架空输电线路大跨越档导线分段防振方案试验研究

眭佳宾，赵 露

（株洲电力勘测设计科研有限责任公司，湖南 株洲 412000）

0 引 言

大跨越工程是一项特殊的工程，类似于铁路工程中的桥梁和涵洞工程，所以其重要性非常明显。因为它跨越河流、湖泊、水库及山谷，导线挂点高、所处地形开阔，极易形成微风振动，其振动水平也较常规档距更为严重。长期的微风振动可能导致绞线断裂，严重威胁输电线路的安全[1]。同时，由于项目施工期间要封江断航，可能对运输和航运产生很大影响，需要多个管理部门的协调。为减少大跨越施工对各方面的影响，确保导线的安全运行，导线的防振工作应非常慎重[2]。

以220 kV 输电线路中跨越湘江项目为例，该项目拟采用的导线为钢芯高强度铝合金绞线JLHA1/G3A-640/290，铝钢比为0.449，导线的平均运行应力高达24%的极限抗拉强度，而目前我国常用的大跨越导线的铝钢比一般小于0.3，平均运行应力约为20%，大大提高了湘江大跨越导线防振的难度。同时，导线微风振动是一个非线性动力学问，通过理论计算很难得到准确的计算结果，需要将理论计算和模拟试验相结合，才能得到可靠的减振措施[3]。研究针对跨越湘江所用的JLHA1/G3A-640/290 型导线进行了防振试验设计，提出了一种新的防振形式，并经过试验验证了其有效性。

1 工程信息

工程跨越湘江段采用的方式为耐-直-直-耐，导线采用单根JLHA1/G3A-640/290 型钢芯高强度铝合金绞线，具体信息如表1 所示。

表1 导线参数表

2 试 验

2.1 试验系统

在实验室利用模拟试验档对导线进行了微风振动试验，试验系统如图1 所示。导线的一端与力传感器连接，另一端由液压加载装置（图1 中的张拉端）拉动，模拟导线张力工况。导线张拉到预定值后，使用振动台在导线加载装置端部对其施加正弦激振力模拟导线微风振动[4]。

图1 试验装置示意

2.2 传感器布置

加速度传感器用于测量振动台附近导线第一自由半波的波腹振幅，使用应变片测量中的夹具出口处导线的动态弯曲应变。应变片粘贴在导线上方最外层的2 根线股上。

2.3 试验操作

导线的振动频率由闭环控制系统控制，输入导线的功率Pt通过测量激振力F和速度V来控制，可描述为

式中：φ为F和V之间的相位角[5]。

试验的具体操作步骤如下：一是以15 Hz 的振动频率激振架设好的导线，利用振动台向导线输入5个不同的能量（按从小到大的顺序，如2 W、4 W、8 W、16 W 和32 W 等），使导线产生不同强度的振动；二是记录不同振动强度下导线的振幅和各个线夹夹固点的应变；三是改变导线振动频率并重复前2 步，频率变化步长约为5 Hz，直至频率为65 Hz 左右；四是整理功率、振幅以及应变数据，待下一步使用。

3 试验分析方法和试验结果

通常使用导线各线夹夹固点的最大动弯应变随频率的变化规律来表示导线的频率响应特性，包括不加任何防振装置的导线自阻尼特性和加装防振装置的导线系统特性。导线的频率响应特性可通过能量平衡法（见图2）计算得到[6]。图2 中，Pw是风能，mW/m；Pc是导线自身阻尼消耗的能量，mW/m；Pd是导线上阻尼装置消耗的能量，mW/m；Y是波腹振幅，m；D是导线直径，m。在测试过程中，当Pt完全被导线自身消耗时，导线系统的频率响应特性即为导线自阻尼特性。当导线上安装有阻尼装置时，即Pt=Pc+Pd，导线系统的频率响应结果则可以用来评价导线系统的防振性能。

图2 能量平衡法示意

3.1 导线自阻尼特性

导线的自阻尼功率表示为

式中：系数a、β为f的函数；f为导线振动频率，Hz。式（2）两边取对数，可得

式中：logPc是log(Y/D)的线性函数；a为斜率；β为截距。利用最小二乘法和试验中测得的振幅数据，可以计算出每个频率下的相应系数a和β[7]。本工程中导线的系数a和β可描述为

由风能曲线和自阻尼功率曲线的交点可以计算得到能量平衡点的振幅，即“平衡点振幅”。导线自阻尼特性可以通过平衡点振幅和试验中测得的各夹固点最大动弯应变及振幅数据，利用回归计算方法拟合得到。

导线微风振动易发的风速范围为0.5 ～10 m/s。微风振动频率和风速的关系为

式中：f为风对导线的激振频率，Hz；K为斯托罗哈常数，通常取0.185 ～0.200；v为风速，m/s；d为导线直径，m[8]。

导线自阻尼特性一般遵循的规律是随着振动频率的增加，导线最大动弯应变先增大然后再减小，一般发生范围为20 ～35 Hz。JLHA1/G3A-640/290 型导线的自阻尼特性如图3 所示，根据式（6）计算，得到该导线微风振动易发频率范围为3 ～55 Hz，但当该导线频率为65 Hz 时，最大动态弯曲应变仍接近200 με，比标准值100 με 高出约100%，显然该导线需要防振的频带较宽。

图3 JLHA1/G3A-640/290 型导线自阻尼频率响应

3.2 导线系统特性

根据导线的自阻尼特性计算结果，防振锤型号选定为FR-14NL 和FR-8NL。根据相关试验经验，Bate 阻尼线型号选定为JL/G1A-720/50。根据微风振动频率的上限（65 Hz）和下限（15 Hz），初始防振装置的设计如图4 所示。

图4 初始联合防振装置

导线系统特性的计算方法与自阻尼特性的计算方法相似。在计算导线自阻尼特性时，测试功率Pt由导线自身消耗，即

导线系统消耗的功率则为

用上述方法可以得到导线系统特性。

传统防振设计中，通常在某档导线两端各安装一套联合防振（即Bate 阻尼线+防振锤）装置。然而，由于湘江大跨越工程中使用的导线钢比较大，且为单导线，因此防振试验的难度大大增加，安装初始防振装置的导线频率响应如图5 所示，与标准要求还有很大差距。

图5 安装初始防振装置的导线系统频率响应

为解决上述问题，将该2 000 m档距平均分为2段，将2 段作为独立的档距进行防振方案的设计。根据图5 中的频率响应测试结果，改变对应于导线20 ～55 Hz 频段的阻尼线的长度或直径，通过试验及其结果对防振装置逐步进行优化，最终得出防振装置如图6 所示。与以往不同，该工程在2 000 m 档距中使用了4 套联合防振装置。该档导线系统特性如图7 所示，满足了标准要求。

图6 联合防振装置

图7 安装最终防振方案的导线系统频率响应

4 结 论

湘江大跨越工程导线采用JLHA1/G3A-640/290型钢芯铝合金绞线，由于这种导线的钢比大，额定拉断力高，传统的方法已不能满足标准要求。研究介绍了220 kV 输电线路中跨越湘江项目导线防振试验工作流程，提出了将跨越档等分为2 段，并单独进行防振的方法，取得了良好的试验效果，为工程实践提供了参考。