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                  架空輸電線路振動問題及導線疲勞損傷解決方案
                  更新時間:2018-11-07

                    了解風致振動以及如何管理或控制風致振動是使風致振動對線路或電網的可能影響實現最小化的關鍵。

                    風振或風致振動會損壞輸電線路和配電線路上的導線和架空屏蔽線,從而降低可靠性和使用壽命。了解風致振動以及如何管理或控制風致振動是使風致振動對線路或網絡的可能影響最小化的關鍵。

                    本教程總結了行業專家的研究和發現。引用文獻提供了更詳細的解釋和有效的建議。

                    圖1:由于風振,導線發生疲勞失效。

                    幾乎所有的輸電線都有一定程度的風振或風舞,通常不會損壞。然而,如果振動的幅度足夠高,隨著時間的推移通常會發生磨損或疲勞失效。

                    圖2:由于風振引起彎曲過大,導致導線股線疲勞斷裂。

                    振動是如何產生的?當非湍流(“平滑”)氣流穿過導體或架空屏蔽線(OHSW)時,渦流(渦流)在背風側(背風側)形成。這些渦流產生交變壓力,產生與氣流方向成直角的運動。這是引起風振的機制。

                    具有諷刺意味的是,湍流氣流一般不會產生驅動相關機械振動所需的交替渦流。因為風中的湍流程度受其經過的地形和風速本身的雙重影響,風致振動通常由低于每小時15英里(MPH)的風速產生。高速風通常包含相當數量的湍流,除了特殊情況,如開放的水體或峽谷,其中地形的影響最小。

                    振動頻率

                    渦旋從導體和屏蔽線的頂部到底部表面交替的頻率可以通過評估:

                    這是電源線或屏蔽線上交變力的頻率。然而,由此產生的機械振動的完整幅度和頻率取決于其他因素,例如跨度長度、阻尼器和間隔件。

                    從上述方程可以清楚地看出,對于較小直徑的導體或架空屏蔽線,風振頻率較高。例如,795kcmil 26/7ACSR(“Drake”)導體在8MPH風影響下的渦流頻率是23.5赫茲。在相同的8英里/小時風下的3/8“架空屏蔽線”將有72.4赫茲的交變渦旋。

                    跨距共振相互作用

                    當渦流頻率接近導線或架空屏蔽線跨距的固有振動頻率之一時,就會發生持續的風致振動。結果,持續振動以離散駐波的形式出現。強制節點出現在支撐結構上。中間節點以特定的固有頻率的間隔出現在跨度上。

                    導線張力降低阻尼

                    導線或架空屏蔽線的自阻尼特性取決于整體結構的各個股或層之間的運動自由度或“松動”。在標準導線中,隨著張力的增加,運動自由度(自阻尼)將減小。這就是為什么一年中最冷的月份,當緊張程度最高時,振動活動最為嚴重的原因之一。

                    一些設計成具有較高自阻尼性能的導線使用梯形的外絞線,這些外絞線“鎖定”在一起,從而在層之間產生間隙。其他導體,如ACSS(前SSAC),利用完全退火的鋁絞線,當導體從初始操作張力發展到最終操作張力時,該鋁絞線變得更松。

                    風振破壞

                    磨損通常與導線或架空屏蔽線和附件硬件或其他導體配件之間的松動連接有關。這種“松動”使得磨損發生,并且常常是過量風振的結果。

                  圖4:墊片處導線發生磨損

                    磨損損傷可以發生在跨度內的間隔件(圖4),間隔件阻尼器和標記球,或在支撐結構處(圖5)。

                    最大彎曲應力發生在導線或架空屏蔽線被阻止運動的位置。比如在墊片的邊緣,間隔阻尼器和阻尼器的邊緣。彎曲應力的最高水平通常發生在支撐結構上。當導線或架空屏蔽線由于風振引起的彎曲應力超過耐久性極限時,就會發生疲勞失效(圖1)。失效時間將取決于彎曲應力的大小和累積的彎曲循環次數(頻率)。

                  圖5:固定處導線發生磨損

                    安全張力設計

                    CIGRE7提供了基于水平導線張力H和單位長度導線重量w之比的安全設計張力的指導原則。地形對風湍流強度的影響也被研究并被作為整體建議的一部分。

                    用于計算H/W比的水平導線張力是在線路位置處的最冷月份(AAMT)的平均溫度下的初始,卸載張力。

                    通過用H/w比和新創建的地形類別應用于所有可用的現場經驗數據,CIGRE工作隊公布了表1中針對單個無阻尼、無鎧裝導體的建議。特別工作組還發布了警告:“需要特別注意超長跨度,覆冰,配備有飛機警報裝置的跨度,以及使用非常規導線的跨度。”

                    表1:單、無阻尼、無鎧裝導線的安全設計張力。

                    CIGRE報告也為捆綁式(雙、三、四)導線的安全設計張力提供了建議。

                    圖6:應用于懸掛夾具中的導線的鎧裝桿。

                    懸架硬件的影響

                    鎧裝桿(圖6)或高性能懸掛組件(圖7和8)的使用降低了振動導線上的動態彎曲應力的水平。

                    圖7:ARMOR- GRIP ®懸掛(AGS)。

                    圖8:CUSHION - GRIP ®懸掛(CGS)。

                    因此,高性能懸架將允許更高的安全設計張力(H/w)和增加阻尼器的“可保護”跨度長度。高性能懸架提供的積極影響和附加保護量很難簡化為一個簡單的表。聯系PLP與特定的線路設計和環境(地形和溫度)數據以獲取更多信息。

                    阻尼器有效果

                    自20世紀初以來,許多不同類型的阻尼器已被用于降低跨度內的風振水平,尤其在支撐結構中。最常用的阻尼器是Stockbridge型,由G.H. Stockbridge的1924號發明命名。最初的設計已經發展了很多年,但是基本原理仍然存在:重物懸掛在特別設計和制造的鋼芯鋁絞線的末端,鋼芯鋁絞線用夾子固定在導體上(圖9)。

                    當阻尼器放置在振動導線上時,重量的移動將使鋼芯鋁絞線產生彎曲。鋼芯鋁絞線的彎曲使鋼芯鋁絞線的單個電線相互產生摩擦,從而消耗能量。重量的大小和形狀以及阻尼器的總體幾何形狀影響特定振動頻率將耗散的能量。有效的阻尼器設計必須在特定導體和跨距參數的預期頻率范圍內具有適當的響應。

                    圖9: VORTXTM 阻尼器.

                    一些阻尼器,如VORTX阻尼器(圖9),利用兩種不同的重量和股上的不對稱位置來提供盡可能寬的有效頻率范圍。安裝程序,例如VORTX阻尼器的性能線產品開發的那些程序,考慮跨度和地形條件、懸架類型、導體自阻尼以及其他因素。該方法確定了在阻尼器(S)最有效的跨度中的特定位置。

                    對于直徑較小的導體(<0.75")、架空屏蔽線和光學接地線(OPGW),可以使用不同類型的阻尼器,該阻尼器通常比Stockbridge型阻尼器更有效。螺旋振動阻尼器(圖10)已成功地用于控制這些較小尺寸的導體和導線上的風致振動超過35年。

                    圖10:螺旋振動阻尼器。

                    螺旋振動阻尼器是一種“沖擊”型阻尼器,由堅固的非金屬材料制成,其一端具有緊湊的螺旋,用于夾持導線。剩余的螺旋具有比導線更大的內徑,使得它們在風成振動活動期間產生影響。來自阻尼器的沖擊脈沖破壞并抵消風產生的運動。螺旋振動阻尼器非常有效,因為它可以放置在跨度的任何地方,并且沒有特定的諧振頻率。它響應所有頻率,特別是與小直徑導體和導線相關的高頻。

                    參考文獻:

                    [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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