CN104638592A - 抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，包括：根据输电线路绝缘子串的质量和固有频率，选择吸振器的质量，并计算绝缘子串和吸振器的质量比；确定最佳调谐频率比；并根据最佳调谐频率比确定吸振器弹簧刚度；计算动力吸振器的粘性阻尼系数；确定输电线路绝缘子串的最大振幅；根据上述确定的吸振器的弹簧刚度、粘性阻尼系数以及输电线路绝缘子串的最大振幅参数设计吸振器；本发明有益效果：能有效防治输电线路外载对导线和绝缘子串加载所产生的风偏振动的影响，满足状态检修要求，对维护线路运行安全，减少风偏跳闸次数，保障供电可靠性，提高电网稳定有着较大的积极作用。

Description

抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法

技术领域

本发明涉及一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法。

背景技术

输电导线是通过横担上的悬垂绝缘子串及其下端的线夹或滑轮悬挂导线。这种架线方式在输电线路中使用非常广泛，在高压输电线路中，悬垂绝缘子串的串长较长，其稳定性较差，在风荷载作用下摆动十分敏感。当有横向水平风荷载或电线横向水平分力作用于悬垂绝缘子串上时，悬垂绝缘子串将产生横向偏斜；这种偏斜将会改变跳线对塔身的电气间隙，若间隙不能满足耐受电压要求的最小距离，空气将被击穿，发生跳线对塔身的放电现象，该现象一旦发生会导致能量损失和风偏跳闸等故障。架空高压输电线路上的引流跳线在大风、暴风雨等恶劣气象条件下也极易发生风偏闪络现象，特别是像大转角耐张铁塔跳线在暴风雨等恶劣气象条件下不能保证跳线距塔身的安全距离，易造成风偏跳闪故障，严重影响输电线路的安全运行。

风偏闪络事故是电网正常运行的重大安全隐患，且线路因风偏闪络跳闸后重合闸不易成功，严重影响了电力系统的安全稳定运行，因而造成重大的经济损失。其中悬垂绝缘子串的风偏闪络是近年来电网故障中较为突出的一类。目前采用在绝缘子串上增加重锤的方法防止风偏放电，但当风速超过设计风速时防风偏效果受到限制。

因此，为保证高压输电线路的安全运行，深入研究高压输电线路风偏闪络的原因，防止风偏闪络事故的发生，研究如何防止架空输电线路直线绝缘子风偏的措施十分必要，此外，随着超特高压输电线路的建设遍及范围越来越广泛且数量越来越多，风偏特性将尤为突出，对悬垂绝缘子串和跳线绝缘子串抗风偏能力的要求也越来越高。目前采用在绝缘子串上增加重锤的方法防止风偏放电，但当风速超过设计风速时防风偏效果受到限制。

绝缘子阻尼动力吸振器系统能有效防治输电线路外载对导线和绝缘子串加载所产生的风偏振动的影响，满足状态检修要求，对维护线路运行安全，减少风偏跳闸次数，保障供电可靠性，提高电网稳定有着较大的积极作用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，该方法根据输电线路绝缘子串参数，合理设计阻尼动力吸振器的结构参数，能够有效抑制受到风激励时绝缘子串风偏的振幅，防止输电线路风偏闪络的发生。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，包括以下步骤：

(1)根据输电线路绝缘子串的质量M和固有频率ω₀，选择吸振器的质量m，并计算绝缘子串和吸振器的质量比μ；

(2)确定最佳调谐频率比λ；并根据最佳调谐频率比λ确定吸振器弹簧刚度；

(3)计算动力吸振器的粘性阻尼系数；

(4)确定输电线路绝缘子串的最大振幅；

(5)根据上述确定的吸振器的弹簧刚度、粘性阻尼系数以及输电线路绝缘子串的最大振幅参数设计吸振器，并将所述吸振器安装到输电线路绝缘子串均压环下方；

(6)对所述吸振器的抑制风偏的效果进行检验，如果不满足设计要求，则修改吸振器参数设计吸振器。

所述步骤(1)中绝缘子串和吸振器的质量比μ具体为：

$\mathrm{\μ}=\frac{M}{m}$

其中，M为输电线路绝缘子串的质量，m为吸振器的质量。

所述步骤(2)中最佳调谐频率比λ具体为：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_b}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}$

其中，μ为绝缘子串和吸振器的质量比，ω₀为绝缘子串固有频率，ω_b为动力吸振器的固有频率。

所述步骤(2)中确定吸振器弹簧刚度的方法为：

$k=m{\mathrm{\ω}}_b^2$

其中，m为吸振器的质量，ω_b为动力吸振器的固有频率。

所述步骤(3)中粘性阻尼系数的计算方法为：

${\left(\frac{c}{C_c}\right)}^2=\frac{3\mathrm{\μ}}{8{(1+\mathrm{\μ})}^3}$

其中，c为吸振器的阻尼系数，C_c为临界阻尼常数，μ为绝缘子串和吸振器的质量比。

所述步骤(4)中确定输电线路绝缘子串最大振幅的方法为：

$\frac{A_{\max }}{X_r}=\sqrt{1+\frac{\mathrm{\μ}}{2}}$

其中，A_max为绝缘子串最大振幅，X_r为动力吸振器的位移响应，μ为绝缘子串和吸振器的质量比。

本发明的有益效果是：

本发明方法设计的绝缘子阻尼动力吸振器系统能有效防治输电线路外载对导线和绝缘子串加载所产生的风偏振动的影响，满足状态检修要求，对维护线路运行安全，减少风偏跳闸次数，保障供电可靠性，提高电网稳定有着较大的积极作用。

附图说明

图1是本发明基于阻尼动力吸振器的输电线路绝缘子防风偏方法原理图；

图2是本发明吸振器阻尼与主振系振幅关系曲线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

利用附加系统吸收主系统的振动能量以降低主系统的振动的设备称为动力吸振器。绝缘子串阻尼吸振器方法原理如图1。如图1所示，输电线路绝缘子串的刚度为K，质量为M，动力吸振器的质量为m，刚度为k，吸振器的阻尼为c，则主振系绝缘子串和阻尼吸振器的质量块分别对应的振幅为：

$A=X_{\mathrm{st}}\sqrt{\frac{{\left(2\mathrm{\βf}\right)}^2+{(f-\mathrm{\λ})}^2}{{\left(2\mathrm{\βf}\right)}^2{[(1+\mathrm{\μ})f^2-1]}^2+{[\mathrm{\μ}{\mathrm{\λ}}^2{f}^2-(f^2-1)(f^2-{\mathrm{\λ}}^2)]}^2}}---\left(1\right)$

$B=X_{\mathrm{st}}\sqrt{\frac{{\left(2\mathrm{\βf}\right)}^2+{\mathrm{\λ}}^2}{{\left(2\mathrm{\βf}\right)}^2{[(1+\mathrm{\μ})f^2-1]}^2+{[\mathrm{\μ}{\mathrm{\λ}}^2{f}^2-(f^2-1)(f^2-{\mathrm{\λ}}^2)]}^2}}---\left(2\right)$

式(1)和(2)中，A为主振动系统绝缘子串的强迫振动振幅，而B为动力吸振器附加质量块的强迫振动振幅。式中各主要参数为：

$f=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0},\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_b}{{\mathrm{\ω}}_0},\mathrm{\β}=\frac{c}{2\sqrt{\mathrm{mk}}},\mathrm{\μ}=\frac{m}{M}$

当导线和绝缘子串受到风激励时，绝缘子串可以看做一个振动体，而动力吸振器则为在绝缘子串(振动体)上附加质量弹簧系统，附加系统对主系统的作用力正好平衡了主系统上的激励力F_Asinωt，从而抑制受到风激励时绝缘子串风偏的振幅，防止输电线路风偏闪络的发生。

图2为吸振器阻尼与主振系振幅关系曲线，由曲线可知，当吸振器无阻尼时，主振系的共振峰为无穷大；当吸振器阻尼无穷大时，主振系的共振峰同样也为无穷大；只有当吸振器具有一定阻尼时，共振峰才不至于为无穷大。因此，必然存在一个合适的阻尼值，使得主振系的共振峰为最小，基于阻尼动力吸振器的架空输电线路绝缘子防风偏方法的一项重要任务为设计合适的阻尼值，使作为主振系统的绝缘子串受到风激励时振幅最小。

一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，包括以下步骤：

(1)根据输电线路绝缘子串的质量M和固有频率ω₀，选择吸振器的质量m，并计算绝缘子串和吸振器的质量比μ；

(2)确定最佳调谐频率比λ；并根据最佳调谐频率比λ确定吸振器弹簧刚度；

其中，最佳调谐频率比的计算方法为：

吸振器弹簧刚度，

(3)计算动力吸振器的粘性阻尼系数c:

(4)确定输电线路绝缘子串的最大振幅A_max:

(5)根据上述确定的吸振器的弹簧刚度、粘性阻尼系数以及输电线路绝缘子串的最大振幅参数设计吸振器，并将所述吸振器安装到输电线路绝缘子串均压环下方；

(6)对所述吸振器的抑制风偏的效果进行检验，如果不满足设计要求，则修改吸振器参数设计吸振器。

动力吸振器特别适用于当激励力以单频为主，或频率很低,不宜采用一般隔振器时的场合，而架空输电线路绝缘子串受到风激励产生风偏时，频率一般为几赫兹甚至零点几赫兹，因此基于阻尼动力吸振器的防风偏方法对于抑制输电线路风偏具有良好的效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)根据输电线路绝缘子串的质量M和固有频率ω₀，选择吸振器的质量m，并计算绝缘子串和吸振器的质量比μ；

(2)确定最佳调谐频率比λ；并根据最佳调谐频率比λ确定吸振器弹簧刚度；

(3)计算动力吸振器的粘性阻尼系数；

(4)确定输电线路绝缘子串的最大振幅；

(5)根据上述确定的吸振器的弹簧刚度、粘性阻尼系数以及输电线路绝缘子串的最大振幅参数设计吸振器，并将所述吸振器安装到输电线路绝缘子串均压环下方；

(6)对所述吸振器的抑制风偏的效果进行检验，如果不满足设计要求，则修改吸振器参数设计吸振器。

2.如权利要求1所述的一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，其特征是，所述步骤(1)中绝缘子串和吸振器的质量比μ具体为：

$\mathrm{\μ}=\frac{M}{m}$

其中，M为输电线路绝缘子串的质量，m为吸振器的质量。

3.如权利要求1所述的一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，其特征是，所述步骤(2)中最佳调谐频率比λ具体为：

$\mathrm{\λ}=\frac{{\mathrm{\ω}}_b}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{1}{1+\mathrm{\μ}}$

其中，μ为绝缘子串和吸振器的质量比，ω₀为绝缘子串固有频率，ω_b为动力吸振器的固有频率。

4.如权利要求1所述的一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，其特征是，所述步骤(2)中确定吸振器弹簧刚度的方法为：

$k=m{\mathrm{\ω}}_b^2$

其中，m为吸振器的质量，ω_b为动力吸振器的固有频率。

5.如权利要求1所述的一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，其特征是，所述步骤(3)中粘性阻尼系数的计算方法为：

${\left(\frac{c}{C_c}\right)}^2=\frac{3\mathrm{\μ}}{8{(1+\mathrm{\μ})}^3}$

其中，c为吸振器的阻尼系数，C_c为临界阻尼常数，μ为绝缘子串和吸振器的质量比。

6.如权利要求1所述的一种抑制输电线路绝缘子串风偏的阻尼动力吸振器设计方法，其特征是，所述步骤(4)中确定输电线路绝缘子串最大振幅的方法为：

$\frac{A_{\max }}{X_r}=\sqrt{1+\frac{\mathrm{\μ}}{2}}$

其中，A_max为绝缘子串最大振幅，X_r为动力吸振器的位移响应，μ为绝缘子串和吸振器的质量比。