趙書杰 ，楊曉輝 ，張希希 ，艾文君 ，王 超

（1．國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450052；2.潤(rùn)電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

舞動(dòng)是在自然風(fēng)載荷的激勵(lì)下，輸電導(dǎo)線所產(chǎn)生的一種低頻率、大振幅的自激振動(dòng)［1-2］。作為輸電線路冬季安全運(yùn)行的主要影響因素之一，舞動(dòng)在引起線路電氣跳閘的同時(shí)，還會(huì)造成線路金具受損、塔線結(jié)構(gòu)破壞等難以直接修復(fù)的事故。

相間間隔棒作為一種有效的舞動(dòng)抑制手段，被大規(guī)模引入、安裝。相間間隔棒［3-4］是在相間或回路間用絕緣棒進(jìn)行機(jī)械連接制約導(dǎo)線的舞動(dòng)，其連接處將成為波節(jié)，使舞動(dòng)成為多個(gè)半波的模式，從而減小振幅，防止相間短路發(fā)生。由于相間間隔棒在導(dǎo)線舞動(dòng)過程中反復(fù)承受相間拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等載荷的作用，經(jīng)常出現(xiàn)相間間隔棒連接金具疲勞損傷、子間隔棒撕裂等［5-7］情況。

當(dāng)前針對(duì)相間間隔棒舞動(dòng)條件下的機(jī)械承載特性與受力分布問題研究較少，且主要以數(shù)值建模分析為主。清華大學(xué)王黎明等［8-10］學(xué)者通過大撓度理論進(jìn)行數(shù)值建模并分析計(jì)算，先后對(duì)500 kV、750 kV以及1 000 kV線路用相間間隔棒力學(xué)特性及其穩(wěn)定后屈曲特性進(jìn)行分析研究，得到不同電壓等級(jí)線路上相間間隔棒芯棒直徑的最佳取值，并給出不同應(yīng)用條件下相間間隔棒的安裝配置方案建議。由于相間間隔棒芯棒為各向異性有機(jī)材料，通過測(cè)試可以獲取軸向彈性模量，但無法獲取徑向完全變形與受力承載特征參數(shù)，因此只能計(jì)算獲得舞動(dòng)狀態(tài)下相間間隔棒軸向應(yīng)力應(yīng)變分布特征。由于無法準(zhǔn)確獲取相間間隔棒各個(gè)方向上的受力承載特征參數(shù)，一定程度上影響了數(shù)值建模，因此，相間間隔棒機(jī)械承載特性的諸多問題只能依賴于實(shí)際試驗(yàn)。但現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［11］關(guān)于相間間隔棒機(jī)械承載特性的測(cè)試，主要有撓度和屈曲測(cè)試，這些試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)舞動(dòng)實(shí)際之間尚存在一定差距。

雖然真型舞動(dòng)試驗(yàn)線路對(duì)相間間隔棒的舞動(dòng)考核更為真實(shí)，但試驗(yàn)線路舞動(dòng)具有隨機(jī)性和分散性，不能對(duì)相間間隔棒的動(dòng)態(tài)承載特性進(jìn)行及時(shí)有效地檢測(cè)。針對(duì)上述問題，在分析導(dǎo)線舞動(dòng)特征及相間間隔棒舞動(dòng)承載受力特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)，并通過與實(shí)際線路舞動(dòng)的一致性分析，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了研究。

1 導(dǎo)線舞動(dòng)特征及其模型分析

1.1 導(dǎo)線舞動(dòng)特征

為了較為準(zhǔn)確地獲得導(dǎo)線舞動(dòng)特征，采用單目視覺測(cè)量的方法獲取舞動(dòng)時(shí)導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)軌跡及關(guān)鍵參數(shù)。單目視覺測(cè)量［12］是指僅利用1臺(tái)數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)過程進(jìn)行拍攝，通過視角中特征點(diǎn)位移的變化來進(jìn)行測(cè)量分析。利用單目視覺分析方法對(duì)真型試驗(yàn)線路5～6號(hào)檔舞動(dòng)事件進(jìn)行分析，選取線路間隔棒為單目視覺分析的特征點(diǎn)，如圖1所示，由左及右依次是5號(hào)桿塔、1～6間隔棒、6號(hào)桿塔。

圖1 舞動(dòng)特征點(diǎn)設(shè)置

導(dǎo)線舞動(dòng)的特征參數(shù)主要為舞動(dòng)幅值、頻率、階次及運(yùn)動(dòng)軌跡。

舞動(dòng)幅值是表征導(dǎo)線舞動(dòng)能量的特征參數(shù)，通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定可獲得特征點(diǎn)的實(shí)際位移量，表1為導(dǎo)線在各特征點(diǎn)處的最大舞動(dòng)幅值（豎直方向峰峰值），最大舞動(dòng)幅值為3.089 m。

考慮到5號(hào)和6號(hào)塔導(dǎo)線掛點(diǎn)處位移量基本為0，抽取某時(shí)刻各特征點(diǎn)豎直方向位移量，以特征點(diǎn)到5號(hào)塔水平距離l為橫坐標(biāo)、特征點(diǎn)豎直方向位移量為縱坐標(biāo)，得到導(dǎo)線在該時(shí)刻的舞動(dòng)形態(tài)曲線如圖2所示。由圖可知，此次舞動(dòng)階次為2階，波節(jié)位于3與4特征點(diǎn)之間，約為整檔線路1/2處，波峰或波谷約在整檔線路1/4和3/4處。

基于特征點(diǎn)2的導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行水平方向和豎直方向分解，可繪制特征點(diǎn)2在舞動(dòng)時(shí)的二維運(yùn)動(dòng)斷面圖，如圖3所示。

表1 舞動(dòng)幅值（豎直方向峰峰值）

圖2 導(dǎo)線某時(shí)刻的舞動(dòng)形態(tài)曲線

對(duì)特征點(diǎn)2的豎直時(shí)程曲線進(jìn)行分析，導(dǎo)線舞動(dòng)頻率為0.394 Hz。

通過上述分析，得到該次舞動(dòng)事件導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)軌跡及關(guān)鍵參數(shù)為：最大舞動(dòng)幅值為3.089 m；舞動(dòng)階次為 2階；舞動(dòng)頻率為 0.394 Hz；導(dǎo)線舞動(dòng)軌跡為長(zhǎng)軸方向偏離豎直方向一定度數(shù)的“類橢圓”。

圖3 特征點(diǎn)2的二維運(yùn)動(dòng)斷面

1.2 導(dǎo)線單點(diǎn)舞動(dòng)模型

相間間隔棒安裝在兩相導(dǎo)線上，其兩端固定在導(dǎo)線的間隔棒上，由于間隔棒受圍繞其周圍的分裂導(dǎo)線束縛，間隔棒的運(yùn)動(dòng)形態(tài)與導(dǎo)線舞動(dòng)形態(tài)基本一致?；谏鲜鼍€路舞動(dòng)特征觀測(cè)，導(dǎo)線舞動(dòng)形態(tài)為長(zhǎng)軸方向偏離豎直方向一定度數(shù)的類橢圓。在某時(shí)刻t，導(dǎo)線上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可簡(jiǎn)化為

豎向位移：

水平位移：

近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，行業(yè)主管部門及建設(shè)單位對(duì)水利工程施工質(zhì)量提出了更高的要求，在水工隧洞襯砌施工中，大多采用鋼模臺(tái)車澆筑，由于施工里程長(zhǎng)，質(zhì)量影響因素多，在混凝土澆筑完成后，通常會(huì)出現(xiàn)一些常見的質(zhì)量通病?，F(xiàn)對(duì)常見的質(zhì)量通病提出修補(bǔ)處理方案。

扭轉(zhuǎn)角度：

式中：A為豎向舞動(dòng)最大幅值，m；B為水平舞動(dòng)最大幅值，m；N為舞動(dòng)階次；L為線路檔距，m；x為該點(diǎn)到檔距內(nèi)首端的距離，m；f為舞動(dòng)頻率，Hz；θm為最大扭轉(zhuǎn)角度，rad。

1.3 舞動(dòng)條件下相間間隔棒的動(dòng)態(tài)承載特性

線路中相間間隔棒的安裝布置形式，是根據(jù)線路可能出現(xiàn)的舞動(dòng)形態(tài)，將相間間隔棒安裝在線路舞動(dòng)的波峰或波谷位置［13-14］以實(shí)現(xiàn)最大程度地抑制舞動(dòng)。在線路舞動(dòng)過程中，分裂導(dǎo)線間隔棒與用于防舞動(dòng)的相間間隔棒受力過程比較復(fù)雜。相間間隔棒舞動(dòng)過程中所受到的動(dòng)態(tài)載荷來源于兩端間隔棒［15］，間隔棒在伴隨導(dǎo)線整體運(yùn)動(dòng)時(shí)作類橢圓形軌跡擺動(dòng)，相間間隔棒在線路舞動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)載荷包括：相間間隔棒兩端間隔棒相對(duì)位移發(fā)生周期性改變，對(duì)相間間隔棒產(chǎn)生周期性的拉壓載荷，頻繁地使相間間隔棒發(fā)生拉伸和彎曲變形；間隔棒隨導(dǎo)線整體扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)相間間隔棒產(chǎn)生軸向扭轉(zhuǎn)力和間隔棒扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切向方向上的彎折力。

2 相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)研制

相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)通過模擬輸電線路舞動(dòng)過程中兩相導(dǎo)線的二維軌跡和相對(duì)位移變化，對(duì)輸電線路用相間間隔棒在舞動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)承載特性進(jìn)行測(cè)試。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

載荷等效，即測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試過程中作用在待測(cè)相間間隔棒端部的載荷與實(shí)際線路舞動(dòng)工況下作用在相間間隔棒端部的載荷等效。根據(jù)導(dǎo)線布置形式和設(shè)備機(jī)械承載要求，提出框架水平擺臂結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 框架水平擺臂結(jié)構(gòu)

框架水平擺臂結(jié)構(gòu)通過2套水平對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)擺臂機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，模擬兩相導(dǎo)線舞動(dòng)過程中相對(duì)位移的變化。該框架水平擺臂結(jié)構(gòu)雖然能夠在一定程度上對(duì)相間間隔棒施加動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷，但存在以下不足：

1）不能模擬導(dǎo)線呈垂直或三角形布置方式下的擺動(dòng)；

3）擺臂高度偏高，在安裝試驗(yàn)樣品和摘取時(shí)有一定難度，對(duì)試驗(yàn)操作帶來不便。

為了能夠同時(shí)模擬兩相導(dǎo)線呈三角形布置方式的擺動(dòng)，解決框架水平擺臂結(jié)構(gòu)重心偏高、安全系數(shù)低、安裝樣品不便等問題，提出將其中一端的機(jī)械臂降低安裝在底座上，另一端機(jī)械臂仍固定在機(jī)架上的“底座擺臂+機(jī)架擺臂”結(jié)構(gòu)，如圖5所示。框架擺臂機(jī)構(gòu)安裝在框架上，通過電機(jī)控制，可沿機(jī)架上下移動(dòng)，設(shè)置有低位和高位2個(gè)固定位：框架機(jī)械臂處于低位時(shí)配合底座擺臂模擬水平布置方式下的導(dǎo)線擺動(dòng)，處于高位時(shí)模擬V型布置方式下的導(dǎo)線擺動(dòng)；底座擺臂機(jī)構(gòu)安裝在底座上，使整體結(jié)構(gòu)重心下移，提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，底座安裝在導(dǎo)軌上，通過電機(jī)控制，可沿導(dǎo)軌做靠近或遠(yuǎn)離機(jī)架移動(dòng)，調(diào)節(jié)底座擺臂機(jī)構(gòu)和框架擺臂機(jī)構(gòu)之間的距離，來滿足不同長(zhǎng)度的相間間隔棒試樣試驗(yàn)。

圖5 “底座擺臂+機(jī)架擺臂”結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定后，設(shè)計(jì)系統(tǒng)中各個(gè)零部件的機(jī)械圖紙，并進(jìn)行加工、組裝，對(duì)電氣控制和軟件系統(tǒng)安裝調(diào)試，研發(fā)出相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成如圖6所示。

相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)包括框架擺臂系統(tǒng)和底座擺臂系統(tǒng)，通過框架擺臂系統(tǒng)和底座擺臂系統(tǒng)的配合實(shí)現(xiàn)相間間隔棒舞動(dòng)承載特性的模擬測(cè)試?？蚣軘[臂系統(tǒng)包括機(jī)架、框架支架和框架擺臂；底座擺臂系統(tǒng)包括底座、底座支架和底座擺臂?？蚣軘[臂（或底座擺臂）模擬相間間隔棒舞動(dòng)時(shí)其一端間隔棒的運(yùn)動(dòng)；擺臂前端同軸設(shè)置有框架擺臂轉(zhuǎn)軸，以模擬導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)子間隔棒的軸向扭轉(zhuǎn)，并通過扭矩力矩傳感器實(shí)時(shí)采集測(cè)試過程中的扭轉(zhuǎn)力矩；框架擺臂轉(zhuǎn)軸的前端與連接金具之間設(shè)置有法蘭式雙向測(cè)力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)采集待測(cè)樣品在測(cè)試過程中所受到的力。

結(jié)合輸電導(dǎo)線舞動(dòng)特征和相間間隔棒舞動(dòng)承載試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特征，采用 “兩端機(jī)械臂同時(shí)相向運(yùn)動(dòng)，或同時(shí)背向運(yùn)動(dòng)”的運(yùn)動(dòng)形式。

圖6 相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成

3 一致性分析

將高清攝像機(jī)固定在底座導(dǎo)軌的一側(cè)，調(diào)整位置使鏡頭視野能夠覆蓋兩端機(jī)械臂，對(duì)兩端機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡和相間間隔棒的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行全程錄像。在疲勞損傷特性測(cè)試試驗(yàn)條件下，相間間隔棒試樣的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。試樣芯棒選取直徑為24 mm，結(jié)構(gòu)高度為5.19 m的剛性一體式棒形懸式相間間隔棒。首先，兩端機(jī)械臂處于“平行機(jī)架、推拉正中間、扭轉(zhuǎn)至水平（清0）”的初始位置，如圖 7（a）所示，相間間隔棒處于輕微拉伸狀態(tài)，即機(jī)架端機(jī)械臂主要承受的是試樣的重量；動(dòng)作開始后，兩端機(jī)械臂相向壓縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)相間間隔棒試樣施加壓力，使試樣彎曲，如圖7（b）所示；待試樣彎曲到一定程度（取相間間隔棒的最小壓縮距離），兩端開始背向動(dòng)作，如圖7（c）所示；背向動(dòng)作過程中，兩端機(jī)械臂做背向拉伸運(yùn)動(dòng)，對(duì)試樣施加拉力，使試樣拉伸，如圖7（d）所示；之后一直重復(fù)上述運(yùn)動(dòng)。

在沒有相間間隔棒束縛的情況下，機(jī)械臂在液壓系統(tǒng)的作用下進(jìn)行擺動(dòng)和推拉運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂端部的運(yùn)動(dòng)軌跡近似為一段橢圓圓弧，如圖8所示，記弧長(zhǎng)為L(zhǎng)1，模擬出兩相導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)的橢圓運(yùn)動(dòng)形式。

圖7 舞動(dòng)試驗(yàn)機(jī)雙端動(dòng)作過程

圖8 舞動(dòng)試驗(yàn)機(jī)單端運(yùn)動(dòng)軌跡

在疲勞損傷特性測(cè)試模式下，兩側(cè)機(jī)械臂同步調(diào)相向動(dòng)作時(shí)，相間間隔棒在拉伸、壓縮運(yùn)動(dòng)中承受機(jī)械臂的拉壓力，設(shè)置在底座擺臂的法蘭式拉壓雙向傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相間間隔棒受力，并輸出受力曲線，如圖9所示（拉力為正，壓力為負(fù)）。由于相間間隔棒芯棒存在抗拉強(qiáng)度高而抗壓強(qiáng)度低的特性［12］，相間間隔棒在試驗(yàn)機(jī)測(cè)試過程中可以壓縮到其長(zhǎng)度的46%，但不能被拉伸1%，這使得機(jī)械臂在有相間間隔棒的束縛下擺動(dòng)角度減小，減小角度如圖8中φ角所示。φ角代表相間間隔棒在兩端機(jī)械臂動(dòng)作的束縛效果，表現(xiàn)為：φ角越大，相間間隔棒的束縛效果越好，但作用到相間間隔棒兩端金具的載荷隨著增大。

圖9 法蘭式拉壓傳感器輸出的拉力變化曲線

該相間間隔棒舞動(dòng)承載特性模擬測(cè)試系統(tǒng)可以很好地模擬相間間隔棒在舞動(dòng)過程中承受的動(dòng)態(tài)載荷。但鑒于法蘭式雙向測(cè)力傳感器為沿法蘭軸向的單方向測(cè)力，仍需指出：在拉伸運(yùn)動(dòng)過程中，由于相間間隔棒的約束作用，機(jī)械臂無法實(shí)現(xiàn)設(shè)定的拉伸擺動(dòng)角度，但傳感器能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量相間間隔棒所受的拉力；在壓縮運(yùn)動(dòng)過程中，隨著傳感器的軸向與相間間隔棒的軸向夾角逐漸增大，相間間隔棒彎曲越嚴(yán)重，其實(shí)際所受軸向壓力與傳感器測(cè)量值偏差越大，如圖10所示。

圖10 拉力傳感器在相間間隔棒不同彎曲程度下的測(cè)量情況

4 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)相間間隔棒舞動(dòng)條件下機(jī)械承載特性的量化評(píng)估，在對(duì)舞動(dòng)條件下導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)軌跡及相間間隔棒舞動(dòng)受力特征深入分析的基礎(chǔ)上，利用垂直雙臂聯(lián)動(dòng)和雙端協(xié)調(diào)控制技術(shù)，研制開發(fā)了基于載荷等效的相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)動(dòng)作形式與實(shí)際導(dǎo)線舞動(dòng)形態(tài)較為一致，能夠模擬導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)相間間隔棒所受的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等載荷形式，實(shí)現(xiàn)水平、垂直、三角布置形式下相間間隔棒舞動(dòng)承載特性測(cè)量。系統(tǒng)作為相間間隔棒舞動(dòng)承載模擬測(cè)試技術(shù)研究的嘗試，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測(cè)試方法具有一定的借鑒意義。由于壓縮運(yùn)動(dòng)中相間間隔棒實(shí)際所受軸向壓力與傳感器測(cè)量值存在偏差，系統(tǒng)還需后期進(jìn)一步改進(jìn)。