大跨越導(dǎo)線測(cè)振及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

張喜澤， 張大義， 蔡丹宙， 黃國(guó)飛， 韓云武， 馬 瞻， 劉 斌

(上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

微風(fēng)振動(dòng)容易引起架空線路導(dǎo)、地線的線股疲勞斷股，該問題一直威脅著輸電線路的安全運(yùn)行，尤其在大跨越上。因?yàn)闄n距大、懸掛點(diǎn)高、水域開闊等特點(diǎn)，使得風(fēng)輸給導(dǎo)線的振動(dòng)能量大大增加，導(dǎo)線振動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)較普通檔距嚴(yán)重。一旦發(fā)生疲勞斷股，將給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重危害，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成重大損失，通常僅換線工程本身的損失就高達(dá)數(shù)百萬元，因此大跨越導(dǎo)線的防振工作一直被廣大科研工作者所關(guān)注，而建立一套完整的室內(nèi)測(cè)振試驗(yàn)室與室外現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要。

許多國(guó)家在20世紀(jì)60年代就開展了導(dǎo)線振動(dòng)的能量研究，通過測(cè)定導(dǎo)線自阻尼和阻尼器功率特性等，來選擇合理的消振方案。CIGRE/IEEE輸配電委員會(huì)推薦“導(dǎo)線自阻尼測(cè)量導(dǎo)則”和“單導(dǎo)線風(fēng)振阻尼器特性測(cè)量導(dǎo)則”。但是，風(fēng)激振動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的理論問題，制約因素非常多，比如掛高、風(fēng)速、風(fēng)向、地形、間隔棒及導(dǎo)線振幅、頻率等。因此，大跨越工程中除了要建立室內(nèi)導(dǎo)線阻尼能量測(cè)試系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)、地線進(jìn)行室內(nèi)消振模擬及優(yōu)選防振方案外，還必須加強(qiáng)線路在架設(shè)完畢后進(jìn)行導(dǎo)、地線風(fēng)激振動(dòng)水平的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以便確認(rèn)防振措施的有效性及工程的安全性。

本文對(duì)大跨越導(dǎo)線的室內(nèi)測(cè)振技術(shù)以及室外監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

1 室內(nèi)測(cè)振技術(shù)研究

1.1 自阻尼測(cè)量

我們采用功率法來測(cè)試導(dǎo)線的自阻尼特性(見圖1)。圖1中，1為信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率能連續(xù)可調(diào)的正弦信號(hào);2為功率放大器，供給足夠大的功率以推動(dòng)激振器3;4為力傳感器，檢測(cè)激振器輸給導(dǎo)線11的激振力，并把這個(gè)正弦的機(jī)械力轉(zhuǎn)換成正弦的電信號(hào);5為加速度傳感器，檢測(cè)該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)加速度，并把加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào);力和加速度信號(hào)分別經(jīng)電荷放大器6、7，并歸一化處理后，其輸出的電壓信號(hào)就是激振力和加速度的值，加速度電壓信號(hào)再經(jīng)過積分器8積分后變成速度信號(hào);然后再把力和速度信號(hào)同時(shí)輸入功率表9，功率表的輸出就是激振器輸入導(dǎo)線的功率大小;同時(shí)，力和加速度信號(hào)分別輸入示波器10的x和y軸，調(diào)節(jié)1的頻率，從示波器中可以確定導(dǎo)線是否處于共振狀態(tài);12為重型夾具;13為水泥阻力墩。

圖1 功率法測(cè)量導(dǎo)線自阻尼原理圖

在用功率法測(cè)量導(dǎo)線自阻尼時(shí)［1］，需要注意以下問題［2］:

(1)用電磁振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)時(shí)，它的低頻特性不好，最好采用衰減法來補(bǔ)充;

(2)電磁振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)圈加上夾具的質(zhì)量較大，會(huì)影響振動(dòng)臺(tái)所處的半波長(zhǎng)度，表現(xiàn)出局部阻尼的作用;

(3)信號(hào)通道之間的相角越小越好，最好為0°;

(4)由于導(dǎo)線自阻尼很小，諧振時(shí)速度變化率很大，嚴(yán)格穩(wěn)定在諧振狀態(tài)十分困難;

(5)力傳感器和加速度傳感器必須有良好的線性、頻率相應(yīng)特性及可重復(fù)性。

1.2 速度和振幅的測(cè)量

導(dǎo)線振動(dòng)時(shí)，加速度傳感器隨著導(dǎo)線作加速運(yùn)動(dòng)，將其輸出的感應(yīng)信號(hào)經(jīng)電荷放大器的歸一化處理后，通過積分器積分，從峰值電壓表讀出該點(diǎn)的振動(dòng)速度。將該速度值除以振動(dòng)角頻率即得該點(diǎn)的振幅。

1.3 風(fēng)能平衡點(diǎn)和輸入風(fēng)能的確定［3］

大跨越導(dǎo)線風(fēng)振強(qiáng)度與輸入風(fēng)能的大小有關(guān)，也與導(dǎo)線自阻尼及消振措施性能優(yōu)劣有關(guān)。風(fēng)能曲線有Diana and Falco曲線、Farquharson曲線和Slethei曲線等，我們對(duì)輸入風(fēng)能曲線的選取進(jìn)行了計(jì)算和分析。

下式為Diana風(fēng)能曲線擬合成為以相對(duì)全振幅(Y/D)為自變數(shù)的解析函數(shù):

式中，W/M為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線所吸收的風(fēng)的功率:Y為振動(dòng)的振幅的峰值;D為導(dǎo)線的外徑;f為導(dǎo)線振動(dòng)的頻率。

日本人提供的Slethei風(fēng)能曲線的解析表達(dá)式，也是相對(duì)全振幅的函數(shù)為:

式中，V為風(fēng)速(m/s);CL為風(fēng)速V的函數(shù)。

按照式(1)～式(4)繪制出了Diana曲線與Slethei曲線對(duì)比圖(見圖2)。為了安全起見，我們選用Diana風(fēng)能曲線。將導(dǎo)線自阻尼特性曲線經(jīng)過坐標(biāo)變換后，繪制到風(fēng)能曲線上，得到的兩曲線交點(diǎn)，即為該頻率下的能量平衡點(diǎn)及相應(yīng)平衡的振幅值，再把交點(diǎn)的位置反算到導(dǎo)線自阻尼特性曲線的坐標(biāo)系中。安全起見，將功耗值乘以3倍作為以后輸給導(dǎo)線的風(fēng)能值。

圖2 Diana曲線與Slethei曲線的對(duì)比

1.4 應(yīng)變的測(cè)量

消振措施的消振性能優(yōu)劣是由線夾出口、花邊出口和防震錘夾頭出口處導(dǎo)線上的動(dòng)彎應(yīng)變來確定。對(duì)于具體某點(diǎn)的應(yīng)變的測(cè)量方法如下:

A、B、C、D表示貼在導(dǎo)線外層股線的四片等值應(yīng)變片(見圖3)，其連接線路圖見圖4，信號(hào)源1將1 kHz的信號(hào)輸入應(yīng)變片橋中，輸出信號(hào)再經(jīng)過相敏檢波放大器2，濾去了1 kHz的信號(hào)，在動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀3中記錄振動(dòng)頻率一致的應(yīng)變信號(hào)。測(cè)到的是某一個(gè)諧振頻率下的某一個(gè)特定振幅的應(yīng)變值。

2 室外監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

2.1 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的調(diào)研

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究人員詳細(xì)研究了加拿大生產(chǎn)的PAVICA型輸電線路測(cè)振儀(見圖5)。該產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)目前現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的唯一解決方案，其特點(diǎn)是自動(dòng)化程度高，可編程，安裝方便，測(cè)試結(jié)果可以直接從屏幕讀出，也可以很好地和計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。它記錄的數(shù)據(jù)是被測(cè)點(diǎn)的振幅，根據(jù)被測(cè)點(diǎn)振幅和應(yīng)變的關(guān)系，確定該點(diǎn)的可允許振幅的范圍，若有數(shù)據(jù)超出該范圍，則判斷導(dǎo)線消振效果不佳。導(dǎo)線的振動(dòng)與風(fēng)速有關(guān)，根據(jù)氣象局提供的當(dāng)?shù)貧庀髼l件，選擇風(fēng)速比較穩(wěn)定，且風(fēng)向最好與導(dǎo)線相垂直，溫度變化小的季節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，選擇線夾出口處和防振錘夾頭處的振幅，或者根據(jù)用戶提供的要求，選擇被測(cè)點(diǎn)。該儀器可以用來驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)消振方案的有效性，功能的可擴(kuò)展性不強(qiáng)。

圖3 應(yīng)變片安裝位置

圖4 應(yīng)變片橋連接方法

圖5 PAVICA型輸電線路測(cè)振儀

2.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振方案的自行開發(fā)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目組走訪了多家單位，受訪用戶更希望能夠長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的振動(dòng)情況。例如，已有部分電力公司正在籌劃建立省網(wǎng)下的電力監(jiān)控中心，以期對(duì)重點(diǎn)線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，振動(dòng)監(jiān)控也包含在內(nèi)。

由于PAVICA測(cè)振儀是采用蓄電池供電的結(jié)構(gòu)，用定時(shí)開啟的工作方式達(dá)到省電的效果，無法進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);其采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自身的存儲(chǔ)器內(nèi)，只能在驗(yàn)證期結(jié)束后才能得到，無法實(shí)時(shí)地反映導(dǎo)線的振動(dòng)情況。因此，該儀器不能適應(yīng)上述需求。同時(shí)，其他滿足要求的產(chǎn)品也未被發(fā)現(xiàn)。因此，研究人員結(jié)合國(guó)內(nèi)電力用戶的需求自行開發(fā)能夠長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線振動(dòng)情況的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀。

在高壓隔離的條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期供電有多種可供選擇的方案，加上低功耗無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，完全可以結(jié)合國(guó)外儀器的特點(diǎn)，自行開發(fā)可長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的測(cè)振系統(tǒng)。

(1)高壓條件下的供電方案

目前針對(duì)架空導(dǎo)線的監(jiān)測(cè)產(chǎn)品，多是采用太陽(yáng)能供電。此類產(chǎn)品的特點(diǎn)是功耗小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還沒有用于導(dǎo)線振動(dòng)測(cè)量。太陽(yáng)能供電的最大缺點(diǎn)是受天氣條件制約，無法完成諸如長(zhǎng)期無日照條件的測(cè)量，也決定了其輸出功率必須在蓄電池容量和天氣條件下做出取舍。所以單純地采用太陽(yáng)能供電的方式不是特別理想。而架空線本身就是用于不間斷傳輸電能的載體，可從中取出一部分電量用于導(dǎo)體運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)。此外，風(fēng)能供電也是最近流行起來的技術(shù)，盡管受到天氣影響，卻可以為持續(xù)供電提供額外的保障。

綜上所述，可確定該產(chǎn)品將采用多種供電方案相結(jié)合或擇優(yōu)選擇的方式，力爭(zhēng)使供電系統(tǒng)的輸出功率高于監(jiān)控儀器的消耗功率，同時(shí)努力實(shí)現(xiàn)儀器的微消耗，確保長(zhǎng)期供電。所需的配套電路可借鑒現(xiàn)有便攜式設(shè)備充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如手機(jī)充電器。

(2)高壓條件下的測(cè)量方案

在解決了供電問題之后，只要在重量允許的情況下，就可以加載更多功能模塊。

架空線振動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)理論由IEEE委員會(huì)在1965年給出［4］，該標(biāo)準(zhǔn)采用測(cè)量彎曲幅度的物理量，并且可以推算出導(dǎo)線端部?jī)蓚€(gè)被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位移，以反映出整根導(dǎo)線的振動(dòng)狀況。PAVICA測(cè)振儀正是采用了這種測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)過對(duì)PAVICA測(cè)振儀研究并結(jié)合現(xiàn)有傳感器知識(shí)可得出，在線振動(dòng)測(cè)量應(yīng)采用機(jī)械傳動(dòng)裝置結(jié)合壓電晶體組成的傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)過采集電路濾波，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理，處理結(jié)果采用無線傳輸方式傳遞至低壓端，再進(jìn)行調(diào)配。其中，機(jī)械部分的重量占據(jù)了很大比重，在選材、精加工方面都需慎重考慮。國(guó)內(nèi)傳感器生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品多是針對(duì)直接位移測(cè)量，盡管其精度和測(cè)量范圍都可滿足要求，而針對(duì)兩點(diǎn)相對(duì)位移的傳感器還未出現(xiàn)，需要額外改造或是直接定做。

現(xiàn)有的無線傳輸方式已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)，有很多解決方案可供選擇。其產(chǎn)品重量輕、集成度高，工作在射頻范圍之內(nèi)，抗干擾能力極強(qiáng)。無線傳輸可以徹底解決高低壓隔離的問題，在解決了供電問題之后，便可以實(shí)現(xiàn)任意距離的無線傳輸。

無線模塊同傳感器的對(duì)接電路是需要額外開發(fā)的部分，這部分電路的作用是接收傳感器輸出的微伏量級(jí)信號(hào)，并放大為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片可分辨的信號(hào)，在確保低干擾的情況下將信號(hào)傳遞給無線模塊進(jìn)行傳輸。該部分工作具有一定難度。

實(shí)現(xiàn)方案概括:借鑒IEEE標(biāo)準(zhǔn)，采用機(jī)械傳感器裝置配套相應(yīng)處理電路，以無線方式傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù) IEC TC7［5］、CIGRE/IEEE 推薦的自阻尼測(cè)試方法以及IEEE給出的架空線振動(dòng)測(cè)量的基礎(chǔ)理論，結(jié)合風(fēng)激振動(dòng)的特點(diǎn)以及大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究，并走訪了國(guó)內(nèi)大量的電力系統(tǒng)用戶，提出了切實(shí)可行的室內(nèi)消振試驗(yàn)方案和適用于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器。

［1］蔡丹宙.架空導(dǎo)線自阻尼性能測(cè)量的數(shù)學(xué)分析［J］.電線電纜，1982(6):12-17.

［2］蔡丹宙.激振載荷導(dǎo)線的一些問題［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1985，5(2):48-54.

［3］Diana G，F(xiàn)alco M.On the transmitted to a vibrating cylinder by a blowing fluid(Experimental Study and analysis of the Phenomenon)［J］.Meccanica，n.l(Vol.Vl)，1971.

［4］IEEE Committee Report.Standardization of conductor vibration measurements［R］.IEEE Trans.Paper，Vol.PAS-85，No.1，1966.

［5］CIGRE SC B2WG25 Task Force self-damping Draft，Overhead line.Methods for laboratory measurement of conductor self-damping［R］.Notes for the future IEC Standard 62567 Ed.1.0.