机电一体化毕业论文：输电线路减振研究简述
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输电线路减振研究简述
摘 要：本文梳理了微风振动国内外研究现状，对微风振动的计算研究方法进行了阐述。最后论述了国内外减振金具的发展过程及研究现状，为减振方法及金具的研究奠定了基础。
关键词：输电线路;金具;微风振动
背景
输电线路的微风振动是架空线在微风作用下产生的高频低幅的垂向振动。微风振动的频率较高，一般在5～120Hz之间;振幅大约为导线直径的3倍以下;所需风速较小，一般为0.5～10m/s范围之间;振动的时间非常长，大多数是几个小时，也有的是好几天都不停止。如果对导线微风振动不采取有效的防治措施，将会对超、特高压输电线路的运行带来极大的安全隐患。
一、微风振动的研究现状
微风振动作为引起输电线路破坏的主要振动形式，对它的研究已有百年之久。相对国内来讲，国外研究人员对微风振动的研究开展较早，研究的理论也较为成熟。G. H. Stockbridge于1925年研制出了“Stockbridge”防振锤，这是在借鉴了其它阻尼器优点的基础上发明的，比如说贝特阻尼器;E. Bate在1925年以前就研制发明了一种阻尼器，如贝特阻尼器;1968年，Salvi研究发明了4R型防振锤。现在输电线路中使用的防振金具已经越来越多，例如，PVC防振鞭、间隔棒、花边阻尼线等。
能量平衡法作为现今微风振动计算中最为成熟的算法，经过了深入而又广泛的研究。经验公式加实验拟合的方法是在输电线自阻尼功率、防振锤消耗的功率和风功率输入的机理均较为复杂情况下所采用的方法。
各国的许多学者几十年来做了大量的风洞实验和理论研究来测得风输入给输电线的能量，最终给出了实验曲线，这种曲线是能表征风能怎样随振幅变化的。能量平衡法由于诸多因素原因应用起来是不确定的，例如参数离散性，不同的研究者的差别是很大的，这种情况有可能使得实验曲线之间的吻合会有些不理想。然而在能量平衡法方面，各国的研究进度不一样，我国在这方面受到了诸多条件限制，例如在国际上发表公开文献方面，我国很少是有关于风功率输入曲线方面的，造成了这方面研究的制约条件，其中风洞条件的限制是一个重要原因。
在正常的电力系统运行中，架空输电线是存在自阻尼的，但有关它的自阻尼计算是非常少见的，理论研究也较少，大部分原因是因为它的形成非常之复杂。世界各国对自阻尼的研究主要都在实验的测量上，通过实验获得的数据研究分析导线的自阻尼，得出有价值的理论。国内学者提出了用数学方法来计算输电线的振动阻尼，根据基本的索振动微分方程得到了计算公式。测算导线振动阻尼的方法很多，国内外均提出了许多行之有效的方法，其中数学分析方法是一种精度很高的方法，它最先由外国学者提出，他运用微积分原理，借鉴了索有关的知识，最终得到了振动阻尼的计算式。科学的发展是永不止步的，由Noiseux提出的公式在很多方面还不完善，例如它不适用于专门的钢芯铝绞线制成的导线，也不适用于在较窄的频率段中产生的随机振动，同时若是由全铝材料构成的导线也是不适用的，Lebfond和Hardy就从以上的基础上完善了前人的计算公式。
解析方法与非解析法是求解体系动力响应的重要方法，动力学方法在广义上包含的范围是很广的，它的研究范围同样也涉及了动力体系的方方面面。在架空输电线路的动力研究中，方法很多，例如振型叠加法和有限差分法就是应用非常广泛的两种动力学研究方法。在输电线路中做动力学研究时，得到的仅仅是有关输电线和防振金具之间的动力方程，它是直接求解动力方程获得微风振动响应的法。
输电线路中的导线受到外部激励后会产生不同程度的响应，Claren，N和Diana，G利用了振型叠加法对这种响应进行了计算，并且在公开刊物上发表论文，得到国内外学者认可。论文中将输电导线简化成了两端铰支的张紧弦，通过张拉的很紧的弦来模拟输电导线，并且认为弦是两端铰接的，鉴于此，为了得到导线振动的解析解，论文中借助了张紧弦的横向振动理论。论文观点以及选取模型的正确性是要通过实验验证的，在进行了众多实验验证的基础上，Claren，N将实验结果进行汇总，并且同振型叠加法所获得的解析解进行了研究对比，最终发现误差是非常小的，可信度高，理论和模型都是非常正确的。以上的研究为微风振动现象的研究发展迈出了重要一步，通过计算得到了关于导线振幅的解析表达式，但是鉴于微风振动计算的复杂性，以上的研究结果仍然欠缺一些理论知识。例如在输入激励力的问题上，发表文章中为了实验方便而没有做到精确模拟激励力。再者导线本身是半柔半刚的，用拉紧的张弦来模拟会舍去导线本身具有的抗弯刚度，会对结果的精确性产生很大影响。
综合前面的研究，方法很多，但是思路一样，都是将原本的微风振动研究通过子系统分解来研究，例如分解为导线系统和激励系统，将两者分开考虑，最后综合起来研究。风的作用是联系两者的纽带，于是便通过了功率的输入和输出将两个子系统耦合，综合评价研究。这样以来，对微风振动的研究就优点多多了，首先是对整个振动的分析较简便，并且整个过程的计算量大大减小。同样，这种方法也是有缺点的，它的计算对风洞实验要求较多，风洞实验获取的实验数据是它的基础。
前面已经将其他的研究方法做了逐一介绍，唯独尾流振子模型算法没有介绍，和其它方法一样，它也是一种较好的涡激振动研究方法。本方法对以往其他方法没有涉及的尾流振荡作用做了深入分析研究，运用了数学和力学相结合的方法来研究，通过列方程，联系不同物质之间的参数，将流固耦合的现象充分的体现了出来。对尾流振子模型的研究，国内外学者都高度重视，其中升力系数的控制曾一度成为研究难点，HarDen和currie于1970年在充分利用了Van De Pol方程的基础上求得了振子模型在数学上的表达公式，可以和结构的振动方程进行联立求解。
通过以上的研究发现，每一种方法都有各自的优点和缺点，例如动力学方法的计算结果精度更高，而且概念也更加明确。在一定程度上，动力学方法的适用范围是更广的，计算结果也是更精确的，值得更深一步的研究。尤其是在综合考虑流一固耦合基础上，CFD方法结合有限差分法，可以考虑风与输电线一防振锤体系的相互作用，同时考虑输电线和防振锤动力效应的耦合振动，前提是在不大幅增加计算量的条件下。
半个世纪以来，微风振动的研究方法在推陈出新的同时也有着一套固定的方法，例如被各国学者普遍认可的能量平衡法。这种方法延续了自然界的能量守恒定律，通过能量平衡的研究方法来进行问题的更深一步分析，将风输入的能量看成是能量输入的源泉，将导线系统消耗的能量看成是能量耗散的集中地，通过两者之间的平衡关系使得导线系统在微风振动作用下始终处于一种稳定状态。如果要保证输电线路的安全运行，当导线在振动稳定后，导线上各点(包括悬挂点在内)的动弯应变必须要合理控制，达到安全范围中。1969年时RodolfoClaren，Member，IEEE和G.Diana对架空导线在风振作用下的动力响应利用了数学知识进行了分析研究，把微风振动现象在导线上产生的各种影响都进行了计算分析，对输电线路微风振动理论的完善起到了重要的推动作用，是导线微风振动史上不可磨灭的一件事，为后续的研究工作开展起到了积极意义。以前的学者大都取一个档距内的微风振动现象为研究对象，并没有考虑到相邻跨对要研究的输电线路微风振动的影响，在借助了模态分析的'结果后，simpson，A和sembi，P.S.对这种相邻跨的影响问题进行了深入研究，取得了显著效果;架空线路发生微风振动时，稳定后导线的振幅大小应该徘徊在一个固定的数值附近，鉴于此，Roughan，J.C.(1983)对这个问题开展了细致而全面的研究，并取得了一定的研究成果;对于风输入给导线的能量大小，国际上一直没有一个定论，Kraus，Michal(1991)就针对此现象将风输入能量进行了测量，将自测结果与风洞实验结果比较分析，验证了风能输入曲线，通过研究分析后得到了许多有价值的结论。微风振动现象的频繁发生受到的外界因素无非就是天气因素，然而导线本身的因素是否会起到什么作用不得而知，鉴于此，Heics，R.c.(1994)设计了实际线路实验，将线路同等比例在试验中运行应用，通过改变导线自身的张力大小，改变导线的自阻尼情况，改变导线风攻角情况来观察微风振动振幅的变化情况，判断其影响大小;Schmidt，J.T.(1997)通过试验测量分析了阻尼器在微风振动中的能量消耗特性;由于超、特高压电网建设的不断加快，大跨越输电线路成为了一种趋势，对于这方面Rawlins，C.B.(2000)对大跨越导线的各种激励响应进行了比较分析，最终得出了结论，由大跨越线路产生的大跨越效应将会使得跨端的阻尼需求减少很多;stockbridge型防振锤是现在输电线路上应用较多的一款防振锤，外国学者Diana.G(2003)等人对它进行了理论和实验研究，主要测算了它在线路上的布置情况和受力性能好坏。得出了有价值的研究结论，为其以后在输电线路上的应用打下了坚实的基础，能够为后续的研究起到指导和借鉴的作用;Leskinen T.(2003)对输电导线的使用寿命则利用了能量平衡法以及室内试验同时进行的方法做了分析研究;sinha， Hagedorn P(2007)计算和研究了输电导线连接点处于微风振动情况下的动弯应力;M.L.Lu(2007)等人用基于强迫振动和阻抗转换的方法对防振锤一输电线耦合体系振动进行了详细求解。
对导线的微风振动现象进行研究，有些参数是必须通过试验测量获得的，这些参数在研究中起到了决定性作用，例如防振锤消耗的功率，输电线本身的自阻尼功率以及风输入功率[37]。对于防振锤一输电线系统，在用数值方法求解时会用到，在用能量平衡原理求解时更能用到。
在防振金具的使用过程中，世界各国却不尽相同，日本在架空输电线路防振方面一直做的很好，在输电线路上经常采用有效的防振金具，多采用组合减振的方式来得到减振效果，其中最常见的是防振锤和阻尼线相结合使用来减振的方法，防振锤主要起到了辅助作用，阻尼线则起到了主要作用;欧美各国在输电线路防振方面则多采用防振锤来进行。
国外在微风振动领域的研究都比较快，然而我国却因为起步较晚使得现在处于劣势状态，我国在这方面的研究已有40年之久，也取得了长足的进步。对微风振动现象的研究早在1977年我国就开始了，长江流域规划办公室工作人员研究出了怎样充分利用减振器的方法，并且对消振器进行结构改进和参数优化，取得了良好效果，这是建立在微风振动时对硬母线进行了户外实测研究和试验基础之上的;李盛钦根据自身的研究发现，防振锤安装距离是存在很大研究价值的，同时对导线的振动半波长开展了较为详细的研究;何晓雄(1995，2000)主要提出了计算振幅比平方和的方法，这是确定架空线防振金具安装位置的一种有效的新方法;华北电力大学的王藏柱(2002)等借助现有能量平衡原理，对架空输电线微风振动响应采用了传递矩阵法进行了计算;谢昌举通过实验分析对大跨越输电线路进行了分析，例如对某大跨越线路的减振振设计采取了现场测量及试验研究;王旭锋(2005)研究了OPGW的防振问题;王洪采取了真型实验的方法开展了研究，对大跨越架空线路进行了微风振动防振效果的时效分析，用来指导以后的大跨越微风振动防振措施的维护和设计。叶吉余，朱斌也介绍了防振锤、输电线的抗疲劳问题，但是研究不够深入。相比输电线路的涡激振动疲劳而言，斜拉桥拉索和海洋管道的涡激疲劳问题研究的较多，作为一个非常相近的领域，在此也做一介绍。郭海燕在考虑了管外海洋环境荷载的情况下，同时将管内流动流体共同作用考虑在内，开始建立了有关海洋立管的涡激振动微分方程，然后用Hermit插值函数离散了立管微分方程，并通过利用Miner理论分析研究了立管的疲劳寿命，通过实例计算和编程，分析了管内流速对疲劳寿命和涡激响应幅值的影响。通过结果表明了，立管涡激振动响应由于立管的固有频率因管内流体流速变化而接近漩涡脱落频率时增大，疲劳寿命将会随之显著减少。卢伟对疲劳寿命服从威布尔分布做了假定，并充分考虑了平均拉应力的影响，相应的斜拉索疲劳可靠度公式经过了一定的修正得到。王一飞，杨美良，党志杰，方开翔也对海洋管道和斜拉索的涡激疲劳问题进行了深入研究。
目前国内外输电线路微风振动的计算方法主要有两大类：能量平衡法和动力学方法。相比动力学方法，能量平衡法的应用更加普遍，更贴近实际。能量平衡法是运用能量平衡准则，利用了风输入给导线的能量与防振器-输电线系统消耗能量相等的原则来计算导线振动稳定时的振幅。动力学方法则是直接建立输电线-防振器的系统方程，模拟了微风振动，利用动力方程求解得到系统响应。能量平衡法概念简单，关系明确，能准确计算出微风振动稳定振幅;动力学方法计算结果可靠，理论架构清晰。