CN103762537B - 一种架空输电线路主动防舞执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明一种架空输电线路主动防舞执行机构，属于输电线路安全保护技术领域。本发明包括步进电机、主动齿轮、齿条、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一传动轴、第二传动轴、第一摆锤和第二摆锤。采用齿条将主动齿轮的旋转运动进行传递，实现了由一个旋转运动最终转化成两个对称旋转运动的设计思想，在抑制架空输导线舞动的时候能够根据导线的实时监测导线舞动的情况，并能根据输电导线舞动的幅度来调节摆锤运动的幅度，采用圆柱型摆锤，在工作过程中，阻力较大，更加有效阻止了导线的舞动。

Description

一种架空输电线路主动防舞执行机构

技术领域

本发明一种架空输电线路主动防舞执行机构，属于输电线路安全保护技术领域。

背景技术

在冻雨、雨凇或大风天气下，输电线路表面容易结上一层不均匀的冰，造成输电线的横截面为非圆型，当水平方向的风吹到输电线上时，将产生一定的空气动力，在一定的条件下，诱发输电线产生低频率(0.1～3Hz)、大振幅(可达10m以上)的自激振动，这种振动称为导线舞动。导线舞动由于频率低、振幅大，持续时间长，使得输电线在振动时会产生较大的能量，以致造成断骨、断线的危险，甚至可能造成倒塔。同时，在导线振动过程中，还可能引起相间闪络、跳闸、金具及绝缘子损坏，造成电力系统的瘫痪。因此，输电线路的舞动成为超高压、大跨越线路的重大灾害之一。

目前防止舞动普遍采用的防舞装置有扰流线法、集中防振锤法、失谐摆法和相间间隔棒法等。

扰流线防舞器是将用塑料制成的预制气流干扰线缠绕在输电线上，使导线和扰流线组成的输电线路截面各不相同，即使是在覆冰之后截面仍不相同，由于各个截面不断变化，扰乱了空气流过的气流，增加了防振效果，但此方法只适用于单根导线，且在覆冰较厚(≥10mm)时，由于覆冰后导线截面趋于一致，使扰流效果明显降低。

集中防振锤基于压重原理，限制压重点的振幅，形成节点，增加了输电线的扭转刚度，使扭转振动频率避开与垂直振动频率的谐振，从而抑制导线的振幅，达到控制输电线路舞动的目的。但将大量的防振锤布置在导线上，容易造成导线的损伤。

失谐摆是在导线下方安装一个具有一定质量和臂长的重锤机械装置，此装置的主要原理是迫使输电线路的扭转振动频率偏离同一阶的垂直振动频率，即扭转振动频率不与垂直振动频率谐振，从而达到控制导线舞动的目的，在单根导线上应用有效果，而在分裂导线上应用有待研究。

相间间隔棒是在相间或回路之间安装一种绝缘性能的装置，把各组导线机械地连接在一起，使得各导线之间相互制约，达到抑制输电线舞动的目的。虽然相间间隔棒造价高，但有较高的抗拉强度，较轻的质量，不易破碎，但此装置广泛用于220kv及以下电压等级的输电线路。

由于舞动的复杂性,目前还没有一种普遍适用的防舞措施。以上所述的各类防舞装置，最终工作状态均是将装置安装到导线上之后不再进行管理或控制，无论导线的舞动程度大小，完全按其自身的性能进行防舞，是一种被动式的防舞装置。这些被动式的防舞器由于自身缺乏调控能力，适用范围均受到了限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效解决输电导线舞动的架空输电线路主动防舞执行机构。

一种架空输电线路主动防舞执行机构，包括步进电机、主动齿轮、齿条、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一传动轴、第二传动轴、第一摆锤和第二摆锤。第一从动齿轮、第二从动齿轮对称位于齿条两侧，与齿条啮合；主动齿轮与齿条啮合，位于第二从动齿轮下方。步进电机输出轴与主动齿轮相连。第一传动轴、第二传动轴分别穿过第一从动齿轮、第二从动齿轮的中心，第一从动齿轮、第二从动齿轮用平键进行定位，分别固定安装于第一传动轴和第二传动轴上。

第一摆锤和第二摆锤相同，均为摆臂连接圆柱型锤体的结构。摆臂一端连接锤体，一端开有圆孔，穿过对应的传动轴，用轴肩进行轴向定位，用平键进行周向定位，固定安装于第一传动轴和第二传动轴上。传动轴通过摆臂带动锤体上下运动。两个摆锤运动对称一致。

步进电机与架空输电线路导线的监测控制机构连接，监测控制机构监测架空输电线路导线舞动的加速度，用导线舞动的加速度信号控制步进电机的转动，带动主动齿轮按照解算的速度转动，主动齿轮的转动会带动齿条向上或向下运动，齿条向上或向下运动带动对称布置于其两侧的第一从动齿轮和第二从动齿轮也转动一定的角度，第一从动齿轮和第二从动齿轮的转动使第一传动轴和第二转动轴也转动相应的角度，从而使安装于第一传动轴上的第一摆锤和第二传动轴上的第二摆锤向上或向下摆动，以平衡输电线路的重心。

工作流程为：当外部监测控制机构监测到导线从正常水平位置舞动到最高位置的加速度信号时，监测控制机构控制主动齿轮逆时针方向转动带动齿条向上运动，齿条向上运动带动对称布置于其两侧的第一从动齿轮顺时针方向转动、第二从动齿轮逆时针方向转动，第一从动齿轮、第二从动齿轮的转动会带动第一传动轴、第二传动轴转动相应的角度，从而使第一摆锤、第二摆锤从正常的水平位置摆动到主动防舞器的最大负极限位置，即摆锤摆动最低点。最大负极限位置要求为摆锤运动到最低位置时摆锤与水平方向的夹角小于45°，以平衡输电线路的重心。当监测控制机构监测输电导线从最高位置舞动到正常水平位置的加速度信号时，控制机构就会控制主动齿轮顺时针方向转动带动齿条向下运动，齿条向下运动带动对称布置于其两侧的第一从动齿轮逆时针方向转动、第二从动齿轮顺时针方向转动，从而使第一摆锤、第二摆臂从其最大负极限位置运动到其正常水平位置。

所述监测控制机构包括加速度传感器、信号处理系统和控制系统；加速度传感器感知、获取输电线路的加速度信号，并将输电线路的加速度信号传给信号处理系统，信号处理系统将传感器采集到的加速度信号放大、解调、再放大、滤波，处理成控制系统可识别的加速度信号后，将信号传给控制系统，对信号处理系统传输过来的加速度信号进行辨识，并发出控制指令，控制步进电机转动。

有益效果

本发明采用齿条将主动齿轮的旋转运动进行传递，实现了由一个旋转运动最终转化成两个对称旋转运动的设计思想，在抑制架空输导线舞动的时候能够根据导线的实时监测导线舞动的情况，并能根据输电导线舞动的幅度来调节摆锤运动的幅度，与球形摆锤相比，采用圆柱型摆锤，在工作过程中，阻力较大，更加有效阻止导线的舞动。

附图说明

图1为本发明的主动防舞装置执行机构结构示意图；

图2为具体实施方式中球形摆锤的结构示意图，其中(a)为整体结构图，(b)为建立坐标系的示意图(单位mm)；

图3为具体实施方式中圆柱形摆锤的结构示意图，其中(a)为整体结构图，(b)为建立坐标系的示意图(单位mm)；

图中标号:1—主动齿轮，2—齿条，3—第一摆锤，4—第一传动轴，5—第一从动齿轮，6—第二从动齿轮，7—第二传动轴，8—第二摆锤。

具体实施方式

本发明提供了一种架空输电线路主动防舞执行机构，下面结合附图和具体实例进行详细说明。

本发明的主动防舞执行机构的第一摆锤和第二摆锤的形状采用圆柱型，在摆臂、环境条件、材料、转速相同的情况下，圆柱形摆锤比球形摆锤在摆动过程中受到的空气阻力更大，在工作过程中，更加有效阻止导线的舞动。

本发明的架空输电线路主动防舞执行机构的结构如图1所示，主动齿轮1与齿条2啮合，齿条2与对称布置与其左右两侧的第一从动齿轮5、第二从动齿轮6啮合，第一摆锤3、第二摆锤8分别安装于第一传动轴4和第二传动轴7上，用轴肩进行轴向定位，平键进行周向定位。

主动齿轮1的转动带动齿条2上下运动，齿条2的上下运动带动对称布置于其两侧的第一从动齿轮5、第二从动齿轮6转动，第一从动齿轮5、第二从动齿轮6转动使第一传动轴4、第二传动轴7转动，且第一传动轴4、第二传动轴7转动的角度分别与第一从动齿轮5、第二从动齿轮6转动的角度相同，进而带动安装于第一传动轴4、第二传动轴7上的第一摆锤3、第二摆锤8上下摆动。

步进电机的转动受架空输电线路导线的舞动加速度信号控制，带动主动齿轮转动，主动齿轮的转动带动齿条向上或向下运动，齿条向上或向下运动带动对称布置于其两侧的第一从动齿轮和第二从动齿轮转动一定角度，第一从动齿轮和第二从动齿轮的转动使第一传动轴和第二转动轴转动相应的角度，使安装于第一传动轴上的第一摆锤和第二传动轴上的第二摆锤向上或向下摆动，以平衡输电线路舞动时的重心。

下面通过计算证明本发明采用圆柱形摆锤的优点：

物体在空气中运动受到的阻力和物体本身的形状、空气的密度、特别是和物体速率有关，物体速率低于200m/s，可认为空气阻力与物体速率的平方成正比，当速率到400-600m/s，空气的阻力与物体速率的三次方成正比；速率更大，阻力与速率更高次方成比。

物体所受的阻力f为：

其中ρ、A、v分别表示流体密度、摆锤摆动过程中与流速垂直的最大横截面积、摆锤摆动过程中的速率；C_D阻力系数。

在比较圆柱形摆锤和球形摆锤摆动过程中受到空气阻力时，摆锤重量、摆臂、环境条件、材料、转速都相同，只有摆锤摆动过程中与流速垂直的最大横截面积A是变量，可采用公式：

进行圆柱形摆锤和球形摆锤摆动过程中受到空气阻力的计算。其中ρ、A、v分别表示流体密度、摆锤摆动过程中与流速垂直的最大横截面积、摆锤摆动过程中的速度；C_D阻力系数。

在两种摆锤重量均为6Kg，密度均为ρ＝7.8×10³Kg/m³情况下：

1.在如图3(b)建立的坐标系中，对于圆柱形摆锤摆动过程中所受空气阻力求解：

其中ω表示摆锤摆动过程中的角速度，h表示圆柱型摆锤锤体的高度，d表示圆柱型摆锤锤体的直径，l表示圆柱型摆锤摆臂的长度，ρ表示流体密度，C_D阻力系数。

将l＝0.08m,h＝0.156m,d＝0.078m代入(3)中得到：

2.在如图2(b)建立的坐标系中，对于球形摆锤摆动过程中所受空气阻力求解：

令

将(6)代入(5)中得到：

其中ω表示摆锤摆动过程中的角速度，r表示球型摆锤锤体的半径，l表示摆臂的长度，α表示球体半径与x轴的夹角，ρ表示流体密度，C_D阻力系数。

将l＝0.08m,r＝0.056m代入(7)中得到：

f₂＝0.95×10^-4C_Dρω² (8)

比较(4)和(8)知：

f₁＞f₂

在摆锤重量、摆臂、环境条件、材料、转速相同的情况下，圆柱形摆锤比球形摆锤在摆动过程中所受的空气阻力较大，更加有效阻止导线的舞动。

Claims (1)

1.一种架空输电线路主动防舞执行机构，其特征在于：包括步进电机、主动齿轮、齿条、第一从动齿轮、第二从动齿轮、第一传动轴、第二传动轴、第一摆锤和第二摆锤；第一从动齿轮、第二从动齿轮对称位于齿条两侧，与齿条啮合；主动齿轮与齿条啮合，位于第二从动齿轮下方；步进电机输出轴与主动齿轮相连；第一传动轴、第二传动轴分别穿过第一从动齿轮、第二从动齿轮的中心，第一从动齿轮、第二从动齿轮分别固定安装于第一传动轴和第二传动轴上；第一从动齿轮和第二从动齿轮分别用平键定位；

第一摆锤和第二摆锤相同，均为摆臂连接圆柱型锤体；摆臂一端连接锤体，一端开有圆孔，分别穿过并固定安装于第一传动轴和第二传动轴；第一摆锤和第二摆锤分别用第一传动轴和第二传动轴的轴肩进行轴向定位，用平键进行周向定位；第一传动轴和第二传动轴通过摆臂带动锤体上下运动；第一摆锤和第二摆锤运动对称一致；

步进电机的转动受架空输电线路导线的舞动加速度信号控制，带动主动齿轮转动，主动齿轮的转动带动齿条向上或向下运动，齿条向上或向下运动带动对称布置于其两侧的第一从动齿轮和第二从动齿轮转动一定角度，第一从动齿轮和第二从动齿轮的转动使第一传动轴和第二传动轴转动相应的角度，使安装于第一传动轴上的第一摆锤和第二传动轴上的第二摆锤向上或向下摆动，摆锤运动到最低或者最高位置时摆锤与水平方向的夹角小于45°，以平衡输电线路舞动时的重心。