戴 鑫，金福銘，段 意，王璋奇

（1. 華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2. 內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 包頭供電局，內(nèi)蒙古 包頭 014030）

0 引言

架空輸電線路是電力輸送的重要設(shè)施。架空線長期處于野外，經(jīng)常因受區(qū)域氣候的影響而發(fā)生小振幅、高頻率的微風(fēng)振動。如果架空線的自阻尼不佳，則容易導(dǎo)致線路疲勞斷股、金具損壞等嚴(yán)重故障，給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大威脅[1-3]。架空地線的疲勞斷股是輸電運(yùn)行維護(hù)的重點(diǎn)對象之一。在地形平坦的草原地區(qū)，微風(fēng)振動引起的地線疲勞斷股現(xiàn)象嚴(yán)重[4]。由于地線具有多股結(jié)構(gòu)，常規(guī)巡檢不易發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部斷股；內(nèi)部斷股效應(yīng)長期的積累，會引發(fā)地線斷裂。

國內(nèi)外關(guān)于線路的微動疲勞研究大多集中在導(dǎo)線問題上。實際上，架空地線的張力大、弧垂小，其微動疲勞失效問題比導(dǎo)線問題的后果更為嚴(yán)重。地線的斷股或斷線事故[5]，會影響整條線路的正常運(yùn)行；若地線斷線掉落在導(dǎo)線上，后果更加嚴(yán)重。因此，對地線微動斷股進(jìn)行研究十分必要。

文獻(xiàn)[6]對能量平衡法進(jìn)行了改進(jìn)，使能量平衡法可以考慮更多的影響因素以提高求解精度。文獻(xiàn)[7]基于導(dǎo)線系統(tǒng)的小阻尼特性，得到了局部周期激勵下長柔導(dǎo)線波動的格林函數(shù)解，分析了激勵位置對架空導(dǎo)線波動特性的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[8]基于防振錘設(shè)計參數(shù)，建立了防振錘的數(shù)學(xué)分析模型，給出了“參數(shù)在合適的范圍內(nèi)，防振錘具有更好的防振效果”的結(jié)論。以上文獻(xiàn)從理論研究的角度對輸電線路微風(fēng)振動進(jìn)行了分析；但憑借理論分析進(jìn)行防振設(shè)計過程復(fù)雜，計算量較大，且目前尚沒有成熟的輔助設(shè)計系統(tǒng)能快速對架空地線的防振錘進(jìn)行配置設(shè)計和結(jié)果校驗。因此，有必要開發(fā)架空地線防振錘配置設(shè)計軟件，實現(xiàn)地線防振錘系統(tǒng)微風(fēng)振動的特征參數(shù)分析，以提高防振方案設(shè)計效率。

本文采用能量平衡法分析架空地線微風(fēng)振動特征參數(shù)及線夾出口處的動彎應(yīng)變，并根據(jù)架空地線防振錘配置的需求規(guī)劃了架空地線防振錘配置分析軟件的功能，設(shè)計了軟件的工作流程。所研制的配置系統(tǒng)：具有相關(guān)工程參數(shù)的數(shù)據(jù)庫管理功能，可直接從相關(guān)數(shù)據(jù)庫中調(diào)用配置分析所需要的數(shù)據(jù)和資料；可以根據(jù)不同的工程參數(shù)，對每個檔所需要的防振錘個數(shù)、安裝位置等進(jìn)行自動配置，并計算架空地線振動幅值及關(guān)鍵點(diǎn)動彎應(yīng)變值；可以對配置方案的防振效果進(jìn)行校驗評估。

1 地線防振錘配置設(shè)計的理論基礎(chǔ)

以能量平衡法為基礎(chǔ)進(jìn)行地線防振錘系統(tǒng)的分析計算。

能量平衡法的思想是，風(fēng)輸入地線的能量與地線防振錘系統(tǒng)消耗的能量相等。利用這一原理計算系統(tǒng)的平衡振幅，如式（1）所示。

式中：PW為風(fēng)輸入的能量；PC為地線自阻尼功耗；PD為防振方案耗能。

能量平衡法的關(guān)鍵在于確定風(fēng)輸入地線的功率、地線自身消耗的功率以及防振錘消耗的功率。

1.1 風(fēng)能輸入功率計算

國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)能的輸入計算做了大量的研究工作。目前，應(yīng)用較多的是 Diana&Falco提出的風(fēng)載輸入功率表達(dá)式[9]，如式（2）所示。

式中：a1—a5是通過擬合試驗數(shù)據(jù)得到的系數(shù)；A0為地線波幅處的單振幅；D為地線直徑。Diana&Falco導(dǎo)出的常數(shù)a1—a5的取值分別為-1.470 6，-521.16，-1 150.8，-1 380.3，-717.91，-134.75。

1.2 地線自阻尼功率計算

架空地線自阻尼功率是指地線在振動的過程中自身消耗的功率。架空地線自阻尼功率的大小與架空地線振動有直接關(guān)系。自阻尼功率越大，地線的防振效果越好。對于單根地線的自阻尼，多采用文獻(xiàn)[10]提出的架空線自阻尼功率表達(dá)式：

式中：y為雙振幅，y=2A0；kS為最大彎曲剛度折減系數(shù)，可取kS=0.5；kD為經(jīng)驗因數(shù)，地線可取0.65；VC為架空地線的波速，跟懸鏈線常數(shù)C有關(guān)，g為重力加速度；Eeq為等效彈性模量，可由式（4）近似計算：

式中：Ee，Ae分別為架空地線外層線股的彈性模量及截面積；Ec，Ac分別是架空地線核心線股的彈性模量及截面積；kE是校正系數(shù)，鋼絞線取0.70。

1.3 防振錘消耗功率計算

防振錘通過線夾連接在地線上。當(dāng)?shù)鼐€發(fā)生微風(fēng)振動時，地線振動的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為錘頭振動的機(jī)械能，一部分轉(zhuǎn)化為鋼絞線線股之間的摩擦熱能，從而抑制了架空地線的振動，達(dá)到防振的作用。

文獻(xiàn)[11]采用波的形式推導(dǎo)了防振錘的消耗功率：利用“防振錘消耗的波能量等于入射至防振錘的波能量與反射波的能量之差”這一原理，得到了防振錘消耗功率的振幅表達(dá)式：

式中：EI為架空地線的抗彎剛度：T為架空地線的張力；m為架空地線單位長度質(zhì)量；A為地線波幅處的單振幅；ω為振動頻率；cij(i=1,2;j=1,2)為防振錘的機(jī)械阻抗。

2 配置分析軟件的設(shè)計

2.1 配置分析軟件的功能

架空地線防振錘配置軟件涉及多種類型架空地線及防振錘的參數(shù)數(shù)據(jù)、防振錘配置設(shè)計、振動計算理論運(yùn)用、圖形顯示及評估報告輸出，是多學(xué)科知識交叉綜合運(yùn)用的復(fù)雜系統(tǒng)。

本軟件以架空線路微風(fēng)振動的能量平衡法為理論依據(jù)，分析架空地線微風(fēng)振動的特征參數(shù)以及線夾出口處的動彎應(yīng)變。本軟件采用PyQt語言編程實現(xiàn)。軟件功能邏輯關(guān)系如圖1所示。

圖1 軟件功能邏輯關(guān)系圖Fig. 1 Software function logic diagram

第一層為人機(jī)交互層，主要實現(xiàn)人機(jī)對話功能，以及與邏輯層的數(shù)據(jù)交換。第二層為業(yè)務(wù)邏輯層，實現(xiàn)與交互層和拓展層的數(shù)據(jù)調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞。第三層為業(yè)務(wù)拓展層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫操作、數(shù)據(jù)計算、方案設(shè)計等功能。

在數(shù)據(jù)庫操作環(huán)節(jié)中，可實現(xiàn)地線參數(shù)、防振錘參數(shù)及方案數(shù)據(jù)庫的管理，配置設(shè)計及評估分析時的數(shù)據(jù)調(diào)用、傳遞以及數(shù)據(jù)的操作功能。

防振錘配置設(shè)計環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)根據(jù)用戶輸入的線路參數(shù)，自動為用戶設(shè)計出地線微風(fēng)振動防振錘配置方案，給出安裝防振錘型號、數(shù)量及位置，并將配置方案保存到方案數(shù)據(jù)庫中，以方便在方案評估環(huán)節(jié)分析中直接調(diào)用。

方案評估分析環(huán)節(jié)中，系統(tǒng)利用方案包含的各項參數(shù)，結(jié)合能量平衡法，對選定方案進(jìn)行評估：給出地線最大振幅、動彎應(yīng)變及幅值風(fēng)速等計算結(jié)果；分析選定方案對地線微風(fēng)振動的抑制效果。

2.2 軟件的工作流程設(shè)計

架空地線防振錘配置分析軟件工作流程如圖 2所示。首先，通過人機(jī)交互界面輸入架空地線的型號及檔距等工程參數(shù)；系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)計算未安裝防振錘時地線振動的頻率、幅值及動彎應(yīng)變等參數(shù)。隨后，軟件根據(jù)輸入的工程參數(shù)，依據(jù)規(guī)范對安裝防振錘的型號、個數(shù)及安裝位置等進(jìn)行初步設(shè)計，并調(diào)用相關(guān)參數(shù)對配置后的地線防振錘系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)果校核，確定地線系統(tǒng)的動彎應(yīng)變是否符合要求。若參數(shù)符合要求，則保存結(jié)果，導(dǎo)出校核報告；若不符合要求，則重新調(diào)整配置方案，直至滿足要求。此外，為滿足用戶的多樣化需求與操作，系統(tǒng)允許用戶自行將設(shè)計方案添加到方案設(shè)計庫中，并可直接調(diào)用方案進(jìn)行地線防振錘配置結(jié)果的計算與校驗。

圖2 軟件流程圖Fig. 2 Software flow chart

2.3 配置分析軟件的功能實現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)管理功能的實現(xiàn)

在架空地線防振錘配置分析軟件中，工程數(shù)據(jù)與資料數(shù)據(jù)庫的功能是數(shù)據(jù)存儲與調(diào)用。軟件主要采用Python語言調(diào)用sqlite庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的建立；通過對數(shù)據(jù)的讀取與操作，實現(xiàn)不同功能模塊之間的配合。該功能實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)管理流程圖Fig. 3 Flow chart of data management

（2）防振錘配置功能的實現(xiàn)

以圖4所示配置功能實現(xiàn)的流程圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行防振錘配置功能的程序編制，實現(xiàn)架空地線防振錘的自動配置設(shè)計，為用戶推薦地線防振錘的配置方案。

圖4 配置功能流程圖Fig. 4 Flow chart of configuration function

（3）評估分析功能的實現(xiàn)

采用能量平衡法對方案進(jìn)行評估分析，計算出重要參數(shù)，評估方案對地線微風(fēng)振動的抑制效果，功能實現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 評估功能流程圖Fig. 5 Flow chart of evaluation function

3 防振錘配置軟件的工程應(yīng)用

系統(tǒng)運(yùn)行的主窗口局部如圖6所示。本文以GJ-50型地線、400 m檔距的某高壓架空地線為例，進(jìn)行工程應(yīng)用分析。

圖6 軟件主窗口界面（局部）Fig. 6 Main window (part)

由圖6可知，配置防振錘后，相同風(fēng)速作用下地線振動幅值顯著降低，明顯小于配置前地線振動幅值，配置防振錘對地線微風(fēng)振動有較好的抑制效果。配置防振錘后地線最大振幅由13.03 mm減至2.45 mm。動彎應(yīng)變允許值一般為150με，配置防振錘后，地線動彎應(yīng)由211.13με減小為91.27με，達(dá)到允許值要求，這表明：系統(tǒng)設(shè)計出的方案滿足工程要求。

4 結(jié)論

采用PyQt開發(fā)語言，設(shè)計了架空地線防振錘配置分析軟件。該軟件具有良好的圖形用戶交互界面，實現(xiàn)了工程參數(shù)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新與管理功能，可以根據(jù)不同的工程參數(shù)對架空地線的防振錘配置進(jìn)行快速自主設(shè)計，減輕了工程設(shè)計人員的工作量，提高了防振方案的設(shè)計效率。