“防”,对于途径舞动易发地段的高压输电线路,应该重视防范线路舞动,防患于未然;其次是“治”,对已经发生过舞动的输电线路要尽快采取合适的防舞措施。目前我国对舞动的防治基本仍停留在“治”上,但是对预防做得仍很不够,所以今

24、后需要改变这种做法,将简单的“舞后治理”,改为“预防为主、防、治结合”的新式防舞工作方法。有些地区虽然对线路进行了防舞设计,但仅限于加装了防舞器,并没有达到对舞动预防的全方位性,诸如:选择合理线路走向和路径、提高线路电气及机械强度等,我们应该将加装防舞装置看成是在重点区段防舞方案的不得已选择。 3 完善试验研究方法 舞动研究必须以试验验证和实践检验为基础,而试验研究就是其中非常重要的一环。无论是对理论研究的验证,还是对防舞方法的检验,舞动试验都是不可或缺的重要环节。舞动试验主要依赖于舞动试验线路,在舞动研究先进的国家,一般都有两条以上的舞动试验线路,而日本则有八条舞动试验线路。 1993 年,

25、我国曾在国电电力建设研究所建成了当时国内唯一的一条舞动试验线路,正是这条线路在舞动研究过程中曾扮演了相当重要的角色,为舞动研究的进一步发展积累了丰富而宝贵的试验数据,但由于更高电压等级杆塔试验站建设场地的需要,该线路已于 2001 年拆除。因此,我国目前已经没有舞动试验线路了,这非常不利于我国舞动的研究与治理工作。因此,我们应加大投入,改善舞动试验研究的手段,尽快建立一条功能相对齐全的舞动试验线路,为舞动问题的深入研究奠定基础。 1.3 本文研究的主要内容 本文从理论上研究了输电线路舞动的特征及故障形式以及导线舞动的形成机理,并对导线的力学模型进行了分析。 通过对输电线路舞动的基本理论及方法进

26、行研究,对防舞机理和措施进行深化比较,结合在线监测系统及过往的防舞设计和经验,为不同环境情况下的线路找到恰当的防舞措施。 5 第一章 绪论 本文系统总结了导线舞动发生的规律和各种特点, 导线的抗舞能力在不同电压等级情况下的表现,当前舞动防治工作的形势状态及存在的问题,以及舞动治理方法措施和相关建议,总结和分析进一步研究的实验工作等。 根据现有的舞动防治方法的不足,提出了今后防舞研究的工作重点,需要深入开展有效防治方法的研究工作,切实提高输电线路防舞动的能力, 提出合理有效的设计标准和规范,从而提高电网安全稳定运行的保障能力。 6 第二章 输电线路舞动研究的基本理论和方法 第二章 输电线路舞动研

27、究的基本理论和方法 2.1 输电线路舞动的特征及故障形式 2.1.1 舞动的特征及影响因素 舞动是一种低频(0.13hz)、 大振幅(导线直径 20300倍)的自激振动,其形态为一个或几个半波,舞动的轨迹呈椭圆形。 覆冰、风的激励和线路的结构参数是形成舞动的主要因素。 1覆冰。导线的舞动绝大多数是在导线覆冰工况下发生的,在有冻雨或者雨夹雪的气象条件下表现尤为明显。这些时候空气湿度较大,水汽遇冷后易在导线表层产生一层覆冰,风向和风力的作用导致导线迎风一侧逐步产生表面光滑,并且呈不规则形状,断面像机翼一样且不对称的覆冰,这层覆冰将导致导线性能的改变。因为导线表面光滑,风力不能进入导线线股里层,而只

28、能作用于其表面,这降低了导线的阻尼作用,当出现大风气象等恶劣天气,导线受风力作用,舞动情况将显著加剧。线路覆冰如图 2-1所示: 图 2-1 线路覆冰实拍图 2风的激励。导线不均匀覆冰的工况下,风以 425m/s 的速度盛行,且风的流向与导线方向的夹角大于或等于 45?时,导线舞动易形成。原因是垂直于导线前进方向风的分量越强,导线在不均匀覆冰工况下的的激励作用越明显,对导线作用的升力也就越强,进而加剧线路系统能量积累,使系统失去稳定性,从而形成导线舞动。舞动是自激振动,其能量与振幅的关系可用图 2-2表示。 7 第二章 输电线路舞动研究的基本理论和方法图 2-2 舞动能量与振幅关系 3线路的结

29、构和参数。根据国内外统计资料,在相同环境和气象条件下,由于多分裂、大截面导线扭转刚度大,易于形成不均匀覆冰,所以分裂导线和大截面导线要比单导线更容易发生舞动情况。 2.1.2 线路舞动的故障形式 舞动的故障形式分为两种:电气和机械。 电气故障主要是指闪络跳闸,主要是导线相间、对地线、对塔身的电气间隙不足造成的。 子导线间隔棒放电烧伤如图 2-3所示:图 2-3 导线间隔棒放电烧伤 机械故障主要是指连接金具损坏,螺栓松动脱落,断线断股,跳线脱落,塔材破坏和基础受损等典型的破坏。铁塔螺栓松动脱落见图 2-4,导线断线、断股见图 2-5,导线金具损坏见图 2-6,导线绝缘子、引流线损坏见图 2-7,

30、塔材、基础损害见图 2-8。 8 第二章 输电线路舞动研究的基本理论和方法图 2-4 铁塔螺栓松动脱落图 2-5 导线断线、断股图 2-6 导线金具损坏图 2-7 导线绝缘子、引流线损坏 9 第二章 输电线路舞动研究的基本理论和方法图 2-8 塔材、基础损害 2.2 输电线路舞动产生的机理 输电线路的导线舞动机理目前仍处在研究阶段,主要概括为以下几种观点:1垂直舞动机理垂直舞动机理认为舞动由空气动力产生的负阻尼引起,导线产生偏心覆冰时,作用于其上的垂直气动升力强于导线气动阻力。此理论仅仅将导线横向的振动考虑了进去 。 2扭转舞动机理扭转舞动机理认为导线的横向失稳由导线自身的扭振引发,当横向垂直

31、振动频率与导线固有的扭转频率重合时产生舞动。此机理基于导线扭转分析得到,在分裂导线舞动分析中的应用较为成功,应用于单导线现在还存在争论。 3动力稳定性机理动力稳定性机理认为:舞动的诱发原因是不稳定振动,舞动是因为动力的不稳定性造成的,所以如果可以使用合适的措施对动力的稳定性进行提高,并提高导致系统失稳的冰风阈值,就可以防止舞动。 4低阻尼系统共振机理 低阻尼系统共振机理认为:舞动即导线在低阻尼情况下,由风力产生的结构共振。低阻尼系统共振机理考虑端点激振,导线各个部分产生振动情况不同。 2.3 舞动产生的力学研究 在架空线上任取一点,设该点为 c,在 c点处取小线段,对这一小线段进行受力分析。

32、1导线受到自重力为 g,自重力 g方向垂直向下; 2导线受到张力为 t,方向是 c 点的切线方向,将张力 t 可看作一个多变10 第二章 输电线路舞动研究的基本理论和方法 量的函数。受力分析如图 2-9所示:图 2-9 线段受力分析图 3大风荷载为 p,风力对导线产生风压,与导线的自重力 g 形成合力,导致导线上下振动,舞动表达式如下: 2yy sin x sint 2-1 m j式中: y是导线舞动的振幅; x为舞动点至导线端点的距离; y 是导线舞动m的最大振幅;是导线舞动的频率; ?是导线舞动的波长; t为导线舞动的时间。 j4 f 为导线之间的电动力,电动力频率是 2; d5空气阻力为

33、 f,f方向始终与反方向于导线的运动方向。 选取任一时刻,对导线上的各作用力进行合成,形成一个合成振动力,设为为 f,其振动频率为 ;将合力 f,阻力 f,对 t 的进行微分,得到当振动力 fh的变化率小于阻力 f的变化率时,即: d f d f?2-2 d t d t导线的振动处于稳定状态;反之,处于不稳定状态。 由于振动力 f的作用,当导线频率 与电动力振动的两倍工频 2接近时,h就会产生谐振。作用在线路上的电动力 f ,对线路产生非常强的旋转力,加剧线d路的剧烈振动,从而发生线路舞动。 1 1 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 3.1 输电线路的

34、防舞机理 3.1.1 稳定性防舞机理 稳定性机理超脱导线舞动机理,从“系统不舞动即是稳定的”角度考虑,来找出保持导线系统稳定的手段,通过建立模型,得出要保持系统稳定可以通过加装防舞装置来改变导线系统的参量。稳定性机理的防舞思想明确,实用性强,在 实际应用中效果明显。 为保证特高压输电线路的防舞要求,应在导地线的适当部位安装防舞装置。由于高压输电线路具有导线截面大、离地高、档距较大、电压等级高等特点,因此需要高压输电线路使用的防舞器具有更好的性能。根据特高压输电线路的具体特点,解决高压输电线路防舞的关键,就是开发出满足特高压输电线路特点的防舞装置。 3.1.2 通过改变冰形抑舞机理 软高压输电线

35、路的导线分裂数较多,风激励作用较大,风压作用强,容易发生舞动。减少导地线不均匀覆冰程度,能够有效减小风的激励作用,防止舞动。 3.2.输电线路的防舞措施 3.2.1 防舞措施 防舞措施总体上可分为避舞、抗舞、抑舞 3种,避舞和抗舞应用比较普遍,抑舞通常在实施困难或者效果不佳时采用。 1线路避舞措施:线路选择路径时,要避开风大而地势平缓的地区,线路方向应尽量平行于冬季主导风向。 2线路抗舞措施:提高导地线的电气强度和机械强度,线路系统不需要加装附加装置的条件下,在舞动时能够安全运行。 12 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 3线路抑舞措施:在导地线上加装防舞装置,从而减小线路舞动的幅度,舞动

36、事故可以有效减少发生,线路运行得以安全。 3.2.2 线夹回转式间隔棒 1 线夹回转式间隔棒防舞机理 线路舞动的必要条件之一就是“不均匀覆冰”。因此,对防治导线舞动十分有利的措施是采取阻止或有效减低导线不均匀覆冰的程度。由于在线路覆冰不均匀程度减低的状态下,将有效消减线路的空气动力,导线在这时较难失稳从而不易引起舞动。所以,预防和降低导线的不均匀覆冰是防止导线舞动的有效方法。 线夹回转式间隔棒的防舞机理的系统运动微分方程为: 21 udcl 22c y y0 3-1 y yd? y2 d m式中 y?振动位移; ?结构阻尼率; y?角频率; y?风速; ud?导线外径; ?空气密度; m?结构

37、单位质量,包括结构物与周围流体的附加质量的总和; c ?升力系数; lc ?阻力系数; dy? ?攻角 。 u系统稳定的条件为 2c1 ud?l2 c3-2 y yd2 d m? cl第一项 2? 恒定为非负数,因此只要判定c?则系统稳定。根据风y y d cl洞试验结果,不均匀覆冰截面的c 值可能小于 0 而导致系统失稳,激发输d?电线路舞动。线夹回转式间隔棒在一定程度上允许导线在覆冰之后产生扭转,从cl而改善覆冰的不均匀性,使得导线截面c?,系统保持稳定,因而有效的d?预防输电线路舞动。正是基于这样思路进行了线夹回转式间隔棒设计,如图 3-1所示。 13 第三章 输电线路防舞的理论研究及措

38、施图 3-1 线夹回转式间隔棒的防舞原理示意图 2 线夹回转式间隔棒的结构 线夹回转式间隔棒应用于多分裂输电线路上,既可以起到间隔棒的作用,也可以达到线路防舞的目的。线夹回转式间隔棒首要满足线路间隔棒的电气和机械性能要求,因此根据 gb/t 2338?2002架空电力线路间隔棒技术条件和试验方法针对这种间隔棒,特别是回转式线夹进行了相关试验,各项试验成果均满足国家标准要求。 线夹回转式间隔棒样品如图 3-2所示: 外包型线夹回转式间隔棒 内嵌型线夹回转式间隔棒 图 3-2 线夹回转式间隔棒样品图 3 布置线夹回转式间隔棒的方法 1线夹的布置:以 8分裂导线的线夹回转式间隔棒为例,其中 4个为回

39、转式线夹,确定 4个线夹的位置有很多方式,即可在一档中根据一定的比例将回转式线夹反向布置,也可以将 4个回转式线夹布置于迎风的一侧。前一种多用于风向变化相对较大的地方,后一种多用于风向变化相对较小的地方。 2次档距布置:线夹回转式间隔棒采用不对称、不等距原则。 a.影响次档距布置的因素 主要有三个方面: 14 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 次档距振荡:在多分裂导线系统中,当背风侧子导线位于迎风侧子导线所形成的旋涡气流的空气尾流中时,会引发导线自激振动,即次档距振荡,示意图如 3-3所示:图 3-3 次档距振荡示意图 当空气动力尾流区中的输入能量与损耗能量维持平衡的状态时,此时的次档距振

40、动就为等幅的振动。设定振动形状为正弦曲线,那么可由下式计算出振动的振幅,导线振动形状示意如图 3-4所示:图 3-4 导线振动形状示意图0.0248 l v/ d2 x00.487 3-3 l25.1 e t/ dd v l w式中: d?导线外径,m; t ?导线张力,n; w ?导线重量,kg/m; v ?风速,m/s; l?间隔棒间隔,m; 2 x ?次档距振动振幅,m; 015 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 ?子导线间距,m; e?单个周期内的振幅衰减率。 根据上式可知,随着间隔棒间距增大,次档距振荡的振幅也会相应变大,子导线可能会相互碰触。 风压和电磁吸引力:对于高电压等级的

41、输电线路,由于子导线相互的电磁场力作用,假如风速大到一定范围内,子导线将会更容易相互吸引,从而发生相互碰触的现象。 线路翻转自恢复:当风力对分裂导线产生扭矩或脱冰,线路将产生一定角度的扭转,甚至发生翻转。多分裂导线发生翻转后,要求在外力消除后导线就会自动回复到原来的状态。 b.布置方法 我们通过建立分裂导线间隔棒系统对次档距振荡的有限元分析模型,根据导线参数以及间隔棒的动力参数,针对系统进行动力分析,计算系统的自由振动衰减率,同时将此项作为目的函数,然后综合了国外以及国内的线路间隔棒布置设计的良好经验,对间隔棒的布置设计的方案进行优选时应用了非线性数学规划的方法,最终再确定间隔棒布置设计方案。

42、 因为间隔棒的动力参数完全是由试验得出的,所以设计初始参数是正确的,并考虑到导线质量和张力等方面的影响,同时将档距长度的影响引入,这样给出的次档距优化布置方案更为合理。 3.2.3 线夹回转式间隔棒双摆防舞器 根据稳定性舞动机理研制出的防舞器有:双摆防舞器及偏心重锤等。双摆防舞器在大批输电线路上具有成功的运行经验,防舞效果是非常明显的。 基于稳定性机理研制出的双摆防舞器是通过借助间隔棒安装在线路导线上的,所以,当间隔棒采用的是线夹回转式间隔棒时,就有机的结合实现了双摆防舞器和线夹回转式间隔棒,同时解决了改变冰形抑舞机理和稳定性机理。这种形式大大提高了防舞器的功效,不但可以减弱分裂导线覆冰的不均

43、匀性,也可以体现稳定性防舞机理。 稳定性机理指的是根据线性动力稳定性理论来进行稳定性判定,首要条件是要建立高压多分裂导线系统的舞动数学模型,并建立导线运动微分方程。根据舞动的力学分析,由此建立了高压输电线路系统的舞动三自由度模型。 1导线的气动力效应 16 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 横向风作用在覆冰的导线上时会引发气动激励。气动力作用下的导线断面如下图所示,设相对风速 v 与导线水平轴的夹角为,导线处水平风速为 v,气动r1d力包含以下 3个分量,一个是顺风速方向的空气阻力为 ,另一个是与风速方向l m垂直的气动升力为 ,最后一个是扭转力矩为 。气动激励的导线断面如图 3-5所示:

44、 图 3-5 气动激励的导线断面图 h三个作用力 l、 d和 m 均和攻角相关, ,其中初始扭转角度0 1v数是,导线绕其轴线中心的转角是,覆冰截面的特征高度是 h,气动升力是0l,气动阻力是 d,扭转力矩 m ,则: 12 2 3l? d v cc? c? cl0 l1 l2 l3212 2 3d? d v cc? c? c 3-4 d0 d1 d2 d32? 12 2 2 3m? d v cc? c? cm 0 l1 m 2 m 32式中 ?空气密度, d ?裸导线的直径; c , c , c i0,1,2,3?常数,可利用最小二乘法,曲线拟合确定l i d i m i导线模型的空气动力特

45、性数据。 由此可得 f , f , f 的线性方程如下,其中常数项已被忽略: y x m2? d vyd vd v?flcos? dsin? ld ccc? c h y 1 1 1 l1 d0 l1 l12t 2 2t2? d vyd vd v?flsin? d cos? l? d? ccc? c h? 3-5 x 1 1 1 l0 d1 d1 d12t 2 2t? 1 1? 1y2 2 2 2f? d v c d v h? d v cm m 1 m12 2t 2t17 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 2在空气动力激励作用下的导线控制方程 计算风激励下的稳定性条件的覆冰导线失稳的临界条件

46、,不考虑导线在发生舞动后的状态,采用以下假定: 覆冰形状、厚度在档内不变; 导线两端为固定支点; 仅考虑导线作水平、垂直、扭转三个方向的运动; 张力和气动力在档内不变。 现在选取一个长为 d s的分裂导线微元,假定间隔棒固定线夹所持有的子导线所受气动力是大致相同的,间隔棒回转式线夹所握持的子导线所受空气动力相等。分裂导线坐标系统如图 3-6所示:图 3-6 分裂导线坐标系统图 考虑导线及附加质量的重力,风作用于导线上的升力、张力、阻力、惯性力、阻尼力,建立平衡方程 0, f y 0;考虑到空气动力矩、惯性力矩、重力f x矩、阻尼力矩,建立围绕子导线分裂圆中心的力矩平衡方程 m 0。 分裂导线的

47、舞动动力学微分方程为 2 2? yyymctfs? y v2 2tts2 2? xxxmctf s3-62 x 2 htts2 2icg jm s0 t2 2tts其中: mn mm m lm l 3-7 c c i s p式中: t ?导线张力; x?导线的水平向位移; y?导线的垂直向位移; v?风速; 18 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 ?导线扭转方向位移; ?初始扭转角; 0?防舞器陲头的方位角; 0i ?转动惯量; n ?分裂数; cm ?单位长度导线质量; cm ?单位长度导线覆冰质量; im l?单个间隔棒质量; sm l?单个防舞器锤头质量。 p通常认为驻波是导线舞动,

48、舞动时其波形会以多个半波状态呈现,根据实际的观测统计,一、二、三个半波的舞动为其主要表现形式;另外,在长于三个半波时导线舞动的波形的振幅也逐渐减小,可以忽略不计,因此,在分析线路舞动振型时,以一、二、三个半波分析为主要依据。 用 galerkin法解偏微分方程组,以试函数的级数形式将位移展开 3y s, t? s y tk kk ?13? s, t? s t 3-8k kk ?13x s, t? s x t?k kk ?1式中 s, s, s第 k 阶主振型; kk ky t, x t, t第 k个模态函数。考虑弦振动的特性和边界条件可得 k k kks ssinklks ssin 3-9 k

49、?l? ks? ssink?l3导线运动稳定性判定 通过计算分裂导线的舞动气动动力学方程,其控制方程的特征多项式可以得到,如式3-10和3-11: 2f ?m? c? k 3-10 或 66if? a? 3-11ii ?0这里, ?为多项式特征值, a 为特征多项式的系数。 i19 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 根据 routh-hurwitz 稳定性判断式,如果同时满足下列条件,则系统为稳定系统: a01 1? a a1 0 02a a3 2?a a 01 0a a a03 3 2 1a a a5 4 3?a a 0 01 0a a a a3 2 1 0? 3-124a a a a5

50、 4 3 2?0 a a a6 5 4? a a 0 0 01a a a a 03 2 1 0a a a a a5 5 4 3 2 10 a a a a6 5 4 30 0 0 a a6 5 a6 6 5上述条件如果有一个不满足,则可认为导线系统的状态有可能失稳,导线产生舞动。通过加装防舞装置,能够改变系统参数,进而使得系统摆脱不稳定状态,成为稳定状态,这也是防舞设计的最终目标。 防舞设计应用了线夹回转式间隔棒双摆防舞器,将气象条件、舞动设防范围及线路参数等代入方程,同时还要考虑防电晕、微风振动等的因素,最后确定防舞器的参数(档内总质量、摆角、摆长等)。线夹回转式间隔棒双摆防舞器如图3-7所示

51、。 20 第三章 输电线路防舞的理论研究及措施 外包型线夹回转式间隔棒双摆防舞器 内嵌型线夹回转式间隔棒双摆防舞器 图 3-7 线夹回转式间隔棒双摆防舞器样品图 3.2.4 防舞器特点 舞动治理很重要的方面是对发生舞动的线路加装防舞装置,以改变导线系统的参数,达到防治舞动的目的。经过几十年的研究和探索,国内外开发出的防舞装置约 20 种,他们均是基于不同的舞动机理(den hartog、o.nigol、惯性机理、稳定性机理)而开发出来的。 常用的防舞装置见表3-1:表 3-1 防舞装置 序号 防舞器 造价 主要特点 存在老化、放电、弯曲等问题,可应用于 220kv 以下的输1 相间间隔棒 较高 电线路,有较好的防舞效果 2 双摆防舞器 较低 适用于分裂导线,安装方便,有较好的防舞效果 应注意对微风振动的影响,适用于分裂导线,有较好的防3 偏心重锤 较低 舞效果 4 失谐摆 较低 在单导线上应用有效,在分裂导线上的应用有待研究。 5 阻尼器、减振器 较高 对低频舞动较为有效 扰流防舞器(防舞6 较高 单导线上应用多于分裂导线,主要用于覆冰较薄的地区 鞭) 7