架空線張力與頻率關(guān)系理論與試驗(yàn)的研究*

謝占山，李忠芳，王少夫

(安徽科技學(xué)院)

0 引言

輸電線路是輸入電能的通道，其安全可靠的運(yùn)行，是保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展的因素之一．然而輸電線路是一個(gè)系統(tǒng)，它包括塔基、桿塔、絕緣子、金具、架空線、避雷線等其他輔助設(shè)施，在此些系統(tǒng)中，架空線是輸送電能的載體，是整個(gè)輸電系統(tǒng)的核心組成之一;架空線在運(yùn)行中，由于受到外界因素的影響(譬如風(fēng)載荷，浮冰、霧凇載荷，大氣溫度等)影響以及導(dǎo)線自身溫度影響，導(dǎo)致其本身張力變化較大進(jìn)而導(dǎo)致其頻率特性變化劇烈，若某工況下架空線的頻率與輸電鐵塔的固有頻率相同或者相近，那么很容易造成鐵塔的倒塔現(xiàn)象的發(fā)生，所以開(kāi)展架空線張力與頻率關(guān)系的研究顯得必要的［1］．

架設(shè)架空線使用張力放線機(jī)，在當(dāng)時(shí)施工的環(huán)境下，張力的大小的是確定的，即此時(shí)的架空線固有頻率是定值，但是架空線工作環(huán)境復(fù)雜，容易受到外界因素的影響，其本身的張力呈現(xiàn)較大幅度變化范圍，這就造成架空線本身頻率的波動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)線路以及鐵塔設(shè)計(jì)時(shí)，有必要評(píng)估一定檔距的架空線在各類極端載荷的下頻率范圍，盡量繞開(kāi)其頻率范圍，以防止共振的發(fā)生．

架空線是通過(guò)鋼芯(碳纖維)與鋁合金的導(dǎo)線絞制而成，因此架空線的子導(dǎo)線是一個(gè)復(fù)雜的柔性體或者復(fù)合索特性的結(jié)構(gòu)體．為了弄清架空線在不同外載荷下其張力與頻率函數(shù)關(guān)系，該文將從理論方面進(jìn)行推導(dǎo)架空線張力與頻率的關(guān)系，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行不同張力情況下架空線頻率的測(cè)定，以揭示張力與頻率的關(guān)系，驗(yàn)證理論的正確性，為鐵塔設(shè)計(jì)、架空線檔距最佳距離確定及其與鐵塔匹配具有重要的意義．

1 架空線張力與頻率之間關(guān)系的理論與試驗(yàn)研究

1．1 架空線振動(dòng)方程

圖1 有剛度無(wú)阻尼架空線微單元的受力示意圖［2，3］

如圖1所示，架空線微單元的長(zhǎng)度為dx，剛度為 EI，水平張力 T0，i、j節(jié)點(diǎn)的軸向力分別為T(mén)i、Tj，單位長(zhǎng)度的質(zhì)量為m，微單元dx長(zhǎng)度上有彎曲，其平衡方程如下:

(13)的通解為:T(t)=Asinλt+Bcosλt

平均檔距為500 m的單根架空線懸掛在線夾下，其自重可達(dá)半噸左右(如6分裂的LGJ-300/40 自重約為3．4 t)［4］，整個(gè)子導(dǎo)線處于繃緊的狀態(tài)，在線夾處其邊界條件為:

由式(25)可知，架空線在架設(shè)時(shí)，其張力與固有頻率是定值，但是架空線在運(yùn)行是會(huì)受到外界因素的影響，而導(dǎo)致張力變化，進(jìn)而導(dǎo)致其頻率隨之變化，此時(shí)可以根據(jù)(25)進(jìn)行評(píng)估．

1．2 實(shí)驗(yàn)室條件下張緊架空線張力與頻率試驗(yàn)研究

1．2．1 線路上檔距內(nèi)架空線邊界條件確定

在線路上運(yùn)行的架空線被固定在絕緣子下端的線夾處，其縱向及橫向位移為零，絕緣子在相鄰檔距的架空線自重的作用下，其基本與水平面處于垂直，同時(shí)架空線也處于繃緊的狀態(tài)，故在實(shí)驗(yàn)室的條件下將鋼絞線緊固，以防止其發(fā)生橫向及縱向的位移．

因架空線所處的地形不同，架空線檔距不同，一般情況下輸電線路檔距通常在100～1000 m之間［4］;輸電線路的輸送功率不同，所用的子導(dǎo)線數(shù)以及導(dǎo)線型號(hào)不同，因此架空線的張力不同，故在實(shí)驗(yàn)室的條件下需將架空線的一端設(shè)定一個(gè)可調(diào)節(jié)張力大小的裝置，以實(shí)現(xiàn)不同張力．

1．2．2 實(shí)驗(yàn)室條件下導(dǎo)線張力與頻率試驗(yàn)研究

為了研究架空線張力與頻率的數(shù)值關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室條件下選用某型號(hào)的鋼絞線，其一端緊固在可調(diào)節(jié)張力大小的試驗(yàn)臺(tái)上［5］，另一端固定在與試驗(yàn)臺(tái)連接的力學(xué)傳感器上，架空線中間部位布置一加速度傳感器(如圖2所示)，其中張力傳感器(如圖3所示)用來(lái)測(cè)定鋼絞線的張力，加速度傳感器(如圖4所示)用來(lái)測(cè)定鋼絞線檔距四分之一、八分之一處的加速度，其后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到的不同張力情況下頻率，如表1所示．

圖2 鋼絞線張力調(diào)節(jié)端

圖3 鋼絞線張力測(cè)定端

圖4 加速度傳感器布置位置

表1 實(shí)驗(yàn)室條件下不同張力的導(dǎo)線的振動(dòng)頻率

圖5 實(shí)驗(yàn)室條件下架空線張力與頻率關(guān)系圖

由表1和圖5可以看出，相同張力的情況下，相鄰的頻率的之差近似為第一階頻率，這是因?yàn)榧芸站€各股之間有摩擦，存在一定阻尼．隨著張力的增加，各股之間的摩擦阻尼隨之變化，各階次頻率隨著張力的增大而總體增大，雖然圖中三階與五階頻率有下降的數(shù)值點(diǎn)，但是不影響架空線張力增大頻率增大的趨勢(shì)，下降的數(shù)值點(diǎn)，可能是因?yàn)樵囼?yàn)誤差導(dǎo)致．

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析與理論分析基本相吻合，驗(yàn)證了理論假設(shè)的正確性，同時(shí)也證明了實(shí)驗(yàn)方法的可行性．

2 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)架空線振動(dòng)方程的分析，得出了架空線的張力及微單元長(zhǎng)度質(zhì)量為某定值時(shí)，第n階振動(dòng)頻率是第一階頻率的n倍，相鄰的兩階固有頻率之差是第一階的振動(dòng)頻率．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，架空線各股之間存在阻尼，張力的大小對(duì)各股之間的阻尼有影響，但不同張力之比近似等于同階次的頻率之比的平方;頻率與張力的之間的關(guān)系反映了架空線的張力隨導(dǎo)線的張力增大而增大，因此在架空線運(yùn)行中了解張力的并控制張力，對(duì)于保護(hù)線路安全具有重要的工程意義．也鐵塔設(shè)計(jì)、架空線檔距最佳距離確定及其與鐵塔匹配具有重要的意義．

［1］ 王冬．架空線路的舞動(dòng)分析和擾流防舞器的研究［D］．華北電力大學(xué)，2011．1-2．

［2］ 孟遂民．架空輸電線路設(shè)計(jì)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2007．

［3］ 劉榮英．偏微分方程在弦振動(dòng)問(wèn)題中的應(yīng)用［D］．華中師范大學(xué)，2007．4-18．

［4］ 謝占山．500 kV“V”串復(fù)合絕緣子機(jī)械疲勞試驗(yàn)研究［D］．華北電力大學(xué)，2012．1-12．

［5］ 張旺海．覆冰架空導(dǎo)線振動(dòng)數(shù)值仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究［D］．華北電力大學(xué)，2012．29-33．