0 引言

近年来，我国输电网的发展极为迅速，尤其是西部地区的架空输电线路长度大幅增加。由于西北地区海拔高，架空线上很容易形成覆冰，覆冰后的架空线在风作用下极易产生振动和舞动。微风振动是在垂直风向振动，会导致架空线疲劳断股、绝缘子和金属零件损坏等。架空线的舞动会导致线路跳闸、停电、断线倒塔等严重事故，造成重大经济损失^[1]。随着科技的进步，架空线的振动和舞动研究已经有了很大的进展^[2]，但仍存在防舞动效果不理想，架空线的舞动监测不到位等问题。

本文在现有研究的基础上，结合架空线微风振动和舞动产生的原因，将间隔棒与防舞器进行整合，利用液力缓冲和电涡流消耗等对防舞器进行优化改进，设计了组合式防舞器，以有效消除架空线微风振动和舞动，并在组合式防舞器上加装监测系统，对架空线的振动和舞动进行实时监测^[3-4]。

1 微风振动和舞动产生的原因 1.1 微风振动产生的原因

微风振动是架空线在持续时间较长的微风（风速0.5~10 m/s）作用下产生的垂直方向高频低幅的振动，振动频率通常为5~120 Hz；振幅较小，一般在架空线直径的3倍以下。如图 1所示，当稳定气流流过圆柱体（电缆）时，在圆柱背面会产生漩涡，架空线上下会产生压降，使架空线有向上或向下的压力，形成卡门涡街效应，漩涡计算见公式（1）^[5-7]：

(1)

式中 f_s—漩涡频率，Hz；

v—风速，m/s；

d—圆柱体直径，mm；

s—斯托罗哈常数，一般取200。

一般情况的微风是不会引起架空线振动的，只有当架空线的固有频率与卡门漩涡的频率相同时，产生共振，才会出现微风振动。当风速增大到一定速度后，架空线不会随着风速的增大而增大^[8]。

1.2 舞动产生的原因

架空线舞动是一种高幅低频的振动，属于振动的一种特殊情况，当架空线的舞动频率与架空线本身的固有频率存在谐振效应时，架空线的舞动振幅将会很大。

一般架空线的舞动是由于在架空线上形成一层断面带翼型的筒状覆冰导致的^[9-10]。当风垂直作用于架空线时，风对架空线的力可分为水平方向和垂直方向，由于翼型覆冰的存在，对架空线产生向下的力，架空线会向下运动；当架空线的张力达到最大并通过平衡点后，在架空线张力的作用下，架空线会向上运动，运动至最高点后，在重力的作用下，架空线下落。这样架空线就形成了弹簧效应，在风的水平作用力下形成舞动^[11-12]。

2 组合式防舞器结构与工作原理 2.1 整体结构

组合式防舞器主要包括连接线夹、机架和耗能装置，连接线夹与机架与现有的设备相似，耗能装置主要通过滚动流体力学、电涡流和液力缓速进行耗能^[10]。组合式防舞器结构如图 2所示。

图 3为耗能装置结构图，包括壳体、储油室、带有石墨尼龙保护壳的稀土永磁体、密封圈、散热油管和比例调节阀。

2.2 耗能装置工作原理

耗能装置功能主要包括滚动流体力学吸能、电涡流耗能和液力缓速耗能。

2.2.1 滚动流体力学吸能

滚动流体力学吸能是通过稀土永磁体在惯性作用下与储油室中的液体发生相对运动，相当于稀土永磁体对液体进行做功，达到耗能的目的。

2.2.2 电涡流耗能

电涡流耗能是利用涡流制动原理，即电磁感应制动原理进行耗能^[12]（图 4），即在水平面上固定1块铝板，当一竖直方向的条形磁铁在铝板上方几毫米高度处水平经过时，铝板内感应出的涡流会对磁铁的运动产生阻碍作用。

为了增加耗能效果，将单个磁铁换成若干个并在一起的永磁铁组，如图 5所示，2个相邻磁铁的磁极相反，以有效增加耗能效果^[13]。

2.2.3 液力缓速耗能

液力缓速耗能是利用液力阻尼产生耗能^[14]。工作时，利用比例调节阀控制储油室内的压力，在稀土永磁的挤压作用下，储油室的压力增加，当压力达到规定值时，介质会通过细小的散热管进行散热，达到耗能的目的。

实际应用中，当架空线在垂直方向抖动时，组合式防舞器连接线夹中的阻尼垫圈被压缩，吸收架空线的能量，同时，每个档距中有多个组合式防舞器对架空线的振动进行吸能除振^[15]。当架空线振动幅度增大发生舞动时，耗能装置开始工作，主要通过稀土永磁的惯性，使之与壳体发生相对运动，以达到耗能的目的。

2.3 实时监测装置

架空线的实时监测装置主要包括传感器和信号传输模块。监测架空线舞动的传感器主要有加速度传感器和水平传感器，通过对2个传感器的数据进行对比分析可以得到架空线的运动状态。

2.3.1 主要架构

实时监测装置以GPRS无线网络通信模块（图 6）为主体，结合传感器技术、电子技术、单片机技术和计算机技术，并应用无线传输网络和互联网通信技术，实现了远距离实时传输数据的功能^[16]。

2.3.2 应用软件

实时监测装置采用LABVIEW编写服务器及远程客户端数据访问软件及客户端数据处理软件，采用UDP访问模式，实现了远程客户端与网络服务器之间的数据通信。客户端软件部分同时具有“互联网通信”和“局域网通信”模式，可在不同的应用环境中运行^[17-18]；并可实时显示采集的传感器信号，实现本地数据存储等。

3 模拟应用试验

在实际环境中，组合式防舞器轨迹近似椭圆轨迹。为了模拟架空线舞动效果，进行了FLUENT仿真分析并设计了机械结构^[19-20]。该机械结构由2台电动机、电动机支架、变频器以及导线传动装置组成。通过调节变频器频率来改变电动机的转速及试验导线舞动的频率。

根据仿真分析计算，确定试验用防舞器主要参数如表 1所示。

按照正交试验方法设计试验，在不同储油室容积比例下，选取稀土永磁质量、比例阀开启量为试验因素，每个因素取3个电压等级，每组试验时间为30 s；试验过程中风较大，从测试数据看，在电动机静止的情况下，仍然有舞动幅值，且随着风速的改变幅值大小也随之改变，幅值变化在2.0~8.0 cm。选取水平往复运动中的最大位移为测量值，并取平均值作为正交试验输出指标，试验结果见表 2。

通过正交试验结果可知防舞器试验模型结构参数、密封性能试验均可满足设计要求。架空线未安装防舞器前水平位移约为90 cm，由表 2中水平位移结果可知，组合式防舞器对架空线舞动的抑制作用效果较好，达到了30%以上。

4 结语

通过试验证明组合式防舞器利用3种方式的耗能可以有效抑制架空线的舞动，进而保证电网的安全运行。通过无线网络对架空线的舞动进行实时监测，可以提前对架空线进行保护及安全预防，为架空线的检修维护提供可靠的数据及支持。