CN107681604A - 一种转动快速弹性释放器及设计方法 - Google Patents

Abstract

通过MEMS惯性测量系统测量出导线转动的幅度和频率，进而根据该转动的幅度和频率设计释放器的结构及阻尼参数，主要包括扭簧的弹性系数，扭簧长度、节数(阶数也就是几阶阻尼器)、质量和材质等；进而设计一种转动快速弹性释放器，包括该释放器包括外壳筒、螺栓、密封圈、支撑轴承、扭簧、滚动轴承和套筒，其工作原理是通过把导线的转动能量转化为扭簧的弹性势能，无振荡地释放掉，即扭转弹性势能不会再返回到导线上，导线能量释放曲线为负斜率很大的单调曲线。该转动弹性释放器结构简单，尤其能够快速释放掉导线的转动运动能量，而不会产生振荡，平稳性好，具有较长的使用寿命和应用价值。

Description

一种转动快速弹性释放器及设计方法

技术领域

本发明属于电网线路运动技术安全领域，具体涉及一种输电导线转动快速弹性释放器及其设计方法。

背景技术

输电线路在不同气候条件的影响下，特别是特高压输电线路，会出现不同的运动幅度和频率，主要为高频微幅的微风振动、中频中幅的次档距振荡和低频大振幅的舞动，总的来说输电导线运动包括水平、垂直运动和转动等三自由度运动，导线初期运动为在平衡位置附近做微幅振动，随着外界条件的变化(如覆冰程度、风激励程度)，由水平振动向垂直振动转变，并逐渐趋于一定运动状态，但当幅值和转动达到一定程度时，形成以垂直方向运动为主的低频大振幅舞动，舞动使导线弧垂度增大、轴向应力增加，疲劳极限降低，极易造成导线断股；同时会使绝缘子串、横担及杆塔荷载变大，造成绝缘子摆动、横担变形、杆塔倾斜等严重灾害，对电网安全稳定运行构成极大威胁，也会直接对国民经济造成损失。

现有的导线运动阻尼或释放器各有优缺点：双摆阻尼释放器适用于分裂导线，安装方便，防舞效果较好；相间间隔棒可应用于220kV及以下电压等级的输电线路，或更髙电压等级的紧凑型线路，存在老化、放电、弯曲等问题，大振幅阻尼效果较好；扰流阻尼释放器主要用于覆冰较薄的地区，单导线上应用多于分裂导线，这种防舞装置质轻、易于安装，存在老化、劣化的问题；偏心重锤适用于分裂导线，注意对微风振动的影响，防振效果较好；失谐摆在单导线上应用有效，在分裂导线上的应用有待研究；压重阻尼器取材方便，能抑制微风振动，自由度大，容易产生扰动；线夹回转式间隔棒防振效果良好，对线路不会产生负面影响，线夹回转式间隔棒比普通间隔棒造价髙。由于导线运动问题的复杂性，所以现有常用的运动阻尼装置都有其设计上的针对性和使用上的局限性，现有的阻尼器都有一个共性的缺点，导线的运动能量并不能完全快速释放掉，有一部分会重新回到导线身上，产生相互的干扰运动，甚至加速了对输电线路的损坏。

尽管电网运动包括各种复杂的运动(幅度和频率都会发生变化)，总的来说也就是平动和转动，但电网有损害的主要就是电网运动的幅度和频率，所以只要知道运动幅度和频率就可以阻尼释放器提供设计参数，并且能够预测电网有没有危险，但对于某个具体地区来说，导线运动存在主要的幅值和频率，而且不会像公知的那样——频率和幅值都是一个很宽的范围，要想针对性设计出适合某地区的运动阻尼释放器就需要识别出某地区导线的具体运动特征信息，进而根据运动参数设计阻尼释放器，本发明专利着重解决导线转动能量的快速释放。

发明内容

本发明的目的在于通过由MEMS加速度计构建的MEMS惯性测量系统测量出导线转动的幅度和频率，进而根据该转动的幅度和频率设计释放器的结构及参数，主要包括扭簧的弹性系数，扭簧长度、节数(阶数也就是几阶释放器)、质量、材质等。

输电导线运动测量系统主要包括：输电导线运动MEMS惯性测量系统、无线传输、供电和监控中心四部分。

为了测量某地区输电线路的运动数据，可利用真实的输电线路，也可以构建一个真实的模拟输电线路，安装到需要的地区，来获得该地区的线路运动数据，进而分析其幅频特性，为该地区的导线运动释放器的设计提供参数。

由于导线的运动，MEMS惯性测量系统采集的角速度数据具有高维、复杂、动态以及高噪声等特性，首先对采集的角速度采用最小二乘法消除趋势项，然后进行温度补偿处理，最后去除角速度的常值偏差。

对导线转动幅度的测量不是通过计算运动姿态的方法进行测量，因为姿态测量需要导航级惯性导航系统，而体积和成本都会很大，另外惯性测量的缺点在于需要初始值，并且会随着时间的积累误差越来越大，最后导致无法测量。

输电导线的转动幅度由导线的角速度及其运动周期决定，因此可直接利用角速度信号进行幅度等价分析。

不管是导线的转动幅度或频率达到一定程度时，输电线路都会出现不同程度的损毁或损坏，由于幅度代表能量的大小，而幅度与陀螺仪输出的三轴角速度(ω_x,ω_y,ω_z)又直接相关，因此采用角速度的平方和表示导线的转动能量，即表示转动幅度的程度。

由于角速度是测量点处输电导线的各轴角运动，可从Ω式中进行转动幅度和频率的识别：通过对每采集L个(ω_x,ω_y,ω_z)数据为一组，采集的数据长度根据本地区的导线转动周期大概确定，如果不知运动周期可适当大一些；为消除偶然误差，每滑动l个数取一次平均，建立ARMA滑动自回归模型的一维时间序列Ω(y₁,y₂,...y_N)，其中N＝L/l，y₁,y₂,...y_N为一维时间序列的项；对第i段序列Ω_i(y₁,y₂,...y_N)进行FFT变换，获得第i段序列的输电线转动的幅频分布。

从各段序列的幅频分布中找出本地区的主要转动幅度Ω{Ω_m1,Ω_m2,…Ω_mλ}和主要转动频率f{f_m1,f_m2,…f_mλ}。

转动弹性释放器的工作原理：把导线的转动能量转化为扭簧的扭转弹性势能，进而无振荡地释放掉，即弹性势能不会再返回到导线上，所以导线能量释放曲线为负斜率很大的单调曲线，而不是振荡形式的释放曲线。

设弹性释放能量的部分由p个扭簧组成，扭簧的弹性系数为k，则周期为其中m_s为扭簧质量，要避免与导线主要的转动周期一致，那样会产生干扰运动。

弹性释放器中的单个扭转弹性势能表示为其中E_s为弹性势能，也即是要释放掉的能量，Δθ为扭簧扭转角。

由于弹性释放器中有p个扭簧，由于扭簧是成对的，安装数量为q，扭转总弹性势能约为2pqE_s＝pqkΔθ²。

导线转动动能表示为其中J_l为档距间导线转动惯量，E_l为导线转动动能，即要转化为弹性势能的能量，k_l为比例系数，f为导线的主要转动频率。

导线在一个转动周期内近似转动角度为其中T为本地区的导线转动周期，ω为等效角速度，则可求出导线转动的最大角度Δθ_max。

如果导线转动动能完全转化为扭转弹性势能，即2pqE_s＝E_l，但由于实际条件的限制，扭簧扭转角也不可能直接是导线的转动幅度，扭转弹性系数k和弹性释放器安装数量q也是有限的，因此不可能一次就直接释放掉导线上的所有转动动能，可采用多次释放掉弹性势能方法进行设计最大的形变量Δθ，进而计算出扭转弹性系数k。

由于k已计算出，k与材质的关系为其中，单位为N/mm，线材的刚性模数G，单位N/mm²，线径d，有效圈数N_c，中径D_m，负荷作用的力臂R，因此根据一个地区的导线运动特征进行确定合适的扭簧参数。

由于扭簧经常处于经常工作状态，材质需要耐疲劳且轻。

根据上述要求，设计一种转动快速弹性释放器，该释放器包括外壳筒、螺栓、密封圈、支撑轴承、扭簧、滚动轴承和套筒。

外壳筒用于保护扭簧运动部分，中心开孔的螺栓，与支撑轴承和密封圈固定外壳筒两端。

套筒套固在导线上，套固的位置导线上要有保护层，避免磨损。

滚动轴承安装在套筒上的中间位置，轴承内环与套筒固连，轴承外径略小于外壳筒内经，保证滚动轴承的外环可以自由转动，滚动轴承外环的对称两侧分别连接正反向的扭簧，套筒穿过正反向的扭簧，扭簧两端固连在套筒上。

扭簧采用轻质材料制作，直径略小于外壳筒内径，较大于导线直径，外壳筒内壁要光滑，可以无摩擦的转动，避免与套筒摩擦。

弹性释放器在建造输电线路时可直接套固在杆塔或间隔棒处的导线上，或直接套固在导线上。

套固在杆塔处的导线上的弹性释放器，一段直接与绝缘子相连，另外一段沿导线远离杆塔的方向，当导线转动时，弹性释放器就会起作用。

套固在间隔棒处导线上的弹性释放器，间隔棒固定弹性释放器的外壳筒中间位置，当导线转动时，弹性释放器就会起作用。

弹性释放器直接套固在导线某个位置时，如果导线转动是同步转动，转动弹性释放器两侧需要正反向扭簧；如果两侧的导线转动不同步或者反向转动时，弹性释放器就会起作用。

当弹性释放器两侧的导线相向转动或反向转动时，由于扭簧一端固连在套筒上，套筒又固连在导线上，扭簧将会跟随导线转动，如果两侧导线转动速度值相同，滚动轴承外环不动，两侧各自的正反方向扭簧弹性自动相互抵消掉，如果两侧导线转动速度值不相同，会带动滚动轴承外环转动，两侧的扭簧弹性势能会抵消掉。

当弹性释放器两侧的导线同向转动时，如果两侧转动角速度值相同，而滚动轴承外环不动，两侧各自的正反方向扭簧弹性也会自动相互抵消掉，如果两侧导线转动速度值不相同，滚动轴承外环转动，扭簧弹性势能同样也会抵消掉。

为了阻尼不同幅度的转动，在正反向的扭簧上再绕上同向的扭簧线，构造多螺旋转动弹性释放器；也可通过增加扭簧的节数，每节扭簧的扭转弹性系数不同，来实现释放导线不同幅度的转动能量。

为了增加转动释放效果，与套筒相连接的一端增加一个转动放大器。

转动弹性释放器的数量与一个地区的导线主要的转动幅频数量相同，这也是为什么要测量一个地区的导线运动转动幅频都包括那些的原因。

该转动弹性释放器结构简单，尤其能够快速释放掉导线转动能量，而不会产生振荡，具有较长的使用寿命和较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明转动弹性释放器结构；

图2是本发明转动快速弹性释放器实物。

具体实施方式

由导线运动MEMS惯性测量系统，测量和计算出一个地区的转动幅度和频率，进而根据运动幅频特性设计弹性释放器参数，设计转动快速释放器结构、实物制作及实验测试，以下结合附图说明本发明的具体实施。

导线运动测量系统主要由导线运动MEMS惯性测量系统、Zigbee无线传输、供电和监控中心四部分组成。

由于导线的转动，MEMS惯性测量系统采集的角速度数据具有高维、复杂、动态以及高噪声等特性，首先对采集的角速度采用最小二乘法消除趋势项，进行温度补偿处理，最后去除陀螺仪的常值偏差。

对导线转动幅度的测量不是通过计算运动姿态的方法进行测量，因为姿态测量需要导航级惯性导航系统，而体积和成本都会很大，另外惯性测量的缺点在于需要初始值，并且会随着时间的积累误差越来越大，最后导致无法测量。

由于输电导线的转动幅度由导线的角速度及其运动周期决定，因此可直接利用角速度信号进行幅度等价分析。

不管是导线的转动的幅度或频率达到一定程度时，输电线路都会出现不同程度的损毁或损坏，由于幅度代表能量的大小，而幅度与陀螺仪输出的三轴角速度(ω_x,ω_y,ω_z)又直接相关，因此采用角速度的平方和表示导线的转动能量，即表示转动幅度的程度。

由于角速度是测量点处输电导线的各轴角运动，可从Ω式中进行转动幅度和频率的识别：通过对每采集L个(ω_x,ω_y,ω_z)数据为一组，采集的数据长度根据本地区的导线转动周期大概确定，如果不知转动周期可适当大一些；为消除偶然误差，每滑动l个数取一次平均，建立ARMA滑动自回归模型的一维时间序列Ω(y₁,y₂,...y_N)，其中N＝L/l，y₁,y₂,...y_N为一维时间序列的项；对第i段序列Ω_i(y₁,y₂,...y_N)进行FFT变换，获得第i段序列的导线转动的幅频分布。

从各段序列的幅频分布中找出本地区的主要转动幅度Ω{Ω_m1,Ω_m2,…Ω_mλ}和主要转动频率f{f_m1,f_m2,…f_mλ}。

设弹性释放能量的部分由正反向的扭簧组成，扭簧的弹性系数为k，则弹性周期为其中m_s为扭簧质量，要避免与导线主要的转动周期一致，那样会产生干扰运动。

弹性释放器中的单个转动弹性势能表示为其中E_s为弹性势能，也即是要释放掉的能量，Δθ为弹性扭转角。

弹性释放器安装数量q个，每个弹性释放器中有p个正向扭簧和p个反向扭簧，扭转总弹性势能约为2pqE_s＝pqkΔθ²。

导线转动动能表示为其中J_l为档距间导线转动惯量，E_l为导线转动能量，即是要转化为扭转弹性势能的能量，k_l为比例系数，f为导线的主要转动频率。

导线在一个转动周期内近似转角为其中T为本地区的导线转动周期，ω为等效角速度，则可求出导线转动的最大角度Δθ_max。

如果导线的转动能量完全转化为扭转弹性势能，即2pqE_s＝E_l，但由于实际条件的限制，弹簧扭转角不可能直接是导线的转动幅度，扭转弹性系数k和弹性释放器安装数量q也是有限的，因此不可能一次就直接释放掉导线上的所有转动能量，可采用多次释放掉弹性势能方法进行设计最大的形变量Δθ，进而计算出扭转弹性系数k。

由于k已计算出，k与材质的关系为其中，单位为N/mm，线材的刚性模数G，单位N/mm²，线径d，有效圈数N_c，中径D_m，负荷作用的力臂R，进而根据一个地区的导线转动幅频特性来确定合适的扭簧参数。

由于扭簧经常处于经常工作状态，材质需要耐疲劳且轻，可选用金属橡胶。

根据上述要求，设计一种转动快速弹性释放器，如图2所示，该释放器包括外壳筒、螺栓、密封圈、支撑轴承、扭簧、滚动轴承和套筒。

外壳筒用于保护扭簧运动部分，中心开孔的螺栓，与支撑轴承和密封圈固定外壳筒两端。

弹性释放器安装时，套筒套固在导线上，套固的位置导线上要有保护层，避免磨损。

滚动轴承套固在套筒上的中间位置，滚动轴承外径略小于外壳筒内经，滚动轴承外环可以自由转动，滚动轴承外环的对称两侧连接正反向的扭簧，正反向的扭簧再连接反正向的扭簧，即一侧是一个正向扭簧连接一个反向扭簧而另一侧是一个反向扭簧连接一个正向扭簧，套筒穿过扭簧，两边最外侧的扭簧外端固连在套筒上。

扭簧直径略小于外壳筒内径，较大于套筒直径，外壳筒内壁要光滑，可以无摩擦的扭转运动，避免与外壳筒、套筒摩损。

弹性释放器在建造输电线路时可直接套固在杆塔或间隔棒处的导线上，或直接套固在导线上的某个位置。

套固在杆塔处的导线上的弹性释放器，一段直接与绝缘子相连，另外一段沿导线远离杆塔的方向，当导线转动时，弹性释放器就会起作用。

套固在间隔棒处导线上的弹性释放器，间隔棒固定弹性释放器外壳筒的中间位置，当导线转动时，弹性释放器就会起作用。

弹性释放器直接套固在导线某个位置时，如果导线转动是同步转动，转动弹性释放器两侧需要正反向扭簧；如果两侧的导线转动不同步或者反向转动时，弹性释放器就会起作用。

当弹性释放器两侧的导线相向转动或反向转动时，由于扭簧一端固连在套筒上，套筒又固连在导线上，扭簧将会跟随导线转动，如果两侧导线转动速度值相同，滚动轴承外环不动，两侧各自的正反方向扭簧弹性自动相互抵消掉，如果两侧导线转动速度值不相同，会带动滚动轴承外环转动，两侧的扭簧弹性势能会抵消掉。

当弹性释放器两侧的导线同向转动时，如果两侧转动角速度值相同，而滚动轴承外环不动，两侧各自的正反方向扭簧弹性也会自动相互抵消掉，如果两侧导线转动速度值不相同，滚动轴承外环转动，扭簧弹性势能同样也会抵消掉。

为了阻尼不同幅度的转动，在正反方向的扭簧上再绕上同向的扭簧线，构造多螺旋转动弹性释放器；也可通过增加扭簧的节数，每节扭簧的扭转弹性系数不同，来实现释放导线不同幅度的转动能量。

为了增加转动释放效果，与套筒相连接的一端增加一个转动放大器。

转动弹性释放器的数量与一个地区的导线主要的转动幅频数量相同，这也是为什么要测量一个地区的导线运动转动幅频都包括那些的原因。

为了验证设计方法和弹性释放器的性能，制作了弹性释放器样机，如图2，并按一定比例设计了110KV输电线路模型，进行了阻尼弹性释放试验，实验结果证明了具有良好的阻尼效果。

该转动弹性释放器结构简单，尤其能够快速释放掉导线转动能量，而不会产生振荡，具有较长的使用寿命和较高的应用价值。

最后说明的是以上实施案例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，可以对本发明进行修改或更换，而不脱离本技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种转动快速弹性释放器，其特征在于该释放器包括：外壳筒、螺栓、密封圈、支撑轴承、扭簧、滚动轴承和套筒；外壳筒用于保护扭簧运动部分，中心开孔的螺栓，与支撑轴承和密封圈固定外壳筒两端；套筒安装套固在导线上，套固的位置导线上要有保护层；滚动轴承套固在套筒上的中间位置，外径略小于外壳筒内经，滚动轴承外环的对称两侧分别安装连接正反向扭簧，正反向的扭簧再连接反正向的扭簧，即一侧是一个正向扭簧连接一个反向扭簧而另一侧是一个反向扭簧连接一个正向扭簧，套筒穿过扭簧，两边最外侧的扭簧外端固连在套筒上。

2.权利要求1所述的一种转动快速弹性释放器，其特征于安装套固：在建造输电线路时可直接套固在杆塔或间隔棒处的导线上，或直接套固在导线上的某个位置；如果套固在杆塔处导线上的弹性释放器，一段直接与绝缘子相连，另外一段沿导线远离杆塔的方向，当导线转动时，弹性释放器就会起作用；如果套固在间隔棒处导线上的弹性释放器，间隔棒固定弹性释放器外壳筒的中间位置，当导线转动时，弹性释放器就会起作用；弹性释放器直接套固在导线某个位置时，如果导线转动是同步转动，滚动轴承两侧需要正反向扭簧，如果两侧的导线转动不同步或者反向转动时，弹性释放器就会起作用。

3.权利要求1所述的一种转动快速弹性释放器，其特征在于工作过程包括：当弹性释放器两侧的导线相向转动或反向转动时，由于扭簧一端固连在套筒上，套筒又固连在导线上，扭簧将会跟随导线转动，如果两侧导线转动速度值相同，滚动轴承外环不动，两侧各自的正反方向扭簧弹性自动相互抵消掉，如果两侧导线转动速度值不相同，会带动滚动轴承外环转动，两侧的扭簧弹性势能会抵消掉；当弹性释放器两侧的导线同向转动时，如果两侧转动角速度值相同，而滚动轴承外环不动，两侧各自的正反方向扭簧弹性也会自动相互抵消掉，如果两侧导线转动速度值不相同，滚动轴承外环转动，扭簧弹性势能同样也会抵消掉。

4.权利要求1所述的一种转动快速弹性释放器，其特征在于：为了阻尼不同幅度的转动，在正反方向的扭簧上再绕上同向的扭簧线，构造多螺旋转动释放器；也可通过增加扭簧的节数，每节扭簧的扭转弹性系数不同，来实现释放导线不同幅度的转动。

5.权利要求1所述的一种转动快速弹性释放器，其特征在于：为了增加转动释放效果，与套筒相连接的一端增加一个转动放大器，使导线小幅度的转动能量也能被释放掉。

6.权利要求1所述的一种转动快速弹性释放器，其特征在于：安装转动弹性释放器的数量与一个地区的导线主要的转动幅频数量相同。

7.一种转动快速弹性释放器的设计方法，其特征在于步骤包括：(1)通过采集陀螺仪三轴分量(ω_x,ω_y,ω_z)，以角速度的平方和表示导线的转动幅度，通过对每采集L个(ω_x,ω_y,ω_z)数据为一组，采集的数据长度根据本地区的导线转动动周期大概确定，如果不知运动周期可适当大一些；为消除偶然误差，每滑动l个数取一次平均；建立ARMA滑动自回归模型的一维时间序列Ω(y₁,y₂,...y_N)，其中N＝L/l，y₁,y₂,...y_N为一维时间序列的项；对第i段序列Ω_i(y₁,y₂,...y_N)进行FFT变换，获得第i段序列中导线转动的幅频分布，从各段幅频分布中找出本地区的主要幅度Ω{Ω_m1,Ω_m2,…Ω_mλ}和主要频率f{f_m1,f_m2,…f_mλ}；(2)设弹性释放能量的部分由扭簧组成，扭簧的弹性系数为k，则阻尼弹性周期为其中m_s为扭簧质量，要避免与导线主要的转动周期一致，那样会产生干扰运动，由于扭簧经常处于经常工作状态，材质需要耐疲劳且轻；(3)释放器中的单个转动弹性势能表示为其中E_s为弹性势能，也即是要释放掉的能量，Δθ为弹性扭转角；(4)弹性释放器安装数量q个，每个弹性释放器中有p个正相扭簧和p个反相扭簧，扭转总弹性势能约为2pqE_s＝pqkΔθ²；(5)导线转动动能为其中J_l为档距间导线转动惯量，E_l为导线转动能量，即是要转化为扭转弹性势能的能量，k_l为比例系数，f为导线的主要转动频率；(6)导线在一个转动周期内近似转角为其中T为本地区的导线转动周期，ω为等效角速度，则可求出导线转动的最大角度Δθ_max；(7)如果导线转动能量完全转化为转动弹性势能，即2pqE_s＝E_l，但由于实际条件的限制，弹簧扭转角也不可能直接是导线的转动幅度，扭转弹性系数k和阻尼弹性释放器安装数量q也是有限的，因此不可能一次就直接阻尼释放掉导线上的所有转动能量，可采用多次释放掉弹性势能方法进行设计最大的形变量Δθ，进而计算出扭转弹性系数k；(8)由于k已计算出，k与材质的关系为其中，单位为N/mm，线材的刚性模数G，单位N/mm²，线径d，有效圈数N_c，中径D_m，负荷作用的力臂R，进而根据一个地区的导线转动幅频特性来确定合适的扭簧参数。