齊 翼，芮曉明，尹 泉，張 昭，姬昆鵬

（1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192）

大截面導(dǎo)線是以多根鍍鋅鋼芯或鋁合金線為芯，外部同心螺旋絞多層硬鋁線，導(dǎo)體標(biāo)稱截面不小于800 mm2的導(dǎo)線。國外大截面導(dǎo)線的應(yīng)用主要集中在日本、美國等國家。美國于20世紀(jì)60年代在太平洋聯(lián)絡(luò)線應(yīng)用了2×1 170 mm2導(dǎo)線。日本采用大截面導(dǎo)線最多，500 kV導(dǎo)線的截面已達(dá)4×1 520 mm2、6×810 mm2，1 000 kV采用8×810 mm2、8×960 mm2導(dǎo)線。近年來，巴西也開始在大容量的直流輸電線路上研制和應(yīng)用1 170 mm2以上大截面導(dǎo)線[1]。我國自2008年起開展大截面導(dǎo)線及配套金具、施工工藝、施工機(jī)具等技術(shù)的研究工作，先后完成了4層結(jié)構(gòu)900、1 000、1 250 mm2大截面導(dǎo)線的研制及工程應(yīng)用工作，并先后在特高壓直流工程中得到應(yīng)用：錦屏-蘇南工程采用6×900 mm2導(dǎo)線；哈密南-鄭州工程采用6×1 000 mm2導(dǎo)線；靈州-紹興、酒泉-湖南工程采用6×1 250 mm2導(dǎo)線；錫盟-泰州、晉北-江蘇、上海廟-山東等工程采用8×1 250 mm2導(dǎo)線。

架空導(dǎo)線在風(fēng)力作用下容易誘發(fā)微風(fēng)振動，長期的微風(fēng)振動容易導(dǎo)致導(dǎo)線疲勞斷股及金具損傷[2]。大截面導(dǎo)線的應(yīng)用滿足了大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗輸電技術(shù)的要求，但由于其檔距大、掛點(diǎn)高、迎風(fēng)面大等特點(diǎn)，在運(yùn)行過程中需要更加注重微風(fēng)振動等方面的問題。風(fēng)輸給導(dǎo)線的能量需要由導(dǎo)線自身吸收，因此，掌握導(dǎo)線自身吸收振動能量的特性——導(dǎo)線自阻尼特性是導(dǎo)線系統(tǒng)防振設(shè)計的重要環(huán)節(jié)[3]。本文以1 250 mm2系列大截面導(dǎo)線為研究對象，通過試驗研究，給出了各型導(dǎo)線的自阻尼表達(dá)式。對于全面掌握大截面導(dǎo)線性能、支撐導(dǎo)線防振設(shè)計以及指導(dǎo)大截面導(dǎo)線的運(yùn)行與維護(hù)都具有重要意義。

1 導(dǎo)線自阻尼機(jī)理及表達(dá)式

1.1 自阻尼機(jī)理

導(dǎo)線的自阻尼特性反映的是導(dǎo)線在不同振動狀態(tài)下（不同振動頻率、振動幅度）消耗振動能量的能力，它是一種結(jié)構(gòu)或一種材料的固有特性，主要由三方面構(gòu)成：

（1）線股材料的遲滯阻尼，即每根線股內(nèi)部的能量損耗；

（2）線股之間發(fā)生滑移時，各線股接觸面處的摩擦作用所引起的能量損耗；

（3）導(dǎo)線運(yùn)動時與空氣之間的粘滯摩擦所引起的能量損耗。

其中，第二方面是導(dǎo)線自阻尼作用的主要部分。導(dǎo)線自阻尼受導(dǎo)線材料、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線張力等因素的影響。

1.2 自阻尼表達(dá)式

可以將導(dǎo)線自阻尼表示成式（1）的形式

式中：系數(shù)α、β為與f相關(guān)的表達(dá)式；f為導(dǎo)線振動頻率/Hz；D為導(dǎo)線外徑/mm；Y為導(dǎo)線波腹雙振幅/mm。

由于α、β十分復(fù)雜，國際上尚無理論計算方法可以對其進(jìn)行求解，因此必須通過試驗測定。

2 導(dǎo)線自阻尼試驗

2.1 試驗方法

導(dǎo)線自阻尼試驗采用功率法[4]。試驗要求在導(dǎo)線諧振條件下進(jìn)行，因自阻尼很小，系統(tǒng)不易穩(wěn)定，所以試驗中必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)的諧振條件，并保持穩(wěn)定振動。

依據(jù)試驗要求，建立了導(dǎo)線自阻尼試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由導(dǎo)線張拉及固定裝置、導(dǎo)線激振裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)等部分組成。自阻尼試驗檔布置如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線自阻尼試驗檔布置示意圖

將導(dǎo)地線按要求的張力架設(shè)在試驗檔上，在試驗檔的一端利用激振器激振導(dǎo)線，模擬不同頻率的微風(fēng)振動，用傳感器測量激振力、激振速度、導(dǎo)線波腹振幅以及線夾出口處的動彎應(yīng)變等參量，最終通過數(shù)據(jù)處理分析軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，給出導(dǎo)線自阻尼解析表達(dá)式[5-7]。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

試驗過程中通過改變諧振頻率，并在每個諧振頻率下測量導(dǎo)線振幅及對應(yīng)的功率，均可得到一組自阻尼試驗數(shù)據(jù)。自阻尼試驗數(shù)據(jù)的處理采用回歸計算的方法。

對自阻尼表達(dá)式（1）兩邊取對數(shù)，有

利用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，在雙對數(shù)坐標(biāo)下可以繪制出各頻率下的自阻尼特性曲線，該曲線是一組以α為斜率，β為截距的直線。如圖2所示。

圖2 1250/70導(dǎo)線（圓線）自阻尼功率特性曲線

其中，對于不同諧振頻率，直線的斜率和截距均不相同，故α和β均可表示為諧振頻率f的函數(shù)。那么，在特定頻率下，對于曲線上的2個點(diǎn)(Y1/D，P1)和(Y2/D，P2)，可以將曲線斜率α表示為

求得不同頻率下的α后，可將其擬合成關(guān)于振動頻率f的曲線。

求得α后，將其代入式（2），可求解各頻率下的β值，并將其擬合為關(guān)于振動頻率f的曲線。

為更精確地表達(dá)α和β的值，可根據(jù)實測的數(shù)據(jù)規(guī)律將其擬合為一次或二次表達(dá)式。

3 1 250 mm2系列導(dǎo)線自阻尼試驗結(jié)果

3.1 試驗樣品

1 250 mm2系列大截面導(dǎo)線包含5個具體型號，包括圓線及型線2種類型，自阻尼試驗針對每種型號的一件樣品進(jìn)行。具體試件型號如表1所示。

表1 五種1 250 mm2系列導(dǎo)線型號

3.2 1 250 mm2系列導(dǎo)線自阻尼表達(dá)式

經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)的處理，得出1 250 mm2系列導(dǎo)線的自阻尼特性表達(dá)式。表達(dá)式形式如公式（1），其中的系數(shù)α、β為與f相關(guān)的表達(dá)式，如表2所示。

3.3 1 250 mm2圓線自阻尼特性對比分析

1 250 mm2系列大截面導(dǎo)線中包含2種圓線、3種型線，2種圓線分別為JL1/G3A-1 250/70-76/7和JL1/G2A-1 250/100-84/19。為比較2種圓線自阻尼特性的差別，將兩者自阻尼頻響特性繪于同一坐標(biāo)系下，如圖3所示。

從2種圓線自阻尼試驗結(jié)果的對比來看：

（1）2種導(dǎo)線在25 Hz及以上的振動頻率下，懸垂線夾出口處導(dǎo)線的動彎應(yīng)變水平相當(dāng)，即振動強(qiáng)度相當(dāng)，說明在該振動頻率范圍內(nèi)，2種導(dǎo)線的阻尼特性相當(dāng)。

（2）2種導(dǎo)線在25 Hz以下的振動頻率下，1 250/100導(dǎo)線的在懸垂線夾出口處的動彎應(yīng)變水平較1 250/70導(dǎo)線總體來說較低，尤其是在15 Hz左右，1 250/100導(dǎo)線的動彎應(yīng)變明顯低于1 250/70導(dǎo)線，說明1 250/100導(dǎo)線在低頻下的組尼特性優(yōu)于1 250/70導(dǎo)線。

圖3 無防振方案時1 250/70與1 250/100圓線頻響特性比較曲線

（3）總體而言，單線股數(shù)較多的1 250/100導(dǎo)線的阻尼性能優(yōu)于單線股數(shù)較少的1 250/70導(dǎo)線。

3.4 1 250 mm2型線自阻尼特性對比分析

1 250 mm2系列大截面導(dǎo)線中3種型線分別為JL1X1/G3A-1 250/70-431、JL1X1/G2A-1 250/100-437和JL1X1/LHA1-800/550-452。同樣，為比較3種型線自阻尼特性的差別，將三者頻響特性繪于同一坐標(biāo)系下，如圖4所示。

圖4 無防振方案時1 250/70、1 250/100及800/550型線頻響特性比較曲線

從3種型線自阻尼試驗結(jié)果的對比來看：

（1）從懸垂線夾出口處導(dǎo)線的動彎應(yīng)變水平來看，3種型線自阻尼特性的排列順序為：1 250/100＞1 250/70＞800/550，“＞”表示“優(yōu)于”。

表2 5種1 250 mm2系列導(dǎo)線自阻尼系數(shù)表達(dá)式

（2）被試驗的1 250/100型線的阻尼特性非常好，所有振動頻率下的導(dǎo)線應(yīng)變水平均在許用應(yīng)變以下，即使不安裝防振裝置也能保證導(dǎo)線的安全運(yùn)行。

（3）1 250/70及800/550兩種型線的阻尼特性也較好，僅在低頻情況下略高于許用應(yīng)變，方振設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)考慮低頻振動的防護(hù)。

3.5 圓線與型線自阻尼特性的對比分析

圓線與型線在自阻尼特性上存在一定的差異，為比較五種1 250 mm2大截面導(dǎo)線自阻尼特性，將五種導(dǎo)線的頻響特性繪于同一坐標(biāo)系下，如圖5所示。

從懸垂線夾出口處導(dǎo)線的動彎應(yīng)變水平來看，五種導(dǎo)線自阻尼特性的排列順序為：1 250/100（型線）＞1 250/70（型線）＞800/550（型線）＞1 250/100（圓線）＞1 250/70（圓線），“＞”表示“優(yōu)于”?？傮w而言，型線自阻尼特性優(yōu)于圓線自阻尼特性。另外，綜合考察五種導(dǎo)線，除1250/100（型線）在全部振動頻率范圍內(nèi)均滿足許用應(yīng)變的要求外，其他四種導(dǎo)線僅在低頻振動時超出許用應(yīng)變的范圍，而對于30 Hz以上的頻率均滿足許用應(yīng)變的要求，因此，1 250 mm2大截面導(dǎo)線微風(fēng)振動的重點(diǎn)防護(hù)頻率范圍為30 Hz以下。

3.6 1 250 mm2大截面導(dǎo)線與1 000 mm2大截面導(dǎo)線自阻尼特性的對比分析

在1 250 mm2大截面導(dǎo)線出現(xiàn)之前，常規(guī)線路中截面最大的導(dǎo)線是1 000 mm2導(dǎo)線。為比較兩類大截面導(dǎo)線阻尼特性的差別，選取1 250/70、1 250/100、1 000/45和1 000/80四種導(dǎo)線，將上述導(dǎo)線無防振方案狀態(tài)下的頻響特性繪于同一坐標(biāo)系下，如圖6所示。

從上述自阻尼試驗結(jié)果的對比可以看出：同等張力條件下（25%RTS），同等截面型式（圓線）的1 250 mm2導(dǎo)線的阻尼性能要優(yōu)于1 000 mm2導(dǎo)線的阻尼特性。

圖6 無防振方案時1 250 mm2導(dǎo)線與1 000 mm2導(dǎo)線頻響特性比較曲線

4 結(jié)語

本文給出了基于微風(fēng)振動模擬試驗測量導(dǎo)線自阻尼的試驗條件及試驗方法，對五種1 250 mm2系列大截面導(dǎo)線分別進(jìn)行了自阻尼特性試驗，給出了1 250 mm2系列大截面導(dǎo)線的自阻尼表達(dá)式及頻響特性曲線，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得出以下結(jié)論。

（1）對于圓線而言，股數(shù)較多的1 250/100導(dǎo)線的阻尼性能優(yōu)于股數(shù)較少的1 250/70導(dǎo)線。

（2）對于型線而言，型線部分截面較大的1250/70和1 250/100導(dǎo)線的阻尼性能優(yōu)于型線部分截面較小的800/550導(dǎo)線。

（3）總體而言，型線的阻尼性能優(yōu)于圓線的阻尼性能。

（4）1 250 mm2大截面導(dǎo)線微風(fēng)振動的重點(diǎn)防護(hù)頻率范圍為30 Hz以下。

（5）1 250 mm2大截面導(dǎo)線的阻尼性能優(yōu)于1 000 mm2大截面導(dǎo)線。