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摘要：針對(duì)現(xiàn)用架空線防舞動(dòng)設(shè)備效果不理想的問(wèn)題，分析微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)了間隔棒與舞動(dòng)耗能裝置相結(jié)合的組合式防舞器。通過(guò)FLUENT仿真軟件和正交試驗(yàn)確定防舞器的主要參數(shù)，并利用傳感器和GPRS無(wú)線傳輸模塊對(duì)架空線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。仿真和試驗(yàn)證明該組合式防舞器對(duì)架空線舞動(dòng)能起到有效的抑制作用。
關(guān)鍵詞：架空線；防舞動(dòng)；組合式防舞器；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程傳輸
引言
近年來(lái)，我國(guó)輸電網(wǎng)的發(fā)展極為迅速，尤其是西部地區(qū)的架空輸電線路長(zhǎng)度大幅增加。由于西北地區(qū)海拔高，架空線上很容易形成覆冰，覆冰后的架空線在風(fēng)作用下極易產(chǎn)生振動(dòng)和舞動(dòng)。微風(fēng)振動(dòng)是在垂直風(fēng)向振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致架空線疲勞斷股、絕緣子和金屬零件損壞等。架空線的舞動(dòng)會(huì)導(dǎo)致線路跳閘、停電、斷線倒塔等嚴(yán)重事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。隨著科技的進(jìn)步，架空線的振動(dòng)和舞動(dòng)研究已經(jīng)有了很大的進(jìn)展，但仍存在防舞動(dòng)效果不理想，架空線的舞動(dòng)監(jiān)測(cè)不到位等問(wèn)題。本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合架空線微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)產(chǎn)生的原因，將間隔棒與防舞器進(jìn)行整合，利用液力緩沖和電渦流消耗等對(duì)防舞器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了組合式防舞器，以有效消除架空線微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)，并在組合式防舞器上加裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)架空線的振動(dòng)和舞動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
1微風(fēng)振動(dòng)和舞動(dòng)產(chǎn)生的原因
1.1微風(fēng)振動(dòng)產(chǎn)生的原因
微風(fēng)振動(dòng)是架空線在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的微風(fēng)（風(fēng)速0.5~10m/s）作用下產(chǎn)生的垂直方向高頻低幅的振動(dòng)，振動(dòng)頻率通常為5~120Hz；振幅較小，一般在架空線直徑的3倍以下。如圖1所示，當(dāng)穩(wěn)定氣流流過(guò)圓柱體（電纜）時(shí)，在圓柱背面會(huì)產(chǎn)生漩渦，架空線上下會(huì)產(chǎn)生壓降，使架空線有向上或向下的壓力，形成卡門渦街效應(yīng)，漩渦計(jì)算見(jiàn)公式（1）：一般情況的微風(fēng)是不會(huì)引起架空線振動(dòng)的，只有當(dāng)架空線的固有頻率與卡門漩渦的頻率相同時(shí)，產(chǎn)生共振，才會(huì)出現(xiàn)微風(fēng)振動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速增大到一定速度后，架空線不會(huì)隨著風(fēng)速的增大而增大。
1.2舞動(dòng)產(chǎn)生的原因
架空線舞動(dòng)是一種高幅低頻的振動(dòng)，屬于振動(dòng)的一種特殊情況，當(dāng)架空線的舞動(dòng)頻率與架空線本身的固有頻率存在諧振效應(yīng)時(shí)，架空線的舞動(dòng)振幅將會(huì)很大。一般架空線的舞動(dòng)是由于在架空線上形成一層斷面帶翼型的筒狀覆冰導(dǎo)致的。當(dāng)風(fēng)垂直作用于架空線時(shí)，風(fēng)對(duì)架空線的力可分為水平方向和垂直方向，由于翼型覆冰的存在，對(duì)架空線產(chǎn)生向下的力，架空線會(huì)向下運(yùn)動(dòng)；當(dāng)架空線的張力達(dá)到最大并通過(guò)平衡點(diǎn)后，在架空線張力的作用下，架空線會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)后，在重力的作用下，架空線下落。這樣架空線就形成了彈簧效應(yīng)，在風(fēng)的水平作用力下形成舞動(dòng)。
2組合式防舞器結(jié)構(gòu)與工作原理
2.1整體結(jié)構(gòu)
組合式防舞器主要包括間隔棒、耗能裝置和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置。間隔棒與現(xiàn)有間隔棒相似，耗能裝置主要通過(guò)滾動(dòng)流體力學(xué)、電渦流和液力緩速進(jìn)行耗能。組合式防舞器結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖3為耗能裝置結(jié)構(gòu)圖，包括殼體、儲(chǔ)油室、帶有石墨尼龍保護(hù)殼的稀土永磁體、密封圈、散熱油管和比例調(diào)節(jié)閥。
2.2耗能裝置工作原理
耗能裝置功能主要包括滾動(dòng)流體力學(xué)吸能、電渦流耗能和液力緩速耗能。
2.2.1滾動(dòng)流體力學(xué)吸能滾動(dòng)流體力學(xué)吸能是通過(guò)稀土永磁體在慣性作用下與儲(chǔ)油室中的液體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于稀土永磁體對(duì)液體進(jìn)行做功，達(dá)到耗能的目的。
2.2.2電渦流耗能電渦流耗能是利用渦流制動(dòng)原理，即電磁感應(yīng)制動(dòng)原理進(jìn)行耗能（圖4），即在水平面上固定1塊鋁板，當(dāng)一豎直方向的條形磁鐵在鋁板上方幾毫米高度處水平經(jīng)過(guò)時(shí)，鋁板內(nèi)感應(yīng)出的渦流會(huì)對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用。為了增加耗能效果，將單個(gè)磁鐵換成若干個(gè)并在一起的永磁鐵組，如圖5所示，2個(gè)相鄰磁鐵的磁極相反，以有效增加耗能效果。
2.2.3液力緩速耗能液力緩速耗能是利用液力阻尼產(chǎn)生耗能。工作時(shí)，利用比例調(diào)節(jié)閥控制儲(chǔ)油室內(nèi)的壓力，在稀土永磁的擠壓作用下，儲(chǔ)油室的壓力增加，當(dāng)壓力達(dá)到規(guī)定值時(shí)，介質(zhì)會(huì)通過(guò)細(xì)小的散熱管進(jìn)行散熱，達(dá)到耗能的目的。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)架空線在垂直方向抖動(dòng)時(shí)，組合式防舞器連接線夾中的阻尼墊圈被壓縮，吸收架空線的能量，同時(shí)，每個(gè)檔距中有多個(gè)組合式防舞器對(duì)架空線的振動(dòng)進(jìn)行吸能除振。當(dāng)架空線振動(dòng)幅度增大發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，耗能裝置開(kāi)始工作，主要通過(guò)稀土永磁的慣性，使之與殼體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到耗能的目的。
2.3實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置
架空線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置主要包括傳感器和信號(hào)傳輸模塊。監(jiān)測(cè)架空線舞動(dòng)的傳感器主要有加速度傳感器和水平傳感器，通過(guò)對(duì)2個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可以得到架空線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
2.3.1主要架構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置以GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊（圖6）為主體，結(jié)合傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，并應(yīng)用無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的功能。
2.3.2應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置采用LABVIEW編寫服務(wù)器及遠(yuǎn)程客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)軟件及客戶端數(shù)據(jù)處理軟件，采用UDP訪問(wèn)模式，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程客戶端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。客戶端軟件部分同時(shí)具有“互聯(lián)網(wǎng)通信”和“局域網(wǎng)通信”模式，可在不同的應(yīng)用環(huán)境中運(yùn)行；并可實(shí)時(shí)顯示采集的傳感器信號(hào)，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)等。
3模擬應(yīng)用試驗(yàn)
在實(shí)際環(huán)境中，組合式防舞器軌跡近似橢圓軌跡。為了模擬架空線舞動(dòng)效果，進(jìn)行了FLUENT仿真分析并設(shè)計(jì)了機(jī)械結(jié)構(gòu)。該機(jī)械結(jié)構(gòu)由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)支架、變頻器以及導(dǎo)線傳動(dòng)裝置組成。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及試驗(yàn)導(dǎo)線舞動(dòng)的頻率。根據(jù)仿真分析計(jì)算，確定試驗(yàn)用防舞器主要參數(shù)如表1所示。按照正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，在不同儲(chǔ)油室容積比例下，選取稀土永磁質(zhì)量、比例閥開(kāi)啟量為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取3個(gè)等級(jí)，每組試驗(yàn)時(shí)間為30s；試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)較大，從測(cè)試數(shù)據(jù)看，在電動(dòng)機(jī)靜止的情況下，仍然有舞動(dòng)幅值，且隨著風(fēng)速的改變幅值大小也隨之改變，幅值變化在2.0~8.0cm。選取水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的最大位移為測(cè)量值，并取平均值作為正交試驗(yàn)輸出指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。
作者：陳杰 張藝 單位：烏海超高壓供電局