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次档距
次档距振动研究综述
摘要
随着电网规模越来越庞大,电压等级越来越高,如何有效、安全、可靠地提高输送能力,是我国电网面临的一个主要问题。
目前输送电容量不断增大,为了减少电晕损失和电晕干扰,同时为了输电线路的经济性和可靠性,输电线路广泛采用多分裂导线。
次档距振荡是分裂导线所特有的一种导线振动形式。
因次档距振荡而导致的分裂导线破坏问题己经成为一个影响电网安全运行的关键问题。
因此,本文主要对输电线路多分裂导线次档距振荡进行研究分析。
分析了次档距振荡的机理,并给出了几种防振措施;对阻尼间隔棒抑制次档距振荡进行机理分析;给出了阻尼间隔棒安装距离的优化布置方案,并得出最优的结果;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。
最后开发了一套阻尼间隔棒布置方式及其设计计算软件,方便设计人员使用。
关键词:
分裂导线,次档距振荡,阻尼间隔棒,优化布置
前言
架空超高压输电线路是电力能源系统中将电能进行传输、调节和分配的重要生命线工程结构。
它的安全运行是关系到国计民生的大事,输电线路的破坏会导致供电系统的瘫痪,这不仅严重地影响人们的生产建设和生活秩序,而且还会产生重大的附带灾害,给社会和人民的生命财产造成严重的后果。
为保证电网的安全可靠运行,除要有电气方面的技术保障外,输电线路还必须有足够的力学方面的安全性和可靠性。
在导线及金具方面不仅要研究其静态力学性能,更重要的是研究分析其动态力学性能,这是因为输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载,而且还要承受风产生的动荷载。
在风的作用下,导线可能发生高频微幅的微风振动,也可能发生中频中等幅度的次档距振荡,还可能发生低频大幅度的舞动。
以往人们对微风振动和舞动研究较多,取得的成果也较显著,基本能够满足工程实际需要。
但是对于次档距振荡,尽管人们进行过不少研究,但因其机理十分复杂,还不能达到工程实际需要。
所以,关于次档距振荡的研究对于输电线路的安全运行有着重要意义。
次档距振荡
次档距振动是指超高压输电线路分裂导线上两间隔棒之间的子导线振荡,这是采用分裂导线的线路所特有的机械运动现象。
就振动频率和振幅而言,次档距振动介于微风振动与舞动之间,振动频率约为1~3Hz,振幅为0.1~0.5m,振动轨迹呈水平扁长椭圆状[1]。
在本文以后章节中将对此进行详细分析。
电晕诱发振荡
只是一种由在导线底部形成的水滴引起的电晕所造成的运动水滴引起的每一次电晕爆发产
1生一个向上的脉冲,激发起振荡的同时,水滴也发生变形,因而使运动持续不断。
电晕诱发
振荡显然是相当小的,而正常采用的防止导线舞动的措施看来足够控制这一类的振荡。
在发
生振荡时,风往往是平静的,出现水滴是发生电晕诱发振荡的必要条件。
以前观测到的电晕诱发振荡的幅值和频率如表1-2所示。
短路振荡
短路振荡仅发生在分裂导线的线路上、短路时短路电流产生的电磁吸引力,使同分裂的子导线间相互吸引、使每个次档距内都会产生一个半波长的碰击振荡。
其后果是造成间隔棒和导线的碰击损伤,防护措施是增加间隔棒的强度[2]。
目前随着输送容量增大,为了减少电晕损失和电晕干扰,对高压线路和超高压线路广泛采用分裂导线,次档距振荡是分裂导线所特有的一种导线振动形式。
因次档距振荡而导致的分裂导线破坏问题已经成为一个十分紧迫的问题。
因此,本文主要对次档距振荡进行分析研究。
次档距振荡现象
随着输电容量的不断增大,为了减少电晕损失和电晕干扰,同时为了输电线路的经济性和可靠性,所以在超高压线路上广泛使用分裂导线。
次档距振荡只发生在分裂导线输电线路中,是其特有的一种振动现象。
关于次档距振荡,是指在分裂导线情况下,其中一根或多根子导线不可避免地处在前方子导线形成的尾流中,由于尾流效应,使得下风的子导线更容易吸收风的输入能量,从而发生的低频大振幅振动[3]。
它是一种1~3Hz的低频的椭圆轨迹的振荡,椭圆的长轴近于水平,如图2-1所示,而且在同一水平面子导线的振荡方向相反。
这种振荡一般发生在低温季节,风速为7~20m/s的情况下。
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次档距振荡会造成各子导线的互撞和鞭击,使导线线股磨损,而且导致间隔棒夹头处产生更大的动弯应力,从而使阻尼性能差的间隔棒松动甚至损坏,甚至造成导线断股、短路等恶性事故,威胁架空导线及金具的运行寿命,以至需要更换造价昂贵的导线和金具。
我们知道,架空超高压输电线路的稳定性要求很高,它的安全运行至关重要,而又由于它所经过的地区的地表条件和气候往往很复杂。
所以,关于输电线路多分裂导线次档距振荡的研究具有重要的意义。
次档距振荡的振动机理
振荡产生的诱因
在超高压输电线路分裂导线中,使用了由两根或更多的平行的电力线构成的一组或一束导线,而不是带单相电流的单根导线。
这样,使用这些平行的导线时,间隔棒是必不可少的附件(金具),它们把分裂导线固定成束状结构,这些间隔棒在两塔间档距按一定的距离与这些平行导线垂直相连。
各个间隔棒间的跨度称为次档距。
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如图2-2所示,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,就是诱发导线振动的根源。
需要说明的是,尽管导线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导线线路。
根据以上理论,当风稳定横向吹向处于同一水平面上的两根子导线时,被前面的子导线所屏蔽的另一根子导线处在气流的尾流区内,产生升力和抵抗力而发生自激振动,称为次档距振荡,或尾流振荡。
前面柱体的尾迹可画成如图2-3所示,后面柱体构成了一个“探测器”,通过对包括它在内的尾流的研究,可以弄清当柱体处于尾流中特定位置时,所受到的顺风向和横风向力的分布情况。
次档距振荡多数是水平横向振动分量大的椭圆形振动。
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维持次档距振荡的原因
应用流体力学中的同步效应(Synchronization)(又称锁定效应)概念可以很清晰的分析维持微风振动的原因。
由斯特罗赫(Strouhal)公式可知,旋涡的主频率(f)和自由流体流速(V)与圆柱体直径(d)的商成正比:
式(2-1)中S为斯特罗赫常数(Strouhalnumber),一般取0.185~0.2。
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(2-1)式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。
1971年G.Diana和M.Falco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SV之比在0.83~1.37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,但是一旦导线以接近于主频率的固有频率开始振动,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,导线一旦起振以后,在风速变化的一定范围内,同步效应将使振动持续下去。
光滑柱体后的尾流是非常复杂的,它包括周期的涡流和乱流。
当这些乱流碰到第二个非流线型物体时,该物体就处于它的尾流中了。
维持次档距振荡的维持原因可以用空气动力学数据来处理准静态振动。
为了简化空气动力分析,做如下假设:
1)假定迎风面圆柱体固定。
这样就与实验室的实际条件相一致。
2)假定被测的空气动态升力与阻力系数与风速无关,也与导线(圆柱体)表面情况无关。
3)假定迎风面柱体产生的尾流与背风面柱体产生的尾流没有相互干扰。
图2-4描述了迎风面柱体的尾流和自由流速的升力系数、阻力。
阻尼间隔棒的结构和作用机理
阻尼间隔棒在我国广泛应用于输电线路,其作用原理是:
在间隔棒活动关节处,利用橡胶元件作阻尼材料来消耗导线的振动能量,以便能在保持分裂导线几何尺寸的同时,使其有充分的活动性。
利用橡胶的粘性在交变应力之下,吸收足够的能量以达到对导线振动产生阻尼作用。
该类间隔棒导线有足够的扭转握力,即使当分裂导线出现扭转现象时,亦不会出现夹的握力有松动情况,适用于各地区。
但是,考虑到我国送电线路的经济条件,这类间隔棒主要用于导线容易产生振动地区的线路(如平原、丘陵及开阔地带)。
而刚性间隔棒的消振性能较差,适用于导线不易产生振动地区的线路(如山地、林区的隐蔽地带)或用作路线间隔棒。
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次档距振荡的影响因素
影响分裂导线次档距振荡的因素除了气象条件和地形地貌等基本因素外,还有若干可变因素,主要有:
分裂导线的数量和布置;分裂导线间距和导线直径;导线质量;子导线排列对风向的倾角;间隔棒装置的类型和位置等[4]。
风的影响
均匀稳定的风是引起分裂导线次档柜振荡的基本因素。
一方面,分裂导线振动需要一定的能量,一般次档柜振荡多发生在7~20m/s风速且风力方向与线路夹角在5°以上的区域。
另一方面,要维持分裂导线的持续振动,振动频率必须相对稳定。
即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时,则导线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、导线的悬挂高度、档距、风向和地貌等。
如果档距增大,则为保证对地距离,导线悬挂点必须增高。
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45~90°夹角时,导线产
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生稳定振动;在30~45°时,振动的稳定性较小;夹角小于20°时,基本上很少出现振动。
分裂导线的数量和布置的影响
到目前为止,二、三、或四分裂导线已广泛应用于运行线路上,我国首条750千伏输电线路,青海省海东地区官亭镇至兰州东输电线路工程六分裂扩径导线试验段架线于今年5月在兰州展放成功,标志我国输电线路六分裂导线已经开始架设运行。
在这些分裂导线中,四分裂导线对次档距振荡最敏感,而三分裂导线是最稳定的,因其有均横排列少数几根导线位于尾流内。
据此,可将四分裂导线布置成菱形来降低次档距振荡。
而随着我国超(特)高压输电线路的涌现,分裂导线的根数也越来越多,如何布置对次档距振荡的影响不容忽视。
[5]
导线直径和分裂导线间距的影响
分裂导线的迎风面导线至背风面导线的距离,通常用间距对直径之比(a/d)表示。
在常规设计中,这一比值在10~20之间。
据大电网国际会议对各会员国的咨询,大多数国家的a/d值在15~18之间时,没有发生过严重的次档距振荡,如果小于10,则可能产生严重的振荡。
增大a/d值往往会降低次档距振荡,但是若过大的话,从技术和经济上考虑是不合理的。
导线质量的影响
通过计算分析可知,分裂导线次档距振荡的起振风速随着导线单位质量的增加而增大。
图2-5表示导线质量和起振风速的关系,其中质量坐标为导线本身质量的倍数。
由图可以看出,如果一味增大导线质量,对输电线路分裂导线次档距振荡的防治也是不利的。
子导线排列对风向倾角的影响
一般来说,背风面导线的水平位置,与子导线排列对风向的倾角有关(如图2-6所示),并在尾流施力下具有强烈的影响。
由于背风面导线在迎风面导线尾流区内,受到尾流施力而引起振荡,则必须使分裂导线有一点仰角(即倾斜a)。
但倾斜程度不能大到使背风面导线在尾流区域外。
如对于分导线间距为460mm,则倾角为20o。
当分裂导线与对应的风流为水平面时,尾流施力就会使振荡朝着减弱的趋势发展。
不稳定的倾角范围最可能出现在约为5~15o间,而这些具体范围对特定的挡距来讲,有一定的关系。
倾角的矢向(迎向风或离开风),所导致的不稳定性,与分裂导线的倾斜程度有一定的关系。
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间隔棒装置的类型和位置的影响
对于次档距振荡,为了更好的吸收振荡产生的能量,现在广泛选用具有较好阻尼性能的间隔
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棒,即为阻尼间隔棒。
间隔棒的安装位置对于次档距振荡的影响是非常大的。
为防止相邻次
档距振荡周期一致(有一处发生振荡,就会激起全部次档距振荡)的现象出现,间隔棒的安装距离应当采用不等距的方法。
[6]
次档距振荡的防护
在工作线路中,抑制和减小次档距振荡的防护措施通常有如下几种:
增大分裂导线间距(增大a/d值);改变分裂导线的倾角;减少尾流区中导线的数量;减小次档距的长度;间隔棒的优化布置和适宜选型。
这些措施将在下面分别给以讨论,但是它们并不是互不相容的,而常常是混和使用。
增大分裂导线间距(增大a/d值)
分裂导线的间距(或a/d值)通常取决于电气方面的因素,如导线表面的允许电压降等。
但也确实存在着选择的a/d值要大于电气方面所要求的最小值,以改善振动的特性。
当a/d值增大时,引起振动的尾流动力变小,因而振动也可减小。
所有的振动波型、垂直向和水平向的摆动,滚动及次档距也将受到影响。
但是增大a/d值通常会导致线路成本的增加。
设计中实际采用的a/d增大值常常是和其他的防护措施联合使用的。
多数国家分裂导线间距与线径之比在15~18之间,表(2-1)给出了一些国家已经采用或推荐采用的分裂导线a/d值。
再加上间隔棒的合理布置与选型,会有效的抑制和减小次档距振荡。
改变分裂导线的倾角当分裂导线的倾角足以使背风面的导线离开迎风面导线的尾流区时,就可以消除尾流动力并防止由于尾流引起的所有振动波型。
在输电线路的常规设计中,分裂导线的倾角一般都不超过20o。
对于线路中设计好的倾角,其防止振动的效果要视对这—倾角的控制和引起倾角产生偏差的各种因素而定。
风压就是因素之一;其他因素指那些甚至在没有风压的情况下也能引起不同于预定倾角的因素,包括垂度的误差、分裂导线的导线间蠕变的差别,以及由于冰或其他可能的荷载不同而导致伸长率的不同。
所以,倾角设计必须足够大,以至使上述的偏差值不会将实际档距中导线的倾角又改变为可发生振动的范围内。
减少尾流区中导线的数量
减少迎风面导线的尾流区中导线的数量,实际上就是分裂导线相对位置如何布置的问题。
根据前面提到的,对于双分裂导线,可采用垂直布置,或成45o对角线布置,这样也省去了安装间隔棒,而且不仅有效的抑制了次档距振荡和舞动,也避免了间隔棒及附近导线损坏的弊端。
对于多分裂导线,国外将三分裂导线的三角形扭转30o;四分裂导线采用菱形布置方式,且扭转45o,以减少尾流效应,抑制次档距振荡。
而对于更多的分裂导线,由于我国尚没有
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运行经验,需要相关专业人士进一步的研究。
减小次档距的长度
为了减少次档距振荡的强度,除选用防振性能较好的间隔棒外,还考虑用减小次档距长度的方法,因为同样导线和分裂间距下,振荡幅值与次档距长度成正比。
次档距的长度与振幅的关系如表2-2所示。
这样,就可以减少分裂导线振荡所产生的能量和增加间隔棒吸收的能量,从而把次档距振荡抑制在安全限度内。
但是,过度缩小次档距长度会造成很大的经济浪费。
所以,再加上选择适宜的间隔棒和合理的安装位置布置,次档距也不必过分缩小。
[7]
结论
分裂导线次档距振荡严重威胁着超高压输电线路的安全运行。
针对分裂导线次档距振荡现象,本文详细论述了次档距振荡机理和影响次档距振荡的因素等。
研究防振装置阻尼间隔棒的作用机理和性能测试。
在总结和借鉴国内外经验的基础上,提出了一种以抑制次档距振荡为目的并满足工程设计要求的阻尼间隔棒安装距离优化布置的设计计算方法,最后开发了一套设计计算与仿真软件。
通过以上研究可以得出以下结论:
1)、随着我国电力输送能量的迅速增长,多分裂、大容量、远距离的输电线路成为必然选择,次档距振荡作为多分裂导线的特有振荡模式,给导线和金具的损害是不容忽视的,对于抑制及减小次档距振荡的研究具有重要的意义。
2)、阻尼间隔棒是多分裂导线输电线路必不可少的金具。
我国尽管对于它的研究已经有了相当成熟的技术,但是测试技术却不能得到很好的保证。
所以,对于阻尼间隔棒性能测试的研究应进一步加强,针对导线的特性开发出导线专用间隔棒。
3)、建立了次档距优化布置的数学模型,利用工程参数、导线及间隔棒参数,计算系统中阻尼间隔棒的效率评价,以此作为控制次档距振荡的指标,从而简化了阻尼间隔棒安装距离的优化布置。
4)、阻尼间隔棒安装优化布置设计计算与仿真软件具有友好的用户界面,计算速度快,准确性高,可查看和存贮工程参数、导线参数、间隔棒参数和设计计算结果,方便了次档距的优化布置研究工作。
5)、本文在输电线路分裂导线次档距振荡方面作了一些理论研究和试验工作,但考虑到导线风振所涉及的因素极为复杂,还存在不完善的地方和尚需深入讨论的问题。
这些工作包括分裂导线次档距振荡机理的进一步研究、基本空气动力参数的试验与测定、相应的实验与现场监测等。
本文对分裂导线次档距振荡进行了全面的研究。
阻尼间隔棒性能的测试试验方法具有很强的建设性,次档距优化布置方式设计计算具有开创性,及计算机仿真软件的开发方便了架空导线的防振工作,为今后分裂导线次档距振荡防振系统的研究工作提供了技术指导和学术参考。
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参考文献
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