新型形状记忆合金间隔棒防舞研究与试验
2022-06-09
摘 要：本试验项目名称为500 kV紧凑型线路抗振相间间隔棒研制。为了减小输电线路舞动带来的危害，本实验基于形状记忆合金（NiTi）的优良属性，在传统间隔棒上加装合金丝与钢球组合构成新型间隔棒，研制出了一种新型形状记忆合金相间间隔棒。在实验室模拟不同频率振幅下的舞动实验，对两种相间间隔棒的减振效果进行数据采集，对采集到的数据分析对比，比较新型相间间隔棒与普通相间间隔棒的减振效果，得出新型相间间隔棒减振效果更佳，对新型相间间隔棒内部合金丝与钢球组合结构进行调整（合金丝直径、钢球的质量）优化新型相间间隔棒，得到减振效果最佳的相间间隔棒。
关键词：记忆合金;间隔棒;阻尼器;振幅;减振
中图分类号：TM753 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0044-02
1 概 述
在输电线路上，导线往往随着风的吹动而摆动，特别是当导线距离地面较高、风速较大并且持续作用时，风不断的给输电线路输入能量，而导线系统则是通过摆动来散发这种能量，久而久之达到一种平衡状态而产生一种低频大振幅的摆动，这种摆动就是我们通常所说的舞动。舞动对输电线路的危害是相当大的，轻则导线疲劳断股、金具受损、重则发生输电线路倒塔事故，给国家带来严重的资产损失。其中常见的解决方式是安装相间间隔棒，传统的间隔棒可以有效的预防一些小型线路发生舞动造成的事故。然而随着近些年来大跨越输电线路的不断增加，传统的相间间隔棒已经渐渐不能满足需求。
形状记忆合金（镍钛）是一种新型的智能材料，因为它特有的形状记忆、超弹性、高阻尼特性、抗腐蚀、抗疲劳等一系列优良属性，生物医学、机械、电子和航空等领域得到大量的应用。其超弹性可恢复应变高达6%～8%，屈服应力在400～500 MPa，与钢才相当。当其极限强度超过1 000 MPa，极限变形高达20%，远远高于一般的金属物。利用形状记忆合金超弹性效应制成的耗能器与其他金属耗能器相比使用周期长，不但可以满足输电线路上要求的力学性能（承受较大的变形能力），而且还能满足长期户外使用的耐久性（抗疲劳、抗腐蚀），能够克服其他类型阻尼器面临的老化、可靠性低，维护费用高及残余变形大等问题。本实验就是以形状记忆合金丝（材料为镍钛）的这些特性研制了一种结构形式简单、耗能能力极强的新型相间间隔棒。在工程应用中具有广阔的发展前景。
2 新型合金丝间隔棒工作原理
当导线发生舞动时，随着导线的大幅摆动会带动相间间隔棒振动，其中相间间隔棒的耗能途径包括两部分，一部分是连接两个间隔棒之间的绝缘子串通过绝缘子串自身拉、压、弯、扭的摆动方式耗能。另一部分是靠间隔棒内部合金丝阻尼器耗能。由于输电线路发生舞动时会带动间隔棒内部钢球也振动，钢球振动的同时带动合金丝不断的拉伸、收缩以此消耗能量。由于合金丝自身的超弹性特性，屈服应力在400～500 MPa与钢材相当，即使很小的变形也会消耗巨大的能量，因此有着显著的减振效果。
3 实验布置
本试验项目名称为500 kV紧凑型线路抗振间隔棒研制。实验是在东北电力大学国家重点实验室DXZ-1型输电导线及金具多功能试验系统上进行的，该系统之前承担过多项科技项目的试验研究任务，并为多家科研院所和企业提供技术服务。本系统主要技术指标：可模拟架空输电线路实际运行状态下的垂直振动（微风）、顺线振动（顺线风）、水平振动（横向风）、扭转振动（导线舞动）等各种振动工况。本试验研究的是43 m档距两相输电线路，整条线路均是严格按照架空输电线路设计规范设计。导线型号为LGJ-400/35，直径26.82 mm，截面积564.66 mm2，综合弹性模量6.5*1 010 Pa，其中两间隔棒之间选用复合绝缘子串进行连接。整个输电线路系统结构大厅布置，如图1所示。
本实验准备了直径分别为0.5 mm、0.3 mm的镍钛合金丝，直径70 mm、80 mm、90 mm的钢球来进行间隔棒内部组合，新型间隔棒内部结构初始选用合金丝的直径为0.5 mm，合金丝的刚度为42.12 kN/m，初步选用质量为2.147 kg的钢球，钢球的直径为80 mm，用连接件将钢球与合金丝装置在间隔棒上组成新型间隔棒，其中间隔棒的内环直径为300 mm，当挂80 mm直径的钢球时，需要考虑留给合金丝的长度，以便于计算合金丝的预应力。钢球的焊爪长度为5 mm，钢球焊爪距离间隔棒内径边缘为55 mm，经测得合金丝的极限线性应变为6%，选取合金丝的长度为50mm，根据极限应变合金丝可以获得的最大变形为50*6%+50=53 mm，55 mm>53 mm说明可以满足合金丝的拉伸条件，这段长度可以由合金丝的连接件后面的螺栓来调节。为了便于比较在不同直径合金丝与不同质量钢球的组合条件需要在相同的合金丝初应力下进行，通过调节小槽钢后面的螺丝来调节合金丝的初始应力，本实验合金丝选用的初始应力均为1.5*42.12=63.18 N，新型间隔棒与普通间隔棒实物图，如图2、图3所示。
本实验系统的激振器上安装振动臂，可以依靠激振器下的推拉底座带动扭杆而实现振动臂的左右摆动，因此由振动臂带动导线左右摆动加上导线自身的重力作用会形成导线自身上下、左右摆动，这就是导线舞动的机理，而且随着对激振器频率、振幅的加载等级加大，舞动的幅度也会随着加剧。
将新型相间间隔棒挂在两相六分裂导线上，分别对激振器施加不同频率、振幅下的加载等级，在导线上分别挂上速度（测水平方向）、加速度传感器（测竖直方向）测导线的振动幅值，利用inv网络分布式数据采集仪记得传感器测得的数据，如图4、 图5所示。
4 实验结果及分析
经实验测得的普通相间间隔棒与新型形状记忆合金相间间隔棒在激振器频率为1hz、振幅为4 mm的条件下的振幅数值：
由平稳区可以计算出使用普通间隔棒时导线的双振幅为：水平=66 mm，竖直=112 mm。
当使用钢球直径为80 mm、合金丝直径为0.5 mm的新型间隔棒时，由平稳区可以计算出导线的双振幅为：水平=54 mm，竖直=108mm。
通过数据采集仪图像显示的数据可知，在水平方向与竖直方向新型相间间隔棒比普通相间间隔棒有着更好的减振效果。
调整新型间隔棒内部参数（合金丝直径、钢球质量）得到激振器不同频率、振幅条件下传感器挂点处的振幅整理，如图6、图7所示。
5 结 语
本试验在合金丝具有的优良属性的基础上，通过模拟舞动实验，对新型相间间隔棒与普通相间间隔棒的减振效果分析，可得如下结论：新型相间间隔棒比普通相间间隔棒减振效果要好，通过对合金丝相间间隔棒的相关参数的优化，可以看出，随着合金丝的直径越细、重球的质量越大，间隔棒的减振效果越显著。并且导线竖直方向的振幅几乎是水平方向振幅的两倍。通过对导线系统的各个加载等级可以看出合金丝的强度可以承受较大幅度导线舞动。随着输电导线舞动状况发生的越来越频繁，对防舞相间间隔棒的要求越来越高，预计新型合金丝（镍钛）相间间隔棒在未来的输电线路上有着广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 陈怀宁，王唯.输电线路六分裂阻尼间隔棒的研制[J].西北电力技术，
2004，（6）.
[2] 魏冲，潘少成.500 kV输电线路舞动分析及治理[J].电力建设，2011，（4）.
[3] 王少华，蒋兴良.覆冰导线舞动特性及其引起的导线动态张力[J].电工 技术学报，2012，（1）.
关键词：记忆合金;间隔棒;阻尼器;振幅;减振
中图分类号：TM753 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）36-0044-02
1 概 述
在输电线路上，导线往往随着风的吹动而摆动，特别是当导线距离地面较高、风速较大并且持续作用时，风不断的给输电线路输入能量，而导线系统则是通过摆动来散发这种能量，久而久之达到一种平衡状态而产生一种低频大振幅的摆动，这种摆动就是我们通常所说的舞动。舞动对输电线路的危害是相当大的，轻则导线疲劳断股、金具受损、重则发生输电线路倒塔事故，给国家带来严重的资产损失。其中常见的解决方式是安装相间间隔棒，传统的间隔棒可以有效的预防一些小型线路发生舞动造成的事故。然而随着近些年来大跨越输电线路的不断增加，传统的相间间隔棒已经渐渐不能满足需求。
形状记忆合金（镍钛）是一种新型的智能材料，因为它特有的形状记忆、超弹性、高阻尼特性、抗腐蚀、抗疲劳等一系列优良属性，生物医学、机械、电子和航空等领域得到大量的应用。其超弹性可恢复应变高达6%～8%，屈服应力在400～500 MPa，与钢才相当。当其极限强度超过1 000 MPa，极限变形高达20%，远远高于一般的金属物。利用形状记忆合金超弹性效应制成的耗能器与其他金属耗能器相比使用周期长，不但可以满足输电线路上要求的力学性能（承受较大的变形能力），而且还能满足长期户外使用的耐久性（抗疲劳、抗腐蚀），能够克服其他类型阻尼器面临的老化、可靠性低，维护费用高及残余变形大等问题。本实验就是以形状记忆合金丝（材料为镍钛）的这些特性研制了一种结构形式简单、耗能能力极强的新型相间间隔棒。在工程应用中具有广阔的发展前景。
2 新型合金丝间隔棒工作原理
当导线发生舞动时，随着导线的大幅摆动会带动相间间隔棒振动，其中相间间隔棒的耗能途径包括两部分，一部分是连接两个间隔棒之间的绝缘子串通过绝缘子串自身拉、压、弯、扭的摆动方式耗能。另一部分是靠间隔棒内部合金丝阻尼器耗能。由于输电线路发生舞动时会带动间隔棒内部钢球也振动，钢球振动的同时带动合金丝不断的拉伸、收缩以此消耗能量。由于合金丝自身的超弹性特性，屈服应力在400～500 MPa与钢材相当，即使很小的变形也会消耗巨大的能量，因此有着显著的减振效果。
3 实验布置
本试验项目名称为500 kV紧凑型线路抗振间隔棒研制。实验是在东北电力大学国家重点实验室DXZ-1型输电导线及金具多功能试验系统上进行的，该系统之前承担过多项科技项目的试验研究任务，并为多家科研院所和企业提供技术服务。本系统主要技术指标：可模拟架空输电线路实际运行状态下的垂直振动（微风）、顺线振动（顺线风）、水平振动（横向风）、扭转振动（导线舞动）等各种振动工况。本试验研究的是43 m档距两相输电线路，整条线路均是严格按照架空输电线路设计规范设计。导线型号为LGJ-400/35，直径26.82 mm，截面积564.66 mm2，综合弹性模量6.5*1 010 Pa，其中两间隔棒之间选用复合绝缘子串进行连接。整个输电线路系统结构大厅布置，如图1所示。
本实验准备了直径分别为0.5 mm、0.3 mm的镍钛合金丝，直径70 mm、80 mm、90 mm的钢球来进行间隔棒内部组合，新型间隔棒内部结构初始选用合金丝的直径为0.5 mm，合金丝的刚度为42.12 kN/m，初步选用质量为2.147 kg的钢球，钢球的直径为80 mm，用连接件将钢球与合金丝装置在间隔棒上组成新型间隔棒，其中间隔棒的内环直径为300 mm，当挂80 mm直径的钢球时，需要考虑留给合金丝的长度，以便于计算合金丝的预应力。钢球的焊爪长度为5 mm，钢球焊爪距离间隔棒内径边缘为55 mm，经测得合金丝的极限线性应变为6%，选取合金丝的长度为50mm，根据极限应变合金丝可以获得的最大变形为50*6%+50=53 mm，55 mm>53 mm说明可以满足合金丝的拉伸条件，这段长度可以由合金丝的连接件后面的螺栓来调节。为了便于比较在不同直径合金丝与不同质量钢球的组合条件需要在相同的合金丝初应力下进行，通过调节小槽钢后面的螺丝来调节合金丝的初始应力，本实验合金丝选用的初始应力均为1.5*42.12=63.18 N，新型间隔棒与普通间隔棒实物图，如图2、图3所示。
本实验系统的激振器上安装振动臂，可以依靠激振器下的推拉底座带动扭杆而实现振动臂的左右摆动，因此由振动臂带动导线左右摆动加上导线自身的重力作用会形成导线自身上下、左右摆动，这就是导线舞动的机理，而且随着对激振器频率、振幅的加载等级加大，舞动的幅度也会随着加剧。
将新型相间间隔棒挂在两相六分裂导线上，分别对激振器施加不同频率、振幅下的加载等级，在导线上分别挂上速度（测水平方向）、加速度传感器（测竖直方向）测导线的振动幅值，利用inv网络分布式数据采集仪记得传感器测得的数据，如图4、 图5所示。
4 实验结果及分析
经实验测得的普通相间间隔棒与新型形状记忆合金相间间隔棒在激振器频率为1hz、振幅为4 mm的条件下的振幅数值：
由平稳区可以计算出使用普通间隔棒时导线的双振幅为：水平=66 mm，竖直=112 mm。
当使用钢球直径为80 mm、合金丝直径为0.5 mm的新型间隔棒时，由平稳区可以计算出导线的双振幅为：水平=54 mm，竖直=108mm。
通过数据采集仪图像显示的数据可知，在水平方向与竖直方向新型相间间隔棒比普通相间间隔棒有着更好的减振效果。
调整新型间隔棒内部参数（合金丝直径、钢球质量）得到激振器不同频率、振幅条件下传感器挂点处的振幅整理，如图6、图7所示。
5 结 语
本试验在合金丝具有的优良属性的基础上，通过模拟舞动实验，对新型相间间隔棒与普通相间间隔棒的减振效果分析，可得如下结论：新型相间间隔棒比普通相间间隔棒减振效果要好，通过对合金丝相间间隔棒的相关参数的优化，可以看出，随着合金丝的直径越细、重球的质量越大，间隔棒的减振效果越显著。并且导线竖直方向的振幅几乎是水平方向振幅的两倍。通过对导线系统的各个加载等级可以看出合金丝的强度可以承受较大幅度导线舞动。随着输电导线舞动状况发生的越来越频繁，对防舞相间间隔棒的要求越来越高，预计新型合金丝（镍钛）相间间隔棒在未来的输电线路上有着广阔的发展前景。
参考文献：
[1] 陈怀宁，王唯.输电线路六分裂阻尼间隔棒的研制[J].西北电力技术，
2004，（6）.
[2] 魏冲，潘少成.500 kV输电线路舞动分析及治理[J].电力建设，2011，（4）.
[3] 王少华，蒋兴良.覆冰导线舞动特性及其引起的导线动态张力[J].电工 技术学报，2012，（1）.