基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载测试系统

赵书杰 ，杨晓辉 ，张希希 ，艾文君 ，王 超

（1．国网河南省电力公司电力科学研究院 输电线路舞动防治技术实验室，河南 郑州 450052；2.润电能源科学技术有限公司，河南 郑州 450052）

0 引言

舞动是在自然风载荷的激励下，输电导线所产生的一种低频率、大振幅的自激振动［1-2］。作为输电线路冬季安全运行的主要影响因素之一，舞动在引起线路电气跳闸的同时，还会造成线路金具受损、塔线结构破坏等难以直接修复的事故。

相间间隔棒作为一种有效的舞动抑制手段，被大规模引入、安装。相间间隔棒［3-4］是在相间或回路间用绝缘棒进行机械连接制约导线的舞动，其连接处将成为波节，使舞动成为多个半波的模式，从而减小振幅，防止相间短路发生。由于相间间隔棒在导线舞动过程中反复承受相间拉伸、压缩、扭转等载荷的作用，经常出现相间间隔棒连接金具疲劳损伤、子间隔棒撕裂等［5-7］情况。

当前针对相间间隔棒舞动条件下的机械承载特性与受力分布问题研究较少，且主要以数值建模分析为主。清华大学王黎明等［8-10］学者通过大挠度理论进行数值建模并分析计算，先后对500 kV、750 kV以及1 000 kV线路用相间间隔棒力学特性及其稳定后屈曲特性进行分析研究，得到不同电压等级线路上相间间隔棒芯棒直径的最佳取值，并给出不同应用条件下相间间隔棒的安装配置方案建议。由于相间间隔棒芯棒为各向异性有机材料，通过测试可以获取轴向弹性模量，但无法获取径向完全变形与受力承载特征参数，因此只能计算获得舞动状态下相间间隔棒轴向应力应变分布特征。由于无法准确获取相间间隔棒各个方向上的受力承载特征参数，一定程度上影响了数值建模，因此，相间间隔棒机械承载特性的诸多问题只能依赖于实际试验。但现行技术标准［11］关于相间间隔棒机械承载特性的测试，主要有挠度和屈曲测试，这些试验与现场舞动实际之间尚存在一定差距。

虽然真型舞动试验线路对相间间隔棒的舞动考核更为真实，但试验线路舞动具有随机性和分散性，不能对相间间隔棒的动态承载特性进行及时有效地检测。针对上述问题，在分析导线舞动特征及相间间隔棒舞动承载受力特点的基础上，研制开发了相间间隔棒舞动承载模拟测试系统，并通过与实际线路舞动的一致性分析，对测试系统的有效性进行了研究。

1 导线舞动特征及其模型分析

1.1 导线舞动特征

为了较为准确地获得导线舞动特征，采用单目视觉测量的方法获取舞动时导线运动轨迹及关键参数。单目视觉测量［12］是指仅利用1台数码相机或摄像机对导线舞动过程进行拍摄，通过视角中特征点位移的变化来进行测量分析。利用单目视觉分析方法对真型试验线路5～6号档舞动事件进行分析，选取线路间隔棒为单目视觉分析的特征点，如图1所示，由左及右依次是5号杆塔、1～6间隔棒、6号杆塔。

图1 舞动特征点设置

导线舞动的特征参数主要为舞动幅值、频率、阶次及运动轨迹。

舞动幅值是表征导线舞动能量的特征参数，通过对测量数据进行标定可获得特征点的实际位移量，表1为导线在各特征点处的最大舞动幅值（竖直方向峰峰值），最大舞动幅值为3.089 m。

考虑到5号和6号塔导线挂点处位移量基本为0，抽取某时刻各特征点竖直方向位移量，以特征点到5号塔水平距离l为横坐标、特征点竖直方向位移量为纵坐标，得到导线在该时刻的舞动形态曲线如图2所示。由图可知，此次舞动阶次为2阶，波节位于3与4特征点之间，约为整档线路1/2处，波峰或波谷约在整档线路1/4和3/4处。

基于特征点2的导线舞动数据，进行水平方向和竖直方向分解，可绘制特征点2在舞动时的二维运动断面图，如图3所示。

表1 舞动幅值（竖直方向峰峰值）

图2 导线某时刻的舞动形态曲线

对特征点2的竖直时程曲线进行分析，导线舞动频率为0.394 Hz。

通过上述分析，得到该次舞动事件导线运动轨迹及关键参数为：最大舞动幅值为3.089 m；舞动阶次为 2阶；舞动频率为 0.394 Hz；导线舞动轨迹为长轴方向偏离竖直方向一定度数的“类椭圆”。

图3 特征点2的二维运动断面

1.2 导线单点舞动模型

相间间隔棒安装在两相导线上，其两端固定在导线的间隔棒上，由于间隔棒受围绕其周围的分裂导线束缚，间隔棒的运动形态与导线舞动形态基本一致。基于上述线路舞动特征观测，导线舞动形态为长轴方向偏离竖直方向一定度数的类椭圆。在某时刻t，导线上任一点的运动方程可简化为

竖向位移：

水平位移：

近年来，随着社会经济的发展，行业主管部门及建设单位对水利工程施工质量提出了更高的要求，在水工隧洞衬砌施工中，大多采用钢模台车浇筑，由于施工里程长，质量影响因素多，在混凝土浇筑完成后，通常会出现一些常见的质量通病。现对常见的质量通病提出修补处理方案。

扭转角度：

式中：A为竖向舞动最大幅值，m；B为水平舞动最大幅值，m；N为舞动阶次；L为线路档距，m；x为该点到档距内首端的距离，m；f为舞动频率，Hz；θm为最大扭转角度，rad。

1.3 舞动条件下相间间隔棒的动态承载特性

线路中相间间隔棒的安装布置形式，是根据线路可能出现的舞动形态，将相间间隔棒安装在线路舞动的波峰或波谷位置［13-14］以实现最大程度地抑制舞动。在线路舞动过程中，分裂导线间隔棒与用于防舞动的相间间隔棒受力过程比较复杂。相间间隔棒舞动过程中所受到的动态载荷来源于两端间隔棒［15］，间隔棒在伴随导线整体运动时作类椭圆形轨迹摆动，相间间隔棒在线路舞动过程中的动态载荷包括：相间间隔棒两端间隔棒相对位移发生周期性改变，对相间间隔棒产生周期性的拉压载荷，频繁地使相间间隔棒发生拉伸和弯曲变形；间隔棒随导线整体扭转运动，对相间间隔棒产生轴向扭转力和间隔棒扭转运动切向方向上的弯折力。

2 相间间隔棒舞动承载模拟测试系统研制

相间间隔棒舞动承载模拟测试系统通过模拟输电线路舞动过程中两相导线的二维轨迹和相对位移变化，对输电线路用相间间隔棒在舞动过程中的动态承载特性进行测试。

2.1 系统设计

载荷等效，即测试系统测试过程中作用在待测相间间隔棒端部的载荷与实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的载荷等效。根据导线布置形式和设备机械承载要求，提出框架水平摆臂结构如图4所示。

图4 框架水平摆臂结构

框架水平摆臂结构通过2套水平对称的旋转摆臂机构摆动，模拟两相导线舞动过程中相对位移的变化。该框架水平摆臂结构虽然能够在一定程度上对相间间隔棒施加动态机械载荷，但存在以下不足：

1）不能模拟导线呈垂直或三角形布置方式下的摆动；

3）摆臂高度偏高，在安装试验样品和摘取时有一定难度，对试验操作带来不便。

为了能够同时模拟两相导线呈三角形布置方式的摆动，解决框架水平摆臂结构重心偏高、安全系数低、安装样品不便等问题，提出将其中一端的机械臂降低安装在底座上，另一端机械臂仍固定在机架上的“底座摆臂+机架摆臂”结构，如图5所示。框架摆臂机构安装在框架上，通过电机控制，可沿机架上下移动，设置有低位和高位2个固定位：框架机械臂处于低位时配合底座摆臂模拟水平布置方式下的导线摆动，处于高位时模拟V型布置方式下的导线摆动；底座摆臂机构安装在底座上，使整体结构重心下移，提高了结构的稳定性。同时，底座安装在导轨上，通过电机控制，可沿导轨做靠近或远离机架移动，调节底座摆臂机构和框架摆臂机构之间的距离，来满足不同长度的相间间隔棒试样试验。

图5 “底座摆臂+机架摆臂”结构

2.2 系统构成

在系统设计方案确定后，设计系统中各个零部件的机械图纸，并进行加工、组装，对电气控制和软件系统安装调试，研发出相间间隔棒舞动承载模拟测试系统，系统构成如图6所示。

相间间隔棒舞动承载模拟测试系统包括框架摆臂系统和底座摆臂系统，通过框架摆臂系统和底座摆臂系统的配合实现相间间隔棒舞动承载特性的模拟测试。框架摆臂系统包括机架、框架支架和框架摆臂；底座摆臂系统包括底座、底座支架和底座摆臂。框架摆臂（或底座摆臂）模拟相间间隔棒舞动时其一端间隔棒的运动；摆臂前端同轴设置有框架摆臂转轴，以模拟导线舞动时子间隔棒的轴向扭转，并通过扭矩力矩传感器实时采集测试过程中的扭转力矩；框架摆臂转轴的前端与连接金具之间设置有法兰式双向测力传感器，能够实时采集待测样品在测试过程中所受到的力。

结合输电导线舞动特征和相间间隔棒舞动承载试验机的运动特征，采用 “两端机械臂同时相向运动，或同时背向运动”的运动形式。

图6 相间间隔棒舞动承载模拟测试系统构成

3 一致性分析

将高清摄像机固定在底座导轨的一侧，调整位置使镜头视野能够覆盖两端机械臂，对两端机械臂的运动轨迹和相间间隔棒的运动姿态进行全程录像。在疲劳损伤特性测试试验条件下，相间间隔棒试样的运动轨迹如图7所示。试样芯棒选取直径为24 mm，结构高度为5.19 m的刚性一体式棒形悬式相间间隔棒。首先，两端机械臂处于“平行机架、推拉正中间、扭转至水平（清0）”的初始位置，如图 7（a）所示，相间间隔棒处于轻微拉伸状态，即机架端机械臂主要承受的是试样的重量；动作开始后，两端机械臂相向压缩运动，对相间间隔棒试样施加压力，使试样弯曲，如图7（b）所示；待试样弯曲到一定程度（取相间间隔棒的最小压缩距离），两端开始背向动作，如图7（c）所示；背向动作过程中，两端机械臂做背向拉伸运动，对试样施加拉力，使试样拉伸，如图7（d）所示；之后一直重复上述运动。

在没有相间间隔棒束缚的情况下，机械臂在液压系统的作用下进行摆动和推拉运动，机械臂端部的运动轨迹近似为一段椭圆圆弧，如图8所示，记弧长为L1，模拟出两相导线舞动时的椭圆运动形式。

图7 舞动试验机双端动作过程

图8 舞动试验机单端运动轨迹

在疲劳损伤特性测试模式下，两侧机械臂同步调相向动作时，相间间隔棒在拉伸、压缩运动中承受机械臂的拉压力，设置在底座摆臂的法兰式拉压双向传感器实时监测相间间隔棒受力，并输出受力曲线，如图9所示（拉力为正，压力为负）。由于相间间隔棒芯棒存在抗拉强度高而抗压强度低的特性［12］，相间间隔棒在试验机测试过程中可以压缩到其长度的46%，但不能被拉伸1%，这使得机械臂在有相间间隔棒的束缚下摆动角度减小，减小角度如图8中φ角所示。φ角代表相间间隔棒在两端机械臂动作的束缚效果，表现为：φ角越大，相间间隔棒的束缚效果越好，但作用到相间间隔棒两端金具的载荷随着增大。

图9 法兰式拉压传感器输出的拉力变化曲线

该相间间隔棒舞动承载特性模拟测试系统可以很好地模拟相间间隔棒在舞动过程中承受的动态载荷。但鉴于法兰式双向测力传感器为沿法兰轴向的单方向测力，仍需指出：在拉伸运动过程中，由于相间间隔棒的约束作用，机械臂无法实现设定的拉伸摆动角度，但传感器能够较为准确地测量相间间隔棒所受的拉力；在压缩运动过程中，随着传感器的轴向与相间间隔棒的轴向夹角逐渐增大，相间间隔棒弯曲越严重，其实际所受轴向压力与传感器测量值偏差越大，如图10所示。

图10 拉力传感器在相间间隔棒不同弯曲程度下的测量情况

4 结语

为实现相间间隔棒舞动条件下机械承载特性的量化评估，在对舞动条件下导线运动轨迹及相间间隔棒舞动受力特征深入分析的基础上，利用垂直双臂联动和双端协调控制技术，研制开发了基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟测试系统。该系统动作形式与实际导线舞动形态较为一致，能够模拟导线舞动时相间间隔棒所受的拉伸、压缩、扭转等载荷形式，实现水平、垂直、三角布置形式下相间间隔棒舞动承载特性测量。系统作为相间间隔棒舞动承载模拟测试技术研究的尝试，系统结构及测试方法具有一定的借鉴意义。由于压缩运动中相间间隔棒实际所受轴向压力与传感器测量值存在偏差，系统还需后期进一步改进。