輸電線路減振研究簡述

輸電線路減振研究簡述

　　摘 要：本文梳理了微風振動國內外研究現狀，對微風振動的計算研究方法進行了闡述。最后論述了國內外減振金具的發展過程及研究現狀，為減振方法及金具的研究奠定了基礎。

　　關鍵詞：輸電線路;金具;微風振動

　　背景

　　輸電線路的微風振動是架空線在微風作用下產生的高頻低幅的垂向振動。微風振動的頻率較高，一般在5～120Hz之間;振幅大約為導線直徑的3倍以下;所需風速較小，一般為0.5～10m/s范圍之間;振動的時間非常長，大多數是幾個小時，也有的是好幾天都不停止。如果對導線微風振動不采取有效的防治措施，將會對超、特高壓輸電線路的運行帶來極大的安全隱患。

　　一、微風振動的研究現狀

　　微風振動作為引起輸電線路破壞的主要振動形式，對它的研究已有百年之久。相對國內來講，國外研究人員對微風振動的研究開展較早，研究的理論也較為成熟。G. H. Stockbridge于1925年研制出了“Stockbridge”防振錘，這是在借鑒了其它阻尼器優點的基礎上發明的，比如說貝特阻尼器;E. Bate在1925年以前就研制發明了一種阻尼器，如貝特阻尼器;1968年，Salvi研究發明了4R型防振錘�，F在輸電線路中使用的防振金具已經越來越多，例如，PVC防振鞭、間隔棒、花邊阻尼線等。

　　能量平衡法作為現今微風振動計算中最為成熟的算法，經過了深入而又廣泛的研究。經驗公式加實驗擬合的方法是在輸電線自阻尼功率、防振錘消耗的功率和風功率輸入的機理均較為復雜情況下所采用的方法。

　　各國的許多學者幾十年來做了大量的風洞實驗和理論研究來測得風輸入給輸電線的能量，最終給出了實驗曲線，這種曲線是能表征風能怎樣隨振幅變化的。能量平衡法由于諸多因素原因應用起來是不確定的，例如參數離散性，不同的研究者的差別是很大的，這種情況有可能使得實驗曲線之間的吻合會有些不理想。然而在能量平衡法方面，各國的研究進度不一樣，我國在這方面受到了諸多條件限制，例如在國際上發表公開文獻方面，我國很少是有關于風功率輸入曲線方面的，造成了這方面研究的制約條件，其中風洞條件的限制是一個重要原因。

　　在正常的電力系統運行中，架空輸電線是存在自阻尼的，但有關它的自阻尼計算是非常少見的，理論研究也較少，大部分原因是因為它的形成非常之復雜。世界各國對自阻尼的研究主要都在實驗的測量上，通過實驗獲得的數據研究分析導線的自阻尼，得出有價值的理論。國內學者提出了用數學方法來計算輸電線的振動阻尼，根據基本的索振動微分方程得到了計算公式。測算導線振動阻尼的方法很多，國內外均提出了許多行之有效的方法，其中數學分析方法是一種精度很高的方法，它最先由外國學者提出，他運用微積分原理，借鑒了索有關的知識，最終得到了振動阻尼的計算式�？茖W的發展是永不止步的，由Noiseux提出的公式在很多方面還不完善，例如它不適用于專門的鋼芯鋁絞線制成的導線，也不適用于在較窄的頻率段中產生的隨機振動，同時若是由全鋁材料構成的導線也是不適用的，Lebfond和Hardy就從以上的基礎上完善了前人的計算公式。

　　解析方法與非解析法是求解體系動力響應的重要方法，動力學方法在廣義上包含的范圍是很廣的，它的研究范圍同樣也涉及了動力體系的方方面面。在架空輸電線路的動力研究中，方法很多，例如振型疊加法和有限差分法就是應用非常廣泛的兩種動力學研究方法。在輸電線路中做動力學研究時，得到的僅僅是有關輸電線和防振金具之間的動力方程，它是直接求解動力方程獲得微風振動響應的法。

　　輸電線路中的導線受到外部激勵后會產生不同程度的響應，Claren，N和Diana，G利用了振型疊加法對這種響應進行了計算，并且在公開刊物上發表論文，得到國內外學者認可。論文中將輸電導線簡化成了兩端鉸支的張緊弦，通過張拉的很緊的弦來模擬輸電導線，并且認為弦是兩端鉸接的，鑒于此，為了得到導線振動的解析解，論文中借助了張緊弦的橫向振動理論。論文觀點以及選取模型的正確性是要通過實驗驗證的，在進行了眾多實驗驗證的基礎上，Claren，N將實驗結果進行匯總，并且同振型疊加法所獲得的解析解進行了研究對比，最終發現誤差是非常小的，可信度高，理論和模型都是非常正確的。以上的研究為微風振動現象的研究發展邁出了重要一步，通過計算得到了關于導線振幅的解析表達式，但是鑒于微風振動計算的復雜性，以上的研究結果仍然欠缺一些理論知識。例如在輸入激勵力的問題上，發表文章中為了實驗方便而沒有做到精確模擬激勵力。再者導線本身是半柔半剛的，用拉緊的張弦來模擬會舍去導線本身具有的抗彎剛度，會對結果的精確性產生很大影響。

　　綜合前面的研究，方法很多，但是思路一樣，都是將原本的微風振動研究通過子系統分解來研究，例如分解為導線系統和激勵系統，將兩者分開考慮，最后綜合起來研究。風的作用是聯系兩者的紐帶，于是便通過了功率的輸入和輸出將兩個子系統耦合，綜合評價研究。這樣以來，對微風振動的研究就優點多多了，首先是對整個振動的分析較簡便，并且整個過程的計算量大大減小。同樣，這種方法也是有缺點的，它的計算對風洞實驗要求較多，風洞實驗獲取的實驗數據是它的基礎。

　　前面已經將其他的研究方法做了逐一介紹，唯獨尾流振子模型算法沒有介紹，和其它方法一樣，它也是一種較好的渦激振動研究方法。本方法對以往其他方法沒有涉及的尾流振蕩作用做了深入分析研究，運用了數學和力學相結合的方法來研究，通過列方程，聯系不同物質之間的參數，將流固耦合的現象充分的體現了出來。對尾流振子模型的研究，國內外學者都高度重視，其中升力系數的控制曾一度成為研究難點，HarDen和currie于1970年在充分利用了Van De Pol方程的基礎上求得了振子模型在數學上的表達公式，可以和結構的振動方程進行聯立求解。

　　通過以上的研究發現，每一種方法都有各自的優點和缺點，例如動力學方法的計算結果精度更高，而且概念也更加明確。在一定程度上，動力學方法的適用范圍是更廣的，計算結果也是更精確的，值得更深一步的研究。尤其是在綜合考慮流一固耦合基礎上，CFD方法結合有限差分法，可以考慮風與輸電線一防振錘體系的相互作用，同時考慮輸電線和防振錘動力效應的耦合振動，前提是在不大幅增加計算量的條件下。

　　半個世紀以來，微風振動的研究方法在推陳出新的同時也有著一套固定的方法，例如被各國學者普遍認可的能量平衡法。這種方法延續了自然界的能量守恒定律，通過能量平衡的研究方法來進行問題的更深一步分析，將風輸入的能量看成是能量輸入的源泉，將導線系統消耗的能量看成是能量耗散的集中地，通過兩者之間的平衡關系使得導線系統在微風振動作用下始終處于一種穩定狀態。如果要保證輸電線路的安全運行，當導線在振動穩定后，導線上各點(包括懸掛點在內)的動彎應變必須要合理控制，達到安全范圍中。1969年時RodolfoClaren，Member，IEEE和G.Diana對架空導線在風振作用下的動力響應利用了數學知識進行了分析研究，把微風振動現象在導線上產生的各種影響都進行了計算分析，對輸電線路微風振動理論的完善起到了重要的推動作用，是導線微風振動史上不可磨滅的一件事，為后續的研究工作開展起到了積極意義。以前的學者大都取一個檔距內的微風振動現象為研究對象，并沒有考慮到相鄰跨對要研究的輸電線路微風振動的影響，在借助了模態分析的結果后，simpson，A和sembi，P.S.對這種相鄰跨的影響問題進行了深入研究，取得了顯著效果;架空線路發生微風振動時，穩定后導線的振幅大小應該徘徊在一個固定的數值附近，鑒于此，Roughan，J.C.(1983)對這個問題開展了細致而全面的研究，并取得了一定的研究成果;對于風輸入給導線的能量大小，國際上一直沒有一個定論，Kraus，Michal(1991)就針對此現象將風輸入能量進行了測量，將自測結果與風洞實驗結果比較分析，驗證了風能輸入曲線，通過研究分析后得到了許多有價值的結論。微風振動現象的頻繁發生受到的外界因素無非就是天氣因素，然而導線本身的因素是否會起到什么作用不得而知，鑒于此，Heics，R.c.(1994)設計了實際線路實驗，將線路同等比例在試驗中運行應用，通過改變導線自身的張力大小，改變導線的自阻尼情況，改變導線風攻角情況來觀察微風振動振幅的變化情況，判斷其影響大小;Schmidt，J.T.(1997)通過試驗測量分析了阻尼器在微風振動中的能量消耗特性;由于超、特高壓電網建設的不斷加快，大跨越輸電線路成為了一種趨勢，對于這方面Rawlins，C.B.(2000)對大跨越導線的各種激勵響應進行了比較分析，最終得出了結論，由大跨越線路產生的大跨越效應將會使得跨端的阻尼需求減少很多;stockbridge型防振錘是現在輸電線路上應用較多的一款防振錘，外國學者Diana.G(2003)等人對它進行了理論和實驗研究，主要測算了它在線路上的布置情況和受力性能好壞。得出了有價值的研究結論，為其以后在輸電線路上的應用打下了堅實的基礎，能夠為后續的研究起到指導和借鑒的作用;Leskinen T.(2003)對輸電導線的使用壽命則利用了能量平衡法以及室內試驗同時進行的方法做了分析研究;sinha， Hagedorn P(2007)計算和研究了輸電導線連接點處于微風振動情況下的動彎應力;M.L.Lu(2007)等人用基于強迫振動和阻抗轉換的方法對防振錘一輸電線耦合體系振動進行了詳細求解。

　　對導線的微風振動現象進行研究，有些參數是必須通過試驗測量獲得的，這些參數在研究中起到了決定性作用，例如防振錘消耗的功率，輸電線本身的自阻尼功率以及風輸入功率[37]。對于防振錘一輸電線系統，在用數值方法求解時會用到，在用能量平衡原理求解時更能用到。

　　在防振金具的使用過程中，世界各國卻不盡相同，日本在架空輸電線路防振方面一直做的很好，在輸電線路上經常采用有效的防振金具，多采用組合減振的方式來得到減振效果，其中最常見的是防振錘和阻尼線相結合使用來減振的方法，防振錘主要起到了輔助作用，阻尼線則起到了主要作用;歐美各國在輸電線路防振方面則多采用防振錘來進行。

　　國外在微風振動領域的研究都比較快，然而我國卻因為起步較晚使得現在處于劣勢狀態，我國在這方面的研究已有40年之久，也取得了長足的進步。對微風振動現象的研究早在1977年我國就開始了，長江流域規劃辦公室工作人員研究出了怎樣充分利用減振器的方法，并且對消振器進行結構改進和參數優化，取得了良好效果，這是建立在微風振動時對硬母線進行了戶外實測研究和試驗基礎之上的;李盛欽根據自身的研究發現，防振錘安裝距離是存在很大研究價值的，同時對導線的振動半波長開展了較為詳細的研究;何曉雄(1995，2000)主要提出了計算振幅比平方和的方法，這是確定架空線防振金具安裝位置的一種有效的新方法;華北電力大學的王藏柱(2002)等借助現有能量平衡原理，對架空輸電線微風振動響應采用了傳遞矩陣法進行了計算;謝昌舉通過實驗分析對大跨越輸電線路進行了分析，例如對某大跨越線路的減振振設計采取了現場測量及試驗研究;王旭鋒(2005)研究了OPGW的防振問題;王洪采取了真型實驗的方法開展了研究，對大跨越架空線路進行了微風振動防振效果的時效分析，用來指導以后的大跨越微風振動防振措施的維護和設計。葉吉余，朱斌也介紹了防振錘、輸電線的抗疲勞問題，但是研究不夠深入。相比輸電線路的渦激振動疲勞而言，斜拉橋拉索和海洋管道的渦激疲勞問題研究的較多，作為一個非常相近的領域，在此也做一介紹。郭海燕在考慮了管外海洋環境荷載的情況下，同時將管內流動流體共同作用考慮在內，開始建立了有關海洋立管的渦激振動微分方程，然后用Hermit插值函數離散了立管微分方程，并通過利用Miner理論分析研究了立管的疲勞壽命，通過實例計算和編程，分析了管內流速對疲勞壽命和渦激響應幅值的影響。通過結果表明了，立管渦激振動響應由于立管的固有頻率因管內流體流速變化而接近漩渦脫落頻率時增大，疲勞壽命將會隨之顯著減少。盧偉對疲勞壽命服從威布爾分布做了假定，并充分考慮了平均拉應力的影響，相應的斜拉索疲勞可靠度公式經過了一定的修正得到。王一飛，楊美良，黨志杰，方開翔也對海洋管道和斜拉索的渦激疲勞問題進行了深入研究。

　　目前國內外輸電線路微風振動的計算方法主要有兩大類：能量平衡法和動力學方法。相比動力學方法，能量平衡法的應用更加普遍，更貼近實際。能量平衡法是運用能量平衡準則，利用了風輸入給導線的能量與防振器-輸電線系統消耗能量相等的原則來計算導線振動穩定時的振幅。動力學方法則是直接建立輸電線-防振器的系統方程，模擬了微風振動，利用動力方程求解得到系統響應。能量平衡法概念簡單，關系明確，能準確計算出微風振動穩定振幅;動力學方法計算結果可靠，理論架構清晰。

　　二、工程減振研究現狀

　　隨著科學技術的進步，人民生活水平的提高，減振技術已經越來越受到大家的重視。工程中的振動通常會危及結構安全，影響結構的正常使用壽命，精密設備不能正常使用，給人們的正常生產和生活造成不便。近年來，國內外對減振方面展開了大量的研究，學者們發表了多篇學術論文，取得了多項成就，給減振技術的提高帶來了巨大的推動作用。已取得的成果中包括了非線性減振系統的沖擊響應、在設計減振裝置上隨機振動理論的應用、彈性振動系統和多自由度振動系統減振裝置的計算方法、主動控制減振系統的分析和計算方法等，大大豐富了早期的減振理論。

　　德國郵船上在1902年裝的Frahm防搖水箱是在工程中應用最早的動力調諧吸振器，但是只有在激振頻率穩定不變的情況它才適合。通過研究表明，假如要使得動力消振器的振幅不過大，它的彈簧剛度系數k則不能過小，而且動力吸振器的質量必須要足夠大。Snowdon把質量為m的動力消振器平均分解為三個質量1/3m的動力消振器，并且它們的固有頻率比分別為0.96，1.0和1.04。經過數值計算表明，增加吸振器的數目，可以一定程度上擴展它的頻帶。Roberson研究了動力吸振器彈簧在非線性特性方面對減振效果的影響，發現了運用線彈簧構成的動力吸振器的減振頻帶要比軟彈簧構成的動力吸振器的窄一些。1952年，Young. D解出了有關懸臂直梁動力消振的問題。

　　橡膠減震最先于國外提出，并逐漸發展起來，現今已形成了一套完整的研究體系。各種各類的橡膠減震器能夠大批量生產的國家有前蘇聯、美國、英國、德國、法國和日本等，特別是日本。日本于1937以后為了將發動機架安裝在螺旋槳飛機上，開始了大批量生產防振橡膠。并且在1953年開始在制造飛機儀表盤上引入防振橡膠技術。日本在1960年的橡膠減震器消耗量已經達到了609噸，在1969年消耗的橡膠量已經超過了萬噸，9年內共增長了17倍。在這以前這種防振橡膠國外早已在外飛機上采用了，隨國外發動機和飛機的進口，開始逐步在日本應用，然后又經由其國內制造。早在第二次世界大戰前夕，德國就把艦船的動力設備上的減震器用天然橡膠制成了，并通過實戰獲得了卓越成效，同時彈性軸承的研究在20世紀60年代也開展了起來。防振橡膠技術是在第二次世界大戰戰爭期間和以前逐步積累起來的，戰后它便作為了民用工業應用于土木建筑，汽車鐵路機車車輛以及各種機械工業之中。早期的如：1946年在卡車上的應用，1947年防振橡膠在公共汽車各個部位上的使用。1951年以后在鐵軌機車車輛各個部件上的最早應用，尤其是在轉向架上成功使用了防振橡膠。作為橡膠工業的一個方面，自從1955年小轎車在日本的生產走上正軌后，防振橡膠就牢固的建立起了自己的地位。

　　國外的橡膠減震器發展迅猛，主要的發展趨勢是通過將減震與高阻尼這兩種性能聯合起來開發研究，獲得一種新型的阻尼減震器，達到良好的減震耗能效果。再就是通過對現有減震器進行結構和材料方面多加改進，使得這種結構形式的減震器更適應于在實際工程中應用。

　　我國在橡膠減震方面的研究起步較晚，大批量的橡膠減震器于60年代才開始了生產和研制。由于我國現代化進程的加速，人民對生活水平的要求越來越高，使得橡膠減震器在國內的發展非常迅猛，國內在橡膠減震方面基本形成了一整套的研發生產體系，前景十分誘人。但是和國外的研究相比，我國在橡膠減震工業中的起步較晚，基礎條件也比較差，檢測手段與實驗研究不很健全，沒有進行過系統的研究和開發，開發速度也相對較慢，技術水平及應用規模與國外相比還有非常大的差距，與國外先進水平相比大約落后了10～15年。伴隨著橡膠減振制品工程應用的日益廣泛，我們必須盡快引進國外先進的技術手段，提高我國橡膠減振制品行業的競爭力。目前與之相關的減震材料在技術研究方面已取得了階段性的成果，但是要將這些成果成功轉換為產品，繼而大規模的推向市場尚且需一定的時間。高分子材料已經成為繼石頭、鋼鐵之后高速鐵路應用的第三大材料，并且伴隨著高速列車向舒適化、高速化和安全化方向發展，并且將起到越來越重要的作用。目前來說，我國所生產的橡膠減震器除了XL系列高彈性聯軸節和部分橡膠―金屬減震器已實現標準化外，大多數的產品仍處于“非標準化”狀態。為了滿足整個社會發展的需要，應該在工藝技術、橡膠裝備、結構和材料幾個方面努力，繼續加快我國橡膠減震器的發展步伐。伴隨著環境保護法的實施和我國現代工業建設的高速發展，國民經濟各部門對噪音和振動控制技術提出了越來越高的要求。為了滿足社會快速發展的需要，應該著重加速我國橡膠減震器發展的步伐，并且力爭在大約10年左右的時間全面達到國外的技術水平甚至超過。

　　我國應努力做到：(1)新型橡膠減震器及新型減震阻尼材料的研發;(2)橡膠減震器產量提高與工藝裝備的優化;(3)引進減震技術，加快技術改革速度;(4)加速橡膠減震器產品標準化、系列化的進程。橡膠材料在減震應用方面的發展，可以通過實踐經驗的累積以及理論知識的不斷完善而得到實現。而各學科及適用范圍的不斷滲透，必將創造出更多的應用空間和機會。

　　在國內有很多人都在從事減振方面的研究，并且取得了多項研究成果，其中大部分主要集中在減振結構參數的優化和新型減振裝置的研制。李春祥等研究了在結構受地震作用下的TMD參數設計迭代，并對地震作用設為隨機荷載和單位簡諧荷載兩種情況加以考慮，并且得到了TMD參數的實用設計表格。林莉等學者分析研究了機械阻尼振動被阻尼吸振器吸收的情況，并且對頻率特性進行了試驗和分析，主要的優化目標是以主質量對基座作用力最小，提出了使減振頻帶能夠盡可能多的并且包含激勵頻譜的參數選擇原則。近幾年來，高撓度建筑結構的迅速發展，很多摩天大樓都已經采用了動力吸振器，這就在一定程度上推動了多自由度系統和彈性系統動力消振理論的發展。

　　目前國內外學者都對減振技術進行了多方面深層次的研究，設計了多項減振裝置，研究發現了許多減振方法，發表了多篇高水平的論文。經過幾代人不懈努力，減振方面的研究發現已經成功應用于多項實際工程中，這將作為一種激勵推動后續減振事業的發展。

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