架空地线防振锤配置分析软件设计

戴 鑫，金福铭，段 意，王璋奇

（1. 华北电力大学 能源动力与机械工程学院，河北 保定 071003；2. 内蒙古电力（集团）有限责任公司 包头供电局，内蒙古 包头 014030）

0 引言

架空输电线路是电力输送的重要设施。架空线长期处于野外，经常因受区域气候的影响而发生小振幅、高频率的微风振动。如果架空线的自阻尼不佳，则容易导致线路疲劳断股、金具损坏等严重故障，给电网的安全稳定运行带来极大威胁[1-3]。架空地线的疲劳断股是输电运行维护的重点对象之一。在地形平坦的草原地区，微风振动引起的地线疲劳断股现象严重[4]。由于地线具有多股结构，常规巡检不易发现其内部断股；内部断股效应长期的积累，会引发地线断裂。

国内外关于线路的微动疲劳研究大多集中在导线问题上。实际上，架空地线的张力大、弧垂小，其微动疲劳失效问题比导线问题的后果更为严重。地线的断股或断线事故[5]，会影响整条线路的正常运行；若地线断线掉落在导线上，后果更加严重。因此，对地线微动断股进行研究十分必要。

文献[6]对能量平衡法进行了改进，使能量平衡法可以考虑更多的影响因素以提高求解精度。文献[7]基于导线系统的小阻尼特性，得到了局部周期激励下长柔导线波动的格林函数解，分析了激励位置对架空导线波动特性的影响规律。文献[8]基于防振锤设计参数，建立了防振锤的数学分析模型，给出了“参数在合适的范围内，防振锤具有更好的防振效果”的结论。以上文献从理论研究的角度对输电线路微风振动进行了分析；但凭借理论分析进行防振设计过程复杂，计算量较大，且目前尚没有成熟的辅助设计系统能快速对架空地线的防振锤进行配置设计和结果校验。因此，有必要开发架空地线防振锤配置设计软件，实现地线防振锤系统微风振动的特征参数分析，以提高防振方案设计效率。

本文采用能量平衡法分析架空地线微风振动特征参数及线夹出口处的动弯应变，并根据架空地线防振锤配置的需求规划了架空地线防振锤配置分析软件的功能，设计了软件的工作流程。所研制的配置系统：具有相关工程参数的数据库管理功能，可直接从相关数据库中调用配置分析所需要的数据和资料；可以根据不同的工程参数，对每个档所需要的防振锤个数、安装位置等进行自动配置，并计算架空地线振动幅值及关键点动弯应变值；可以对配置方案的防振效果进行校验评估。

1 地线防振锤配置设计的理论基础

以能量平衡法为基础进行地线防振锤系统的分析计算。

能量平衡法的思想是，风输入地线的能量与地线防振锤系统消耗的能量相等。利用这一原理计算系统的平衡振幅，如式（1）所示。

式中：PW为风输入的能量；PC为地线自阻尼功耗；PD为防振方案耗能。

能量平衡法的关键在于确定风输入地线的功率、地线自身消耗的功率以及防振锤消耗的功率。

1.1 风能输入功率计算

国内外学者对风能的输入计算做了大量的研究工作。目前，应用较多的是 Diana&Falco提出的风载输入功率表达式[9]，如式（2）所示。

式中：a1—a5是通过拟合试验数据得到的系数；A0为地线波幅处的单振幅；D为地线直径。Diana&Falco导出的常数a1—a5的取值分别为-1.470 6，-521.16，-1 150.8，-1 380.3，-717.91，-134.75。

1.2 地线自阻尼功率计算

架空地线自阻尼功率是指地线在振动的过程中自身消耗的功率。架空地线自阻尼功率的大小与架空地线振动有直接关系。自阻尼功率越大，地线的防振效果越好。对于单根地线的自阻尼，多采用文献[10]提出的架空线自阻尼功率表达式：

式中：y为双振幅，y=2A0；kS为最大弯曲刚度折减系数，可取kS=0.5；kD为经验因数，地线可取0.65；VC为架空地线的波速，跟悬链线常数C有关，g为重力加速度；Eeq为等效弹性模量，可由式（4）近似计算：

式中：Ee，Ae分别为架空地线外层线股的弹性模量及截面积；Ec，Ac分别是架空地线核心线股的弹性模量及截面积；kE是校正系数，钢绞线取0.70。

1.3 防振锤消耗功率计算

防振锤通过线夹连接在地线上。当地线发生微风振动时，地线振动的机械能一部分转化为锤头振动的机械能，一部分转化为钢绞线线股之间的摩擦热能，从而抑制了架空地线的振动，达到防振的作用。

文献[11]采用波的形式推导了防振锤的消耗功率：利用“防振锤消耗的波能量等于入射至防振锤的波能量与反射波的能量之差”这一原理，得到了防振锤消耗功率的振幅表达式：

式中：EI为架空地线的抗弯刚度：T为架空地线的张力；m为架空地线单位长度质量；A为地线波幅处的单振幅；ω为振动频率；cij(i=1,2;j=1,2)为防振锤的机械阻抗。

2 配置分析软件的设计

2.1 配置分析软件的功能

架空地线防振锤配置软件涉及多种类型架空地线及防振锤的参数数据、防振锤配置设计、振动计算理论运用、图形显示及评估报告输出，是多学科知识交叉综合运用的复杂系统。

本软件以架空线路微风振动的能量平衡法为理论依据，分析架空地线微风振动的特征参数以及线夹出口处的动弯应变。本软件采用PyQt语言编程实现。软件功能逻辑关系如图1所示。

图1 软件功能逻辑关系图Fig. 1 Software function logic diagram

第一层为人机交互层，主要实现人机对话功能，以及与逻辑层的数据交换。第二层为业务逻辑层，实现与交互层和拓展层的数据调用和数据传递。第三层为业务拓展层，实现数据库操作、数据计算、方案设计等功能。

在数据库操作环节中，可实现地线参数、防振锤参数及方案数据库的管理，配置设计及评估分析时的数据调用、传递以及数据的操作功能。

防振锤配置设计环节中，系统根据用户输入的线路参数，自动为用户设计出地线微风振动防振锤配置方案，给出安装防振锤型号、数量及位置，并将配置方案保存到方案数据库中，以方便在方案评估环节分析中直接调用。

方案评估分析环节中，系统利用方案包含的各项参数，结合能量平衡法，对选定方案进行评估：给出地线最大振幅、动弯应变及幅值风速等计算结果；分析选定方案对地线微风振动的抑制效果。

2.2 软件的工作流程设计

架空地线防振锤配置分析软件工作流程如图 2所示。首先，通过人机交互界面输入架空地线的型号及档距等工程参数；系统通过调用数据库中的参数计算未安装防振锤时地线振动的频率、幅值及动弯应变等参数。随后，软件根据输入的工程参数，依据规范对安装防振锤的型号、个数及安装位置等进行初步设计，并调用相关参数对配置后的地线防振锤系统进行结果校核，确定地线系统的动弯应变是否符合要求。若参数符合要求，则保存结果，导出校核报告；若不符合要求，则重新调整配置方案，直至满足要求。此外，为满足用户的多样化需求与操作，系统允许用户自行将设计方案添加到方案设计库中，并可直接调用方案进行地线防振锤配置结果的计算与校验。

图2 软件流程图Fig. 2 Software flow chart

2.3 配置分析软件的功能实现

（1）数据管理功能的实现

在架空地线防振锤配置分析软件中，工程数据与资料数据库的功能是数据存储与调用。软件主要采用Python语言调用sqlite库实现数据库的建立；通过对数据的读取与操作，实现不同功能模块之间的配合。该功能实现流程如图3所示。

图3 数据管理流程图Fig. 3 Flow chart of data management

（2）防振锤配置功能的实现

以图4所示配置功能实现的流程图为基础，进行防振锤配置功能的程序编制，实现架空地线防振锤的自动配置设计，为用户推荐地线防振锤的配置方案。

图4 配置功能流程图Fig. 4 Flow chart of configuration function

（3）评估分析功能的实现

采用能量平衡法对方案进行评估分析，计算出重要参数，评估方案对地线微风振动的抑制效果，功能实现流程如图5所示。

图5 评估功能流程图Fig. 5 Flow chart of evaluation function

3 防振锤配置软件的工程应用

系统运行的主窗口局部如图6所示。本文以GJ-50型地线、400 m档距的某高压架空地线为例，进行工程应用分析。

图6 软件主窗口界面（局部）Fig. 6 Main window (part)

由图6可知，配置防振锤后，相同风速作用下地线振动幅值显著降低，明显小于配置前地线振动幅值，配置防振锤对地线微风振动有较好的抑制效果。配置防振锤后地线最大振幅由13.03 mm减至2.45 mm。动弯应变允许值一般为150με，配置防振锤后，地线动弯应由211.13με减小为91.27με，达到允许值要求，这表明：系统设计出的方案满足工程要求。

4 结论

采用PyQt开发语言，设计了架空地线防振锤配置分析软件。该软件具有良好的图形用户交互界面，实现了工程参数数据库的动态更新与管理功能，可以根据不同的工程参数对架空地线的防振锤配置进行快速自主设计，减轻了工程设计人员的工作量，提高了防振方案的设计效率。