新型形狀記憶合金間隔棒防舞研究與試驗(yàn)

張佃華 馬萬明 王鈺鑫

摘 ?要：本試驗(yàn)項(xiàng)目名稱為500 kV緊湊型線路抗振相間間隔棒研制。為了減小輸電線路舞動(dòng)帶來的危害，本實(shí)驗(yàn)基于形狀記憶合金（NiTi）的優(yōu)良屬性，在傳統(tǒng)間隔棒上加裝合金絲與鋼球組合構(gòu)成新型間隔棒，研制出了一種新型形狀記憶合金相間間隔棒。在實(shí)驗(yàn)室模擬不同頻率振幅下的舞動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種相間間隔棒的減振效果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)分析對(duì)比，比較新型相間間隔棒與普通相間間隔棒的減振效果，得出新型相間間隔棒減振效果更佳，對(duì)新型相間間隔棒內(nèi)部合金絲與鋼球組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整（合金絲直徑、鋼球的質(zhì)量）優(yōu)化新型相間間隔棒，得到減振效果最佳的相間間隔棒。

關(guān)鍵詞：記憶合金;間隔棒;阻尼器;振幅;減振

中圖分類號(hào)：TM753 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8937（2015）36-0044-02

1 ?概 ?述

在輸電線路上，導(dǎo)線往往隨著風(fēng)的吹動(dòng)而擺動(dòng)，特別是當(dāng)導(dǎo)線距離地面較高、風(fēng)速較大并且持續(xù)作用時(shí)，風(fēng)不斷的給輸電線路輸入能量，而導(dǎo)線系統(tǒng)則是通過擺動(dòng)來散發(fā)這種能量，久而久之達(dá)到一種平衡狀態(tài)而產(chǎn)生一種低頻大振幅的擺動(dòng)，這種擺動(dòng)就是我們通常所說的舞動(dòng)。舞動(dòng)對(duì)輸電線路的危害是相當(dāng)大的，輕則導(dǎo)線疲勞斷股、金具受損、重則發(fā)生輸電線路倒塔事故，給國(guó)家?guī)韲?yán)重的資產(chǎn)損失。其中常見的解決方式是安裝相間間隔棒，傳統(tǒng)的間隔棒可以有效的預(yù)防一些小型線路發(fā)生舞動(dòng)造成的事故。然而隨著近些年來大跨越輸電線路的不斷增加，傳統(tǒng)的相間間隔棒已經(jīng)漸漸不能滿足需求。

形狀記憶合金（鎳鈦）是一種新型的智能材料，因?yàn)樗赜械男螤钣洃?、超彈性、高阻尼特性、抗腐蝕、抗疲勞等一系列優(yōu)良屬性，生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、電子和航空等領(lǐng)域得到大量的應(yīng)用。其超彈性可恢復(fù)應(yīng)變高達(dá)6%～8%，屈服應(yīng)力在400～500 MPa，與鋼才相當(dāng)。當(dāng)其極限強(qiáng)度超過1 000 MPa，極限變形高達(dá)20%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的金屬物。利用形狀記憶合金超彈性效應(yīng)制成的耗能器與其他金屬耗能器相比使用周期長(zhǎng)，不但可以滿足輸電線路上要求的力學(xué)性能（承受較大的變形能力），而且還能滿足長(zhǎng)期戶外使用的耐久性（抗疲勞、抗腐蝕），能夠克服其他類型阻尼器面臨的老化、可靠性低，維護(hù)費(fèi)用高及殘余變形大等問題。本實(shí)驗(yàn)就是以形狀記憶合金絲（材料為鎳鈦）的這些特性研制了一種結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、耗能能力極強(qiáng)的新型相間間隔棒。在工程應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。

2 ?新型合金絲間隔棒工作原理

當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，隨著導(dǎo)線的大幅擺動(dòng)會(huì)帶動(dòng)相間間隔棒振動(dòng)，其中相間間隔棒的耗能途徑包括兩部分，一部分是連接兩個(gè)間隔棒之間的絕緣子串通過絕緣子串自身拉、壓、彎、扭的擺動(dòng)方式耗能。另一部分是靠間隔棒內(nèi)部合金絲阻尼器耗能。由于輸電線路發(fā)生舞動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)間隔棒內(nèi)部鋼球也振動(dòng)，鋼球振動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)合金絲不斷的拉伸、收縮以此消耗能量。由于合金絲自身的超彈性特性，屈服應(yīng)力在400～500 MPa與鋼材相當(dāng)，即使很小的變形也會(huì)消耗巨大的能量，因此有著顯著的減振效果。

3 ?實(shí)驗(yàn)布置

本試驗(yàn)項(xiàng)目名稱為500 kV緊湊型線路抗振間隔棒研制。實(shí)驗(yàn)是在東北電力大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室DXZ-1型輸電導(dǎo)線及金具多功能試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行的，該系統(tǒng)之前承擔(dān)過多項(xiàng)科技項(xiàng)目的試驗(yàn)研究任務(wù)，并為多家科研院所和企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)。本系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：可模擬架空輸電線路實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的垂直振動(dòng)（微風(fēng)）、順線振動(dòng)（順線風(fēng)）、水平振動(dòng)（橫向風(fēng)）、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)（導(dǎo)線舞動(dòng)）等各種振動(dòng)工況。本試驗(yàn)研究的是43 m檔距兩相輸電線路，整條線路均是嚴(yán)格按照架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)。導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/35，直徑26.82 mm，截面積564.66 mm2，綜合彈性模量6.5*1 010 Pa，其中兩間隔棒之間選用復(fù)合絕緣子串進(jìn)行連接。整個(gè)輸電線路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大廳布置，如圖1所示。

本實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了直徑分別為0.5 mm、0.3 mm的鎳鈦合金絲，直徑70 mm、80 mm、90 mm的鋼球來進(jìn)行間隔棒內(nèi)部組合，新型間隔棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)初始選用合金絲的直徑為0.5 mm，合金絲的剛度為42.12 kN/m，初步選用質(zhì)量為2.147 kg的鋼球，鋼球的直徑為80 mm，用連接件將鋼球與合金絲裝置在間隔棒上組成新型間隔棒，其中間隔棒的內(nèi)環(huán)直徑為300 mm，當(dāng)掛80 mm直徑的鋼球時(shí)，需要考慮留給合金絲的長(zhǎng)度，以便于計(jì)算合金絲的預(yù)應(yīng)力。鋼球的焊爪長(zhǎng)度為5 mm，鋼球焊爪距離間隔棒內(nèi)徑邊緣為55 mm，經(jīng)測(cè)得合金絲的極限線性應(yīng)變?yōu)?%，選取合金絲的長(zhǎng)度為50mm，根據(jù)極限應(yīng)變合金絲可以獲得的最大變形為50*6%+50=53 mm，55 mm>53 mm說明可以滿足合金絲的拉伸條件，這段長(zhǎng)度可以由合金絲的連接件后面的螺栓來調(diào)節(jié)。為了便于比較在不同直徑合金絲與不同質(zhì)量鋼球的組合條件需要在相同的合金絲初應(yīng)力下進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)小槽鋼后面的螺絲來調(diào)節(jié)合金絲的初始應(yīng)力，本實(shí)驗(yàn)合金絲選用的初始應(yīng)力均為1.5*42.12=63.18 N，新型間隔棒與普通間隔棒實(shí)物圖，如圖2、圖3所示。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的激振器上安裝振動(dòng)臂，可以依靠激振器下的推拉底座帶動(dòng)扭桿而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臂的左右擺動(dòng)，因此由振動(dòng)臂帶動(dòng)導(dǎo)線左右擺動(dòng)加上導(dǎo)線自身的重力作用會(huì)形成導(dǎo)線自身上下、左右擺動(dòng)，這就是導(dǎo)線舞動(dòng)的機(jī)理，而且隨著對(duì)激振器頻率、振幅的加載等級(jí)加大，舞動(dòng)的幅度也會(huì)隨著加劇。

將新型相間間隔棒掛在兩相六分裂導(dǎo)線上，分別對(duì)激振器施加不同頻率、振幅下的加載等級(jí)，在導(dǎo)線上分別掛上速度（測(cè)水平方向）、加速度傳感器（測(cè)豎直方向）測(cè)導(dǎo)線的振動(dòng)幅值，利用inv網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)采集儀記得傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，如圖4、 圖5所示。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的普通相間間隔棒與新型形狀記憶合金相間間隔棒在激振器頻率為1hz、振幅為4 mm的條件下的振幅數(shù)值：

由平穩(wěn)區(qū)可以計(jì)算出使用普通間隔棒時(shí)導(dǎo)線的雙振幅為：水平=66 mm，豎直=112 mm。

當(dāng)使用鋼球直徑為80 mm、合金絲直徑為0.5 mm的新型間隔棒時(shí)，由平穩(wěn)區(qū)可以計(jì)算出導(dǎo)線的雙振幅為：水平=54 mm，豎直=108mm。

通過數(shù)據(jù)采集儀圖像顯示的數(shù)據(jù)可知，在水平方向與豎直方向新型相間間隔棒比普通相間間隔棒有著更好的減振效果。

調(diào)整新型間隔棒內(nèi)部參數(shù)（合金絲直徑、鋼球質(zhì)量）得到激振器不同頻率、振幅條件下傳感器掛點(diǎn)處的振幅整理，如圖6、圖7所示。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本試驗(yàn)在合金絲具有的優(yōu)良屬性的基礎(chǔ)上，通過模擬舞動(dòng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)新型相間間隔棒與普通相間間隔棒的減振效果分析，可得如下結(jié)論：新型相間間隔棒比普通相間間隔棒減振效果要好，通過對(duì)合金絲相間間隔棒的相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，可以看出，隨著合金絲的直徑越細(xì)、重球的質(zhì)量越大，間隔棒的減振效果越顯著。并且導(dǎo)線豎直方向的振幅幾乎是水平方向振幅的兩倍。通過對(duì)導(dǎo)線系統(tǒng)的各個(gè)加載等級(jí)可以看出合金絲的強(qiáng)度可以承受較大幅度導(dǎo)線舞動(dòng)。隨著輸電導(dǎo)線舞動(dòng)狀況發(fā)生的越來越頻繁，對(duì)防舞相間間隔棒的要求越來越高，預(yù)計(jì)新型合金絲（鎳鈦）相間間隔棒在未來的輸電線路上有著廣闊的發(fā)展前景。

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