架空輸電線路大跨越檔導線分段防振方案試驗研究

眭佳賓，趙 露

（株洲電力勘測設計科研有限責任公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

大跨越工程是一項特殊的工程，類似于鐵路工程中的橋梁和涵洞工程，所以其重要性非常明顯。因為它跨越河流、湖泊、水庫及山谷，導線掛點高、所處地形開闊，極易形成微風振動，其振動水平也較常規(guī)檔距更為嚴重。長期的微風振動可能導致絞線斷裂，嚴重威脅輸電線路的安全[1]。同時，由于項目施工期間要封江斷航，可能對運輸和航運產(chǎn)生很大影響，需要多個管理部門的協(xié)調。為減少大跨越施工對各方面的影響，確保導線的安全運行，導線的防振工作應非常慎重[2]。

以220 kV 輸電線路中跨越湘江項目為例，該項目擬采用的導線為鋼芯高強度鋁合金絞線JLHA1/G3A-640/290，鋁鋼比為0.449，導線的平均運行應力高達24%的極限抗拉強度，而目前我國常用的大跨越導線的鋁鋼比一般小于0.3，平均運行應力約為20%，大大提高了湘江大跨越導線防振的難度。同時，導線微風振動是一個非線性動力學問，通過理論計算很難得到準確的計算結果，需要將理論計算和模擬試驗相結合，才能得到可靠的減振措施[3]。研究針對跨越湘江所用的JLHA1/G3A-640/290 型導線進行了防振試驗設計，提出了一種新的防振形式，并經(jīng)過試驗驗證了其有效性。

1 工程信息

工程跨越湘江段采用的方式為耐-直-直-耐，導線采用單根JLHA1/G3A-640/290 型鋼芯高強度鋁合金絞線，具體信息如表1 所示。

表1 導線參數(shù)表

2 試 驗

2.1 試驗系統(tǒng)

在實驗室利用模擬試驗檔對導線進行了微風振動試驗，試驗系統(tǒng)如圖1 所示。導線的一端與力傳感器連接，另一端由液壓加載裝置（圖1 中的張拉端）拉動，模擬導線張力工況。導線張拉到預定值后，使用振動臺在導線加載裝置端部對其施加正弦激振力模擬導線微風振動[4]。

圖1 試驗裝置示意

2.2 傳感器布置

加速度傳感器用于測量振動臺附近導線第一自由半波的波腹振幅，使用應變片測量中的夾具出口處導線的動態(tài)彎曲應變。應變片粘貼在導線上方最外層的2 根線股上。

2.3 試驗操作

導線的振動頻率由閉環(huán)控制系統(tǒng)控制，輸入導線的功率Pt通過測量激振力F和速度V來控制，可描述為

式中：φ為F和V之間的相位角[5]。

試驗的具體操作步驟如下：一是以15 Hz 的振動頻率激振架設好的導線，利用振動臺向導線輸入5個不同的能量（按從小到大的順序，如2 W、4 W、8 W、16 W 和32 W 等），使導線產(chǎn)生不同強度的振動；二是記錄不同振動強度下導線的振幅和各個線夾夾固點的應變；三是改變導線振動頻率并重復前2 步，頻率變化步長約為5 Hz，直至頻率為65 Hz 左右；四是整理功率、振幅以及應變數(shù)據(jù)，待下一步使用。

3 試驗分析方法和試驗結果

通常使用導線各線夾夾固點的最大動彎應變隨頻率的變化規(guī)律來表示導線的頻率響應特性，包括不加任何防振裝置的導線自阻尼特性和加裝防振裝置的導線系統(tǒng)特性。導線的頻率響應特性可通過能量平衡法（見圖2）計算得到[6]。圖2 中，Pw是風能，mW/m；Pc是導線自身阻尼消耗的能量，mW/m；Pd是導線上阻尼裝置消耗的能量，mW/m；Y是波腹振幅，m；D是導線直徑，m。在測試過程中，當Pt完全被導線自身消耗時，導線系統(tǒng)的頻率響應特性即為導線自阻尼特性。當導線上安裝有阻尼裝置時，即Pt=Pc+Pd，導線系統(tǒng)的頻率響應結果則可以用來評價導線系統(tǒng)的防振性能。

圖2 能量平衡法示意

3.1 導線自阻尼特性

導線的自阻尼功率表示為

式中：系數(shù)a、β為f的函數(shù)；f為導線振動頻率，Hz。式（2）兩邊取對數(shù)，可得

式中：logPc是log(Y/D)的線性函數(shù)；a為斜率；β為截距。利用最小二乘法和試驗中測得的振幅數(shù)據(jù)，可以計算出每個頻率下的相應系數(shù)a和β[7]。本工程中導線的系數(shù)a和β可描述為

由風能曲線和自阻尼功率曲線的交點可以計算得到能量平衡點的振幅，即“平衡點振幅”。導線自阻尼特性可以通過平衡點振幅和試驗中測得的各夾固點最大動彎應變及振幅數(shù)據(jù)，利用回歸計算方法擬合得到。

導線微風振動易發(fā)的風速范圍為0.5 ～10 m/s。微風振動頻率和風速的關系為

式中：f為風對導線的激振頻率，Hz；K為斯托羅哈常數(shù)，通常取0.185 ～0.200；v為風速，m/s；d為導線直徑，m[8]。

導線自阻尼特性一般遵循的規(guī)律是隨著振動頻率的增加，導線最大動彎應變先增大然后再減小，一般發(fā)生范圍為20 ～35 Hz。JLHA1/G3A-640/290 型導線的自阻尼特性如圖3 所示，根據(jù)式（6）計算，得到該導線微風振動易發(fā)頻率范圍為3 ～55 Hz，但當該導線頻率為65 Hz 時，最大動態(tài)彎曲應變仍接近200 με，比標準值100 με 高出約100%，顯然該導線需要防振的頻帶較寬。

圖3 JLHA1/G3A-640/290 型導線自阻尼頻率響應

3.2 導線系統(tǒng)特性

根據(jù)導線的自阻尼特性計算結果，防振錘型號選定為FR-14NL 和FR-8NL。根據(jù)相關試驗經(jīng)驗，Bate 阻尼線型號選定為JL/G1A-720/50。根據(jù)微風振動頻率的上限（65 Hz）和下限（15 Hz），初始防振裝置的設計如圖4 所示。

圖4 初始聯(lián)合防振裝置

導線系統(tǒng)特性的計算方法與自阻尼特性的計算方法相似。在計算導線自阻尼特性時，測試功率Pt由導線自身消耗，即

導線系統(tǒng)消耗的功率則為

用上述方法可以得到導線系統(tǒng)特性。

傳統(tǒng)防振設計中，通常在某檔導線兩端各安裝一套聯(lián)合防振（即Bate 阻尼線+防振錘）裝置。然而，由于湘江大跨越工程中使用的導線鋼比較大，且為單導線，因此防振試驗的難度大大增加，安裝初始防振裝置的導線頻率響應如圖5 所示，與標準要求還有很大差距。

圖5 安裝初始防振裝置的導線系統(tǒng)頻率響應

為解決上述問題，將該2 000 m檔距平均分為2段，將2 段作為獨立的檔距進行防振方案的設計。根據(jù)圖5 中的頻率響應測試結果，改變對應于導線20 ～55 Hz 頻段的阻尼線的長度或直徑，通過試驗及其結果對防振裝置逐步進行優(yōu)化，最終得出防振裝置如圖6 所示。與以往不同，該工程在2 000 m 檔距中使用了4 套聯(lián)合防振裝置。該檔導線系統(tǒng)特性如圖7 所示，滿足了標準要求。

圖6 聯(lián)合防振裝置

圖7 安裝最終防振方案的導線系統(tǒng)頻率響應

4 結 論

湘江大跨越工程導線采用JLHA1/G3A-640/290型鋼芯鋁合金絞線，由于這種導線的鋼比大，額定拉斷力高，傳統(tǒng)的方法已不能滿足標準要求。研究介紹了220 kV 輸電線路中跨越湘江項目導線防振試驗工作流程，提出了將跨越檔等分為2 段，并單獨進行防振的方法，取得了良好的試驗效果，為工程實踐提供了參考。