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架空输电线路振动问题及导线疲劳损伤解决方案

发布时间:2018-11-05   来源:金属材料科学与技术  

  了解风致振动以及如何管理或控制风致振动是使风致振动对线路或电网的可能影响实现最小化的关键。

  风振或风致振动会损坏输电线路和配电线路上的导线和架空屏蔽线,从而降低可靠性和使用寿命。了解风致振动以及如何管理或控制风致振动是使风致振动对线路或网络的可能影响最小化的关键。

  本教程总结了行业专家的研究和发现。引用文献提供了更详细的解释和有效的建议。

  图1:由于风振,导线发生疲劳失效。

  几乎所有的输电线都有一定程度的风振或风舞,通常不会损坏。然而,如果振动的幅度足够高,随着时间的推移通常会发生磨损或疲劳失效。

  图2:由于风振引起弯曲过大,导致导线股线疲劳断裂。

  振动是如何产生的?当非湍流(“平滑”)气流穿过导体或架空屏蔽线(OHSW)时,涡流(涡流)在背风侧(背风侧)形成。这些涡流产生交变压力,产生与气流方向成直角的运动。这是引起风振的机制。

  具有讽刺意味的是,湍流气流一般不会产生驱动相关机械振动所需的交替涡流。因为风中的湍流程度受其经过的地形和风速本身的双重影响,风致振动通常由低于每小时15英里(MPH)的风速产生。高速风通常包含相当数量的湍流,除了特殊情况,如开放的水体或峡谷,其中地形的影响最小。

  振动频率

  涡旋从导体和屏蔽线的顶部到底部表面交替的频率可以通过评估:

  这是电源线或屏蔽线上交变力的频率。然而,由此产生的机械振动的完整幅度和频率取决于其他因素,例如跨度长度、阻尼器和间隔件。

  从上述方程可以清楚地看出,对于较小直径的导体或架空屏蔽线,风振频率较高。例如,795kcmil 26/7ACSR(“Drake”)导体在8MPH风影响下的涡流频率是23.5赫兹。在相同的8英里/小时风下的3/8“架空屏蔽线”将有72.4赫兹的交变涡旋。

  跨距共振相互作用

  当涡流频率接近导线或架空屏蔽线跨距的固有振动频率之一时,就会发生持续的风致振动。结果,持续振动以离散驻波的形式出现。强制节点出现在支撑结构上。中间节点以特定的固有频率的间隔出现在跨度上。

  导线张力降低阻尼

  导线或架空屏蔽线的自阻尼特性取决于整体结构的各个股或层之间的运动自由度或“松动”。在标准导线中,随着张力的增加,运动自由度(自阻尼)将减小。这就是为什么一年中最冷的月份,当紧张程度最高时,振动活动最为严重的原因之一。

  一些设计成具有较高自阻尼性能的导线使用梯形的外绞线,这些外绞线“锁定”在一起,从而在层之间产生间隙。其他导体,如ACSS(前SSAC),利用完全退火的铝绞线,当导体从初始操作张力发展到最终操作张力时,该铝绞线变得更松。

  风振破坏

  磨损通常与导线或架空屏蔽线和附件硬件或其他导体配件之间的松动连接有关。这种“松动”使得磨损发生,并且常常是过量风振的结果。

图4:垫片处导线发生磨损

  磨损损伤可以发生在跨度内的间隔件(图4),间隔件阻尼器和标记球,或在支撑结构处(图5)。

  最大弯曲应力发生在导线或架空屏蔽线被阻止运动的位置。比如在垫片的边缘,间隔阻尼器和阻尼器的边缘。弯曲应力的最高水平通常发生在支撑结构上。当导线或架空屏蔽线由于风振引起的弯曲应力超过耐久性极限时,就会发生疲劳失效(图1)。失效时间将取决于弯曲应力的大小和累积的弯曲循环次数(频率)。

图5:固定处导线发生磨损

  安全张力设计

  CIGRE7提供了基于水平导线张力H和单位长度导线重量w之比的安全设计张力的指导原则。地形对风湍流强度的影响也被研究并被作为整体建议的一部分。

  用于计算H/W比的水平导线张力是在线路位置处的最冷月份(AAMT)的平均温度下的初始,卸载张力。

  通过用H/w比和新创建的地形类别应用于所有可用的现场经验数据,CIGRE工作队公布了表1中针对单个无阻尼、无铠装导体的建议。特别工作组还发布了警告:“需要特别注意超长跨度,覆冰,配备有飞机警报装置的跨度,以及使用非常规导线的跨度。”

  表1:单、无阻尼、无铠装导线的安全设计张力。

  CIGRE报告也为捆绑式(双、三、四)导线的安全设计张力提供了建议。

  图6:应用于悬挂夹具中的导线的铠装杆。

  悬架硬件的影响

  铠装杆(图6)或高性能悬挂组件(图7和8)的使用降低了振动导线上的动态弯曲应力的水平。

  图7:ARMOR- GRIP ®悬挂(AGS)。

  图8:CUSHION - GRIP ®悬挂(CGS)。

  因此,高性能悬架将允许更高的安全设计张力(H/w)和增加阻尼器的“可保护”跨度长度。高性能悬架提供的积极影响和附加保护量很难简化为一个简单的表。联系PLP与特定的线路设计和环境(地形和温度)数据以获取更多信息。

  阻尼器有效果

  自20世纪初以来,许多不同类型的阻尼器已被用于降低跨度内的风振水平,尤其在支撑结构中。最常用的阻尼器是Stockbridge型,由G.H. Stockbridge的1924号发明命名。最初的设计已经发展了很多年,但是基本原理仍然存在:重物悬挂在特别设计和制造的钢芯铝绞线的末端,钢芯铝绞线用夹子固定在导体上(图9)。

  当阻尼器放置在振动导线上时,重量的移动将使钢芯铝绞线产生弯曲。钢芯铝绞线的弯曲使钢芯铝绞线的单个电线相互产生摩擦,从而消耗能量。重量的大小和形状以及阻尼器的总体几何形状影响特定振动频率将耗散的能量。有效的阻尼器设计必须在特定导体和跨距参数的预期频率范围内具有适当的响应。

  图9: VORTXTM 阻尼器.

  一些阻尼器,如VORTX阻尼器(图9),利用两种不同的重量和股上的不对称位置来提供尽可能宽的有效频率范围。安装程序,例如VORTX阻尼器的性能线产品开发的那些程序,考虑跨度和地形条件、悬架类型、导体自阻尼以及其他因素。该方法确定了在阻尼器(S)最有效的跨度中的特定位置。

  对于直径较小的导体(<0.75")、架空屏蔽线和光学接地线(OPGW),可以使用不同类型的阻尼器,该阻尼器通常比Stockbridge型阻尼器更有效。螺旋振动阻尼器(图10)已成功地用于控制这些较小尺寸的导体和导线上的风致振动超过35年。

  图10:螺旋振动阻尼器。

  螺旋振动阻尼器是一种“冲击”型阻尼器,由坚固的非金属材料制成,其一端具有紧凑的螺旋,用于夹持导线。剩余的螺旋具有比导线更大的内径,使得它们在风成振动活动期间产生影响。来自阻尼器的冲击脉冲破坏并抵消风产生的运动。螺旋振动阻尼器非常有效,因为它可以放置在跨度的任何地方,并且没有特定的谐振频率。它响应所有频率,特别是与小直径导体和导线相关的高频。

  参考文献:

  [1]Electric Power Research Institute,“Transmission Line Reference Book, Wind Induced Conductor Motion”, ResearchProject 795, 1978.

  [2]V. Strouhal, “On Aeolian Tones”, Annalender Physik und Chemie, Band V, 1878, p. 216.

  [3]“Preformed Line Products referencereport, “Aeolian Vibration Basics”, 2006.

  [4]P.W. Dulhunty, A. Lamprecht and J.Roughens, “The Fatigue Life of Overhead Line Conductors”, CIGRE SC22-WG04 TaskForce Document, 1982.

  [5]C.B. Rawlins, “Exploratory Calculationsof the Predicted Fatigue Life of Two ACSR and One AAAC”, Report CIGRE SC-22,WG11, TF4-96-5, April 1996.

  [6]O.D. Zetterholm, “Bare Conductors andMechanical Calculation of Overhead Conductors”, CIGRE Session Report #223, 1960.

  [7]CIGRE Report #273, “Overhead Conductor SafeDesign Tension with Respect to Aeolian Vibrations”, Task Force B2.11.04, June2005.

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