基于載荷等效的相間間隔棒舞動承載測試系統(tǒng)

趙書杰 ，楊曉輝 ，張希希 ，艾文君 ，王 超

（1．國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 輸電線路舞動防治技術(shù)實驗室，河南 鄭州 450052；2.潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

舞動是在自然風(fēng)載荷的激勵下，輸電導(dǎo)線所產(chǎn)生的一種低頻率、大振幅的自激振動［1-2］。作為輸電線路冬季安全運行的主要影響因素之一，舞動在引起線路電氣跳閘的同時，還會造成線路金具受損、塔線結(jié)構(gòu)破壞等難以直接修復(fù)的事故。

相間間隔棒作為一種有效的舞動抑制手段，被大規(guī)模引入、安裝。相間間隔棒［3-4］是在相間或回路間用絕緣棒進(jìn)行機(jī)械連接制約導(dǎo)線的舞動，其連接處將成為波節(jié)，使舞動成為多個半波的模式，從而減小振幅，防止相間短路發(fā)生。由于相間間隔棒在導(dǎo)線舞動過程中反復(fù)承受相間拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等載荷的作用，經(jīng)常出現(xiàn)相間間隔棒連接金具疲勞損傷、子間隔棒撕裂等［5-7］情況。

當(dāng)前針對相間間隔棒舞動條件下的機(jī)械承載特性與受力分布問題研究較少，且主要以數(shù)值建模分析為主。清華大學(xué)王黎明等［8-10］學(xué)者通過大撓度理論進(jìn)行數(shù)值建模并分析計算，先后對500 kV、750 kV以及1 000 kV線路用相間間隔棒力學(xué)特性及其穩(wěn)定后屈曲特性進(jìn)行分析研究，得到不同電壓等級線路上相間間隔棒芯棒直徑的最佳取值，并給出不同應(yīng)用條件下相間間隔棒的安裝配置方案建議。由于相間間隔棒芯棒為各向異性有機(jī)材料，通過測試可以獲取軸向彈性模量，但無法獲取徑向完全變形與受力承載特征參數(shù)，因此只能計算獲得舞動狀態(tài)下相間間隔棒軸向應(yīng)力應(yīng)變分布特征。由于無法準(zhǔn)確獲取相間間隔棒各個方向上的受力承載特征參數(shù)，一定程度上影響了數(shù)值建模，因此，相間間隔棒機(jī)械承載特性的諸多問題只能依賴于實際試驗。但現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［11］關(guān)于相間間隔棒機(jī)械承載特性的測試，主要有撓度和屈曲測試，這些試驗與現(xiàn)場舞動實際之間尚存在一定差距。

雖然真型舞動試驗線路對相間間隔棒的舞動考核更為真實，但試驗線路舞動具有隨機(jī)性和分散性，不能對相間間隔棒的動態(tài)承載特性進(jìn)行及時有效地檢測。針對上述問題，在分析導(dǎo)線舞動特征及相間間隔棒舞動承載受力特點的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)，并通過與實際線路舞動的一致性分析，對測試系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了研究。

1 導(dǎo)線舞動特征及其模型分析

1.1 導(dǎo)線舞動特征

為了較為準(zhǔn)確地獲得導(dǎo)線舞動特征，采用單目視覺測量的方法獲取舞動時導(dǎo)線運動軌跡及關(guān)鍵參數(shù)。單目視覺測量［12］是指僅利用1臺數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)對導(dǎo)線舞動過程進(jìn)行拍攝，通過視角中特征點位移的變化來進(jìn)行測量分析。利用單目視覺分析方法對真型試驗線路5～6號檔舞動事件進(jìn)行分析，選取線路間隔棒為單目視覺分析的特征點，如圖1所示，由左及右依次是5號桿塔、1～6間隔棒、6號桿塔。

圖1 舞動特征點設(shè)置

導(dǎo)線舞動的特征參數(shù)主要為舞動幅值、頻率、階次及運動軌跡。

舞動幅值是表征導(dǎo)線舞動能量的特征參數(shù)，通過對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定可獲得特征點的實際位移量，表1為導(dǎo)線在各特征點處的最大舞動幅值（豎直方向峰峰值），最大舞動幅值為3.089 m。

考慮到5號和6號塔導(dǎo)線掛點處位移量基本為0，抽取某時刻各特征點豎直方向位移量，以特征點到5號塔水平距離l為橫坐標(biāo)、特征點豎直方向位移量為縱坐標(biāo)，得到導(dǎo)線在該時刻的舞動形態(tài)曲線如圖2所示。由圖可知，此次舞動階次為2階，波節(jié)位于3與4特征點之間，約為整檔線路1/2處，波峰或波谷約在整檔線路1/4和3/4處。

基于特征點2的導(dǎo)線舞動數(shù)據(jù)，進(jìn)行水平方向和豎直方向分解，可繪制特征點2在舞動時的二維運動斷面圖，如圖3所示。

表1 舞動幅值（豎直方向峰峰值）

圖2 導(dǎo)線某時刻的舞動形態(tài)曲線

對特征點2的豎直時程曲線進(jìn)行分析，導(dǎo)線舞動頻率為0.394 Hz。

通過上述分析，得到該次舞動事件導(dǎo)線運動軌跡及關(guān)鍵參數(shù)為：最大舞動幅值為3.089 m；舞動階次為 2階；舞動頻率為 0.394 Hz；導(dǎo)線舞動軌跡為長軸方向偏離豎直方向一定度數(shù)的“類橢圓”。

圖3 特征點2的二維運動斷面

1.2 導(dǎo)線單點舞動模型

相間間隔棒安裝在兩相導(dǎo)線上，其兩端固定在導(dǎo)線的間隔棒上，由于間隔棒受圍繞其周圍的分裂導(dǎo)線束縛，間隔棒的運動形態(tài)與導(dǎo)線舞動形態(tài)基本一致?；谏鲜鼍€路舞動特征觀測，導(dǎo)線舞動形態(tài)為長軸方向偏離豎直方向一定度數(shù)的類橢圓。在某時刻t，導(dǎo)線上任一點的運動方程可簡化為

豎向位移：

水平位移：

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，行業(yè)主管部門及建設(shè)單位對水利工程施工質(zhì)量提出了更高的要求，在水工隧洞襯砌施工中，大多采用鋼模臺車澆筑，由于施工里程長，質(zhì)量影響因素多，在混凝土澆筑完成后，通常會出現(xiàn)一些常見的質(zhì)量通病?，F(xiàn)對常見的質(zhì)量通病提出修補(bǔ)處理方案。

扭轉(zhuǎn)角度：

式中：A為豎向舞動最大幅值，m；B為水平舞動最大幅值，m；N為舞動階次；L為線路檔距，m；x為該點到檔距內(nèi)首端的距離，m；f為舞動頻率，Hz；θm為最大扭轉(zhuǎn)角度，rad。

1.3 舞動條件下相間間隔棒的動態(tài)承載特性

線路中相間間隔棒的安裝布置形式，是根據(jù)線路可能出現(xiàn)的舞動形態(tài)，將相間間隔棒安裝在線路舞動的波峰或波谷位置［13-14］以實現(xiàn)最大程度地抑制舞動。在線路舞動過程中，分裂導(dǎo)線間隔棒與用于防舞動的相間間隔棒受力過程比較復(fù)雜。相間間隔棒舞動過程中所受到的動態(tài)載荷來源于兩端間隔棒［15］，間隔棒在伴隨導(dǎo)線整體運動時作類橢圓形軌跡擺動，相間間隔棒在線路舞動過程中的動態(tài)載荷包括：相間間隔棒兩端間隔棒相對位移發(fā)生周期性改變，對相間間隔棒產(chǎn)生周期性的拉壓載荷，頻繁地使相間間隔棒發(fā)生拉伸和彎曲變形；間隔棒隨導(dǎo)線整體扭轉(zhuǎn)運動，對相間間隔棒產(chǎn)生軸向扭轉(zhuǎn)力和間隔棒扭轉(zhuǎn)運動切向方向上的彎折力。

2 相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)研制

相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)通過模擬輸電線路舞動過程中兩相導(dǎo)線的二維軌跡和相對位移變化，對輸電線路用相間間隔棒在舞動過程中的動態(tài)承載特性進(jìn)行測試。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

載荷等效，即測試系統(tǒng)測試過程中作用在待測相間間隔棒端部的載荷與實際線路舞動工況下作用在相間間隔棒端部的載荷等效。根據(jù)導(dǎo)線布置形式和設(shè)備機(jī)械承載要求，提出框架水平擺臂結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 框架水平擺臂結(jié)構(gòu)

框架水平擺臂結(jié)構(gòu)通過2套水平對稱的旋轉(zhuǎn)擺臂機(jī)構(gòu)擺動，模擬兩相導(dǎo)線舞動過程中相對位移的變化。該框架水平擺臂結(jié)構(gòu)雖然能夠在一定程度上對相間間隔棒施加動態(tài)機(jī)械載荷，但存在以下不足：

1）不能模擬導(dǎo)線呈垂直或三角形布置方式下的擺動；

3）擺臂高度偏高，在安裝試驗樣品和摘取時有一定難度，對試驗操作帶來不便。

為了能夠同時模擬兩相導(dǎo)線呈三角形布置方式的擺動，解決框架水平擺臂結(jié)構(gòu)重心偏高、安全系數(shù)低、安裝樣品不便等問題，提出將其中一端的機(jī)械臂降低安裝在底座上，另一端機(jī)械臂仍固定在機(jī)架上的“底座擺臂+機(jī)架擺臂”結(jié)構(gòu)，如圖5所示?？蚣軘[臂機(jī)構(gòu)安裝在框架上，通過電機(jī)控制，可沿機(jī)架上下移動，設(shè)置有低位和高位2個固定位：框架機(jī)械臂處于低位時配合底座擺臂模擬水平布置方式下的導(dǎo)線擺動，處于高位時模擬V型布置方式下的導(dǎo)線擺動；底座擺臂機(jī)構(gòu)安裝在底座上，使整體結(jié)構(gòu)重心下移，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時，底座安裝在導(dǎo)軌上，通過電機(jī)控制，可沿導(dǎo)軌做靠近或遠(yuǎn)離機(jī)架移動，調(diào)節(jié)底座擺臂機(jī)構(gòu)和框架擺臂機(jī)構(gòu)之間的距離，來滿足不同長度的相間間隔棒試樣試驗。

圖5 “底座擺臂+機(jī)架擺臂”結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

在系統(tǒng)設(shè)計方案確定后，設(shè)計系統(tǒng)中各個零部件的機(jī)械圖紙，并進(jìn)行加工、組裝，對電氣控制和軟件系統(tǒng)安裝調(diào)試，研發(fā)出相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)包括框架擺臂系統(tǒng)和底座擺臂系統(tǒng)，通過框架擺臂系統(tǒng)和底座擺臂系統(tǒng)的配合實現(xiàn)相間間隔棒舞動承載特性的模擬測試。框架擺臂系統(tǒng)包括機(jī)架、框架支架和框架擺臂；底座擺臂系統(tǒng)包括底座、底座支架和底座擺臂?？蚣軘[臂（或底座擺臂）模擬相間間隔棒舞動時其一端間隔棒的運動；擺臂前端同軸設(shè)置有框架擺臂轉(zhuǎn)軸，以模擬導(dǎo)線舞動時子間隔棒的軸向扭轉(zhuǎn)，并通過扭矩力矩傳感器實時采集測試過程中的扭轉(zhuǎn)力矩；框架擺臂轉(zhuǎn)軸的前端與連接金具之間設(shè)置有法蘭式雙向測力傳感器，能夠?qū)崟r采集待測樣品在測試過程中所受到的力。

結(jié)合輸電導(dǎo)線舞動特征和相間間隔棒舞動承載試驗機(jī)的運動特征，采用 “兩端機(jī)械臂同時相向運動，或同時背向運動”的運動形式。

圖6 相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)構(gòu)成

3 一致性分析

將高清攝像機(jī)固定在底座導(dǎo)軌的一側(cè)，調(diào)整位置使鏡頭視野能夠覆蓋兩端機(jī)械臂，對兩端機(jī)械臂的運動軌跡和相間間隔棒的運動姿態(tài)進(jìn)行全程錄像。在疲勞損傷特性測試試驗條件下，相間間隔棒試樣的運動軌跡如圖7所示。試樣芯棒選取直徑為24 mm，結(jié)構(gòu)高度為5.19 m的剛性一體式棒形懸式相間間隔棒。首先，兩端機(jī)械臂處于“平行機(jī)架、推拉正中間、扭轉(zhuǎn)至水平（清0）”的初始位置，如圖 7（a）所示，相間間隔棒處于輕微拉伸狀態(tài)，即機(jī)架端機(jī)械臂主要承受的是試樣的重量；動作開始后，兩端機(jī)械臂相向壓縮運動，對相間間隔棒試樣施加壓力，使試樣彎曲，如圖7（b）所示；待試樣彎曲到一定程度（取相間間隔棒的最小壓縮距離），兩端開始背向動作，如圖7（c）所示；背向動作過程中，兩端機(jī)械臂做背向拉伸運動，對試樣施加拉力，使試樣拉伸，如圖7（d）所示；之后一直重復(fù)上述運動。

在沒有相間間隔棒束縛的情況下，機(jī)械臂在液壓系統(tǒng)的作用下進(jìn)行擺動和推拉運動，機(jī)械臂端部的運動軌跡近似為一段橢圓圓弧，如圖8所示，記弧長為L1，模擬出兩相導(dǎo)線舞動時的橢圓運動形式。

圖7 舞動試驗機(jī)雙端動作過程

圖8 舞動試驗機(jī)單端運動軌跡

在疲勞損傷特性測試模式下，兩側(cè)機(jī)械臂同步調(diào)相向動作時，相間間隔棒在拉伸、壓縮運動中承受機(jī)械臂的拉壓力，設(shè)置在底座擺臂的法蘭式拉壓雙向傳感器實時監(jiān)測相間間隔棒受力，并輸出受力曲線，如圖9所示（拉力為正，壓力為負(fù)）。由于相間間隔棒芯棒存在抗拉強(qiáng)度高而抗壓強(qiáng)度低的特性［12］，相間間隔棒在試驗機(jī)測試過程中可以壓縮到其長度的46%，但不能被拉伸1%，這使得機(jī)械臂在有相間間隔棒的束縛下擺動角度減小，減小角度如圖8中φ角所示。φ角代表相間間隔棒在兩端機(jī)械臂動作的束縛效果，表現(xiàn)為：φ角越大，相間間隔棒的束縛效果越好，但作用到相間間隔棒兩端金具的載荷隨著增大。

圖9 法蘭式拉壓傳感器輸出的拉力變化曲線

該相間間隔棒舞動承載特性模擬測試系統(tǒng)可以很好地模擬相間間隔棒在舞動過程中承受的動態(tài)載荷。但鑒于法蘭式雙向測力傳感器為沿法蘭軸向的單方向測力，仍需指出：在拉伸運動過程中，由于相間間隔棒的約束作用，機(jī)械臂無法實現(xiàn)設(shè)定的拉伸擺動角度，但傳感器能夠較為準(zhǔn)確地測量相間間隔棒所受的拉力；在壓縮運動過程中，隨著傳感器的軸向與相間間隔棒的軸向夾角逐漸增大，相間間隔棒彎曲越嚴(yán)重，其實際所受軸向壓力與傳感器測量值偏差越大，如圖10所示。

圖10 拉力傳感器在相間間隔棒不同彎曲程度下的測量情況

4 結(jié)語

為實現(xiàn)相間間隔棒舞動條件下機(jī)械承載特性的量化評估，在對舞動條件下導(dǎo)線運動軌跡及相間間隔棒舞動受力特征深入分析的基礎(chǔ)上，利用垂直雙臂聯(lián)動和雙端協(xié)調(diào)控制技術(shù)，研制開發(fā)了基于載荷等效的相間間隔棒舞動承載模擬測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)動作形式與實際導(dǎo)線舞動形態(tài)較為一致，能夠模擬導(dǎo)線舞動時相間間隔棒所受的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等載荷形式，實現(xiàn)水平、垂直、三角布置形式下相間間隔棒舞動承載特性測量。系統(tǒng)作為相間間隔棒舞動承載模擬測試技術(shù)研究的嘗試，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測試方法具有一定的借鑒意義。由于壓縮運動中相間間隔棒實際所受軸向壓力與傳感器測量值存在偏差，系統(tǒng)還需后期進(jìn)一步改進(jìn)。