振动测试与分析报告

输电线微风振动测试技术报告任课教师：刘娟组员：2016年6月10日11大跨越输送线路背景线路大跨越是输电线路的重要组成部分，在线路运行过程中具有特殊重要地位。架空电线路经常发生超过允许幅值的微风振动，往往导致某些线路部件的疲劳损坏，如导地线的疲劳断股，金具、间隔棒及杆塔构件的疲劳损坏或磨损等，其中导线疲劳断股是架空送电线路普遍发生的问题，严重时需要将全线路更换为新导线。所有的高压送电线路都受到微风振动的影响，尤其在线路大跨越上，因具有档距大、悬挂点高和水域开阔等特点，使风输给导地线的振动能量大大增加，导地线振动强度远较普通档距严重。2微风振动的原理与波形特点2.1微风振动原理导线的振动是由于风作用于导线而产生的“卡门旋涡”造成的。把一个圆柱体,水平地放在风洞的试验中,并把圆柱体的两端刚性地固定住。如图1所示,当风vs从垂直于圆柱体轴线的方向作用于圆柱体后,在圆柱体的背后将产生旋涡,这种旋涡称为卡门旋涡。旋涡发生在圆柱体背风面处,上下交替地产生,不断地离开圆柱体向后延伸,渐渐消失。由于这种上下交替旋涡的产生,风对于圆柱体的作用除了有一个水平的压力外,在圆柱体上还有一种上下交替的力,在此交变力的作用下圆柱体产生持续振动。图1卡门涡街卡门和司脱罗哈最早研究了旋涡的特性后发现,当出现振动时旋涡有比较稳定的频率fs,常称为司脱罗哈频率或冲击频率,这个交变力的频率与风速,圆柱体的直径有如下关系:2另外，导线之所以能够持续振动其主要是由于同步效应作用的结果。风作用于圆柱体后,由于产生卡门旋涡,根据上式,导线会以一定的频率fs开始振动,如果风对圆柱体产生的冲击频率与圆柱体的固有频率f0相同时,则会引起谐振使作用于圆柱体上的交变冲击力变大,激发圆柱体产生较大振幅的振动。当圆柱体以f0=fs的频率振动后,气流将受到导线振动的控制,导线背后的旋涡将表现为很好的顺序性,其频率也为f0。当风速在一定范围内变化时,(约相应f0的士20%范围),圆柱体的振动频率和旋涡的频率都不变化仍保持为fs,这种现象称为“同步效应”。电线受到微风(1一3级)吹拂时,由于产生卡门旋涡和同步效应(或锁定效应),加之电线振动振幅的自限作用,使得电线产生小振幅的持续振动,即微风振动。电线的振动波形有单一的驻波和行波,最常见的是有由以上二者混合成的拍频波。(1)图所示波来回于档内时能出现这种波形,可观察到某点发生间歇性振动,行波产生的原因可能是由于杆塔振动带动线夹上下振动,一般在振动发生的初期可能出现这种行波。图2行波(2)图3所示当档内具有同样风吹时会产生这种大体上具有相同振幅和频率且波节、波腹位置不变的驻波。3图3驻波(3)图4所示，振幅周期性的由最大值变到最小值,常是行波和驻波迭加的波形,其形成原因可能是在整个档内风速和方向随时间和长度而变化使之出现两个以上不同频率的振动图4拍频波在实际线路上所观察到的微风振动波形很少是纯粹的驻波形式，而常常看到的波形是振幅随时间沿档距有较大变化。按照波形的特点，可分为行波、拍频波及驻波等三种主要形式。大量实测波形说明，架空线微风振动波形通常并非简单的正弦波。实际上常表现为较复杂的波形，波形在时间和空间上变化较大，其中包含了许多谐波成分。3.2建立数学模型，求解波动方程式假设导线两端固定，不计导线刚度和阻尼，这时振动理想化，形成驻波。但实际上，对于标号较大的导线，特别是在线夹出口处，其刚度已经不可忽略，线夹出口处的振动波形与远离线夹处的波形是有一定区别的。在运行线路上由于安装了防振器，而防振器对振动的阻尼是非线性的，振动波沿档向两侧传送后多次反射叠加，加上在一个大档距中，引起振动的风速和激振力在时间和空间上都有所不同，因此到达一个监测点的波头不止一个，形成了振幅和相位各不相同的波形组合。关于拍频波，很可能是不同风速的两个或更多的波头叠加所形成的。若假设导线是一根承受张力完全柔软的弦，即忽略导线的刚度和阻尼，导线共振时可以形成稳定的驻波振动，驻波方程可用下式表示：4电线上各点的速度为：电线上各点的加速度为:导线振动时,弧线上任一点x处的斜率tga为：当x=0时，可得到悬垂线夹出口的振动角为：振动角最大值为:上式中的悬挂点最大振动角“该点振幅与悬挂点的最大动弯应力成比例,故通常是衡量振动严重程度的重要参数。国际上测振统一规定以距线夹出口x=89mm处的振幅A89=yx作为测量振幅的标准,上式的近似值为:以上讨论的只是无阻尼,无刚度的电线振动方程,而实际中的导线是具有一定刚度和自阻尼的,但是由于导线的刚度、自阻尼具有很强的非线性,必须通过实[使用文档中的独特引言吸引读者的注意力，或者使用此空间强调要点。要在此页面上的任何位置放置此文本框，只需拖动它即可。]5验测得,因此,这里尽对导线振动特性的原理做简单推导和分析,其他情况推导的原理类似。3微风振动的测量方法与原理3.1弯曲振幅法3.1.1弯曲振幅法的定义弯曲振幅法(图3)是测取电线距线夹出口89mm处电线相对于线夹的弯曲振幅，以此值大小来测算导线在线夹出口处的动弯应变，作为测量导线振动的标准方法。这个标准是采用相对振幅的测量方法，来衡量导线受微风振动的危害程度，实践证明是测量悬垂线夹处导线振动的实用方法。图6测量原理示意图3.1.2弯曲振幅法的特点基于IEEE标准设计，并采用“正装法”安装使用的现场振动测量仪器，特点是仪器本体采用连接夹具固定在悬垂线夹下部，测振仪传感器探头在距电线与线夹分离点89mm处与电线接触或连接，定时抽样记录该处相对振幅等数据，这种装置仅能实现对悬垂线夹处电线进行测量。动弯应变与弯蓝振幅间的关系方程式如下式子，在小振幅条件下，线夹出口处动应变与89mm处弯曲振幅之间的关系，以下列计算公式表示之；6其中，3.2反装振幅法3.2.1技术背景上述弯曲振幅法广泛用于对悬垂线夹处电线进行测量，但是实践中证实，电线因微风振动而产生断股，断股的部位不仅仅出现在悬垂线夹处，而在电线的其它部位，如阻尼线夹头、防振锤夹头、间隔棒夹头等处，也有防振薄弱环节。但正常安装法对上述部位测试安装困难较大；其次，如果在线夹中衬有橡胶或塑料垫(有些悬垂线夹、间隔棒夹头内设计有减振耗能的橡、塑垫)时，由于吸能元件的作用，使得正常安装法的测试结果可能会无效。正常安装法在使用过程中受到了限制，在这种前提下产生了反装法，它解决了正常安装法所不能解决的问题，从理论到实践，形成了一套符合于IEEE测振标准的完整体系。图7反安装振幅法原理示意图73.2.2定义及特点基于IEEE标准设计，并采用“反装法”安装使用的的现场振动测量仪器，特点是将测振仪直接安装于电线上，测振仪的夹具距离电线与线夹分离点89mm，测振仪传感器探头与该分离点接触，自动抽样记录相对振幅等数据。相对振幅是基于两点的相对振幅，一点为导线与线夹的最末接触点3，另一点为距3点89ram处的点4，测振仪夹具直接安装于该点4，3与4点的相对横向振幅Ya妒一P)即为反装振幅，或倒装振幅。优点：(1)安装简单，直接安装于电线上，无需在悬垂线夹上考虑仪器的安装；(2)不仅用于悬垂线夹处测量，还可以用于测量内部可能衬有橡胶或塑料垫的阻尼线夹头、防振锤夹头、间隔棒夹头处的振幅；(3)能灵活用于护线条端部处的振幅测试。动弯应变与倒装振幅的关系：倒装振幅与动弯应变之间有一定比例关系，通过转换同样可以得出动弯应变，该关系式如下：图8监测设备安装示意图4数据收集与分析8图9线夹处最大弯曲振幅与频率关系曲线图10线夹处振动次数与频率关系曲线最大弯曲振幅、振动次数与频率的关系曲线见图9和图10，图中可以看出频率在44-45Hz时的振动强度最大，且振动次数最多，但弯曲振幅曲线均在安全范围下。9图112~4月动弯应力应力分布图图121~4月风速分布图图11及图12为利用弯曲振幅法测得信号进行分析所得到的几个月份的最大动弯应力分布图及所测输电线位置的风速分布试件图。结合多个月的最大动弯应力分布情况及输电线的疲劳破坏情况可对这两者的关系进行定量研究，分析输电线所处位置的风速分布图可以对输电线的防振方案的提出提供参考。5总结通过本次微风振动测试分析技术的调研分析，我们了解到输电线微风振动测试技术对输电线的送电安全具有不可忽视的作用，对电线振动的数据收集可以为输电线的选线、安装以及防振技术的研究提供指导性意见，也可通过对输电线线夹出的疲劳破坏提供警报，进而达到为电力安全运输保驾护航的目的。