特高压直流工程用大截面导线的阻尼特性

2019-03-05芮晓明姬昆鹏

噪声与振动控制 2019年1期

齐翼，芮晓明，尹泉，张昭，姬昆鹏

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）

大截面导线是以多根镀锌钢芯或铝合金线为芯，外部同心螺旋绞多层硬铝线，导体标称截面不小于800 mm2的导线。国外大截面导线的应用主要集中在日本、美国等国家。美国于20世纪60年代在太平洋联络线应用了2×1 170 mm2导线。日本采用大截面导线最多，500 kV导线的截面已达4×1 520 mm2、6×810 mm2，1 000 kV采用8×810 mm2、8×960 mm2导线。近年来，巴西也开始在大容量的直流输电线路上研制和应用1 170 mm2以上大截面导线[1]。我国自2008年起开展大截面导线及配套金具、施工工艺、施工机具等技术的研究工作，先后完成了4层结构900、1 000、1 250 mm2大截面导线的研制及工程应用工作，并先后在特高压直流工程中得到应用：锦屏-苏南工程采用6×900 mm2导线；哈密南-郑州工程采用6×1 000 mm2导线；灵州-绍兴、酒泉-湖南工程采用6×1 250 mm2导线；锡盟-泰州、晋北-江苏、上海庙-山东等工程采用8×1 250 mm2导线。

架空导线在风力作用下容易诱发微风振动，长期的微风振动容易导致导线疲劳断股及金具损伤[2]。大截面导线的应用满足了大容量、远距离、低损耗输电技术的要求，但由于其档距大、挂点高、迎风面大等特点，在运行过程中需要更加注重微风振动等方面的问题。风输给导线的能量需要由导线自身吸收，因此，掌握导线自身吸收振动能量的特性——导线自阻尼特性是导线系统防振设计的重要环节[3]。本文以1 250 mm2系列大截面导线为研究对象，通过试验研究，给出了各型导线的自阻尼表达式。对于全面掌握大截面导线性能、支撑导线防振设计以及指导大截面导线的运行与维护都具有重要意义。

1 导线自阻尼机理及表达式

1.1 自阻尼机理

导线的自阻尼特性反映的是导线在不同振动状态下（不同振动频率、振动幅度）消耗振动能量的能力，它是一种结构或一种材料的固有特性，主要由三方面构成：

（1）线股材料的迟滞阻尼，即每根线股内部的能量损耗；

（2）线股之间发生滑移时，各线股接触面处的摩擦作用所引起的能量损耗；

（3）导线运动时与空气之间的粘滞摩擦所引起的能量损耗。

其中，第二方面是导线自阻尼作用的主要部分。导线自阻尼受导线材料、导线结构、导线张力等因素的影响。

1.2 自阻尼表达式

可以将导线自阻尼表示成式（1）的形式

式中：系数α、β为与f相关的表达式；f为导线振动频率/Hz；D为导线外径/mm；Y为导线波腹双振幅/mm。

由于α、β十分复杂，国际上尚无理论计算方法可以对其进行求解，因此必须通过试验测定。

2 导线自阻尼试验

2.1 试验方法

导线自阻尼试验采用功率法[4]。试验要求在导线谐振条件下进行，因自阻尼很小，系统不易稳定，所以试验中必须严格控制系统的谐振条件，并保持稳定振动。

依据试验要求，建立了导线自阻尼试验系统。该系统主要由导线张拉及固定装置、导线激振装置、数据采集系统、数据处理分析系统等部分组成。自阻尼试验档布置如图1所示。

图1 导线自阻尼试验档布置示意图

将导地线按要求的张力架设在试验档上，在试验档的一端利用激振器激振导线，模拟不同频率的微风振动，用传感器测量激振力、激振速度、导线波腹振幅以及线夹出口处的动弯应变等参量，最终通过数据处理分析软件对采集的数据进行处理，给出导线自阻尼解析表达式[5-7]。

2.2 数据处理方法

试验过程中通过改变谐振频率，并在每个谐振频率下测量导线振幅及对应的功率，均可得到一组自阻尼试验数据。自阻尼试验数据的处理采用回归计算的方法。

对自阻尼表达式（1）两边取对数，有

利用最小二乘法对试验数据进行拟合，在双对数坐标下可以绘制出各频率下的自阻尼特性曲线，该曲线是一组以α为斜率，β为截距的直线。如图2所示。

图2 1250/70导线（圆线）自阻尼功率特性曲线

其中，对于不同谐振频率，直线的斜率和截距均不相同，故α和β均可表示为谐振频率f的函数。那么，在特定频率下，对于曲线上的2个点(Y1/D，P1)和(Y2/D，P2)，可以将曲线斜率α表示为

求得不同频率下的α后，可将其拟合成关于振动频率f的曲线。

求得α后，将其代入式（2），可求解各频率下的β值，并将其拟合为关于振动频率f的曲线。

为更精确地表达α和β的值，可根据实测的数据规律将其拟合为一次或二次表达式。

3 1 250 mm2系列导线自阻尼试验结果

3.1 试验样品

1 250 mm2系列大截面导线包含5个具体型号，包括圆线及型线2种类型，自阻尼试验针对每种型号的一件样品进行。具体试件型号如表1所示。

表1 五种1 250 mm2系列导线型号

3.2 1 250 mm2系列导线自阻尼表达式

经过对试验数据的处理，得出1 250 mm2系列导线的自阻尼特性表达式。表达式形式如公式（1），其中的系数α、β为与f相关的表达式，如表2所示。

3.3 1 250 mm2圆线自阻尼特性对比分析

1 250 mm2系列大截面导线中包含2种圆线、3种型线，2种圆线分别为JL1/G3A-1 250/70-76/7和JL1/G2A-1 250/100-84/19。为比较2种圆线自阻尼特性的差别，将两者自阻尼频响特性绘于同一坐标系下，如图3所示。

从2种圆线自阻尼试验结果的对比来看：

（1）2种导线在25 Hz及以上的振动频率下，悬垂线夹出口处导线的动弯应变水平相当，即振动强度相当，说明在该振动频率范围内，2种导线的阻尼特性相当。

（2）2种导线在25 Hz以下的振动频率下，1 250/100导线的在悬垂线夹出口处的动弯应变水平较1 250/70导线总体来说较低，尤其是在15 Hz左右，1 250/100导线的动弯应变明显低于1 250/70导线，说明1 250/100导线在低频下的组尼特性优于1 250/70导线。

图3 无防振方案时1 250/70与1 250/100圆线频响特性比较曲线

（3）总体而言，单线股数较多的1 250/100导线的阻尼性能优于单线股数较少的1 250/70导线。

3.4 1 250 mm2型线自阻尼特性对比分析

1 250 mm2系列大截面导线中3种型线分别为JL1X1/G3A-1 250/70-431、JL1X1/G2A-1 250/100-437和JL1X1/LHA1-800/550-452。同样，为比较3种型线自阻尼特性的差别，将三者频响特性绘于同一坐标系下，如图4所示。

图4 无防振方案时1 250/70、1 250/100及800/550型线频响特性比较曲线

从3种型线自阻尼试验结果的对比来看：

（1）从悬垂线夹出口处导线的动弯应变水平来看，3种型线自阻尼特性的排列顺序为：1 250/100＞1 250/70＞800/550，“＞”表示“优于”。

表2 5种1 250 mm2系列导线自阻尼系数表达式

（2）被试验的1 250/100型线的阻尼特性非常好，所有振动频率下的导线应变水平均在许用应变以下，即使不安装防振装置也能保证导线的安全运行。

（3）1 250/70及800/550两种型线的阻尼特性也较好，仅在低频情况下略高于许用应变，方振设计时应重点考虑低频振动的防护。

3.5 圆线与型线自阻尼特性的对比分析

圆线与型线在自阻尼特性上存在一定的差异，为比较五种1 250 mm2大截面导线自阻尼特性，将五种导线的频响特性绘于同一坐标系下，如图5所示。

从悬垂线夹出口处导线的动弯应变水平来看，五种导线自阻尼特性的排列顺序为：1 250/100（型线）＞1 250/70（型线）＞800/550（型线）＞1 250/100（圆线）＞1 250/70（圆线），“＞”表示“优于”。总体而言，型线自阻尼特性优于圆线自阻尼特性。另外，综合考察五种导线，除1250/100（型线）在全部振动频率范围内均满足许用应变的要求外，其他四种导线仅在低频振动时超出许用应变的范围，而对于30 Hz以上的频率均满足许用应变的要求，因此，1 250 mm2大截面导线微风振动的重点防护频率范围为30 Hz以下。