CN109659890B - 一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，包括本体，本体内部形成一个空腔；在所述的本体内侧安装有励磁线圈，本体的外侧安装有金属夹具，励磁线圈与本体之间设有第一绝缘层进行绝缘；在励磁线圈内圈设有充满磁流变液的环筒，环筒内装有可在环筒内滚动的金属球；在环筒内圈沿圆周方向间隔的安装有多个压电发电单元，每个压电发电单元两端设有压力传感器，所述的压电发电单元与电能提取与存储单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路，在所述的压电发电单元内圈设有第二绝缘层，在所述的第二绝缘层内侧设有电磁颗粒吸振体。

Description

一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒

技术领域

本发明涉及电力设备、输电线路减振技术，特别涉及一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒。

背景技术

随着经济与工业的迅速发展，我国社会发展对电能需求量迅速提升，电力能源已经成为社会发展的必需品。目前输电线路中的导线多采用分裂式，在导线沿圆周方向覆冰不均匀以及受到侧向风作用时产生低频，大幅度自激振动现象，即输电线舞动现象。线路舞动会导致线路跳闸，进而引起电气故障，除此之外还会造成金具、绝缘子、跳线损坏，导线断股、断线，塔材、基础受损，螺栓松动脱落等严重的机械损伤。因此提高电网抵御自然灾害的能力科学合理地选择防舞动技术和措施，制定规范的防舞动设计规范，保证电网在严重的自然灾害下安全稳定运行以及供电的安全可靠性具有重要的意义。

输电线路分裂导线用间隔棒的主要用途是限制子导线之间的相对运动和在正常运行情况下保持分裂导线的几何形状。按间隔棒的工作特性大体可以分为两类，即阻尼型间隔棒及非阻尼型间隔棒，其中阻尼型间隔棒适用于各地区，其主要特点是：在间隔棒活动关节处利用阻尼材料来消耗导线的振动能量。考虑到输电线路的经济性，该类间隔棒用于容易产生振动的地区的线路。发明人认为目前实际工程中应用于输电线路防舞动方面的减振控制多以被动控制为主；考虑到环境状况以及荷载的不确定性与随机性，被动控制具有一定的局限性。

发明内容

基于以上研究现状，本发明目的是提供一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，主要是针对输电线路风荷载等作用下的舞动现象提出的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒。本发明采用下述技术方案：

本发明提出的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，包括一个本体，本体内部形成一个空腔；在所述的本体内侧安装有励磁线圈，本体的外侧安装有金属夹具，励磁线圈与本体之间设有第一绝缘层进行绝缘；在励磁线圈内圈设有充满磁流变液的环筒，环筒与本体同轴安装，环筒内装有可在环筒内滚动的金属球；在环筒内圈沿圆周方向间隔的安装有多个压电发电单元，每个压电发电单元两端设有压力传感器，所述的压电发电单元与电能提取与存储单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路，在所述的压电发电单元内圈设有第二绝缘层，在所述的第二绝缘层内侧设有电磁颗粒吸振体。

本发明的输电线受到外部荷载作用发生舞动时带动间隔棒振动，当间隔棒发生平面内振动及扭转时，内腔中的电磁颗粒吸振体在本体的内腔中竖直方向平面内运动，碰撞周边的第二绝缘层，对压电发电单元施加压力，从而产生电能，电能可储存在电能提取与存储单元中，压力传感器将压力变化信号传递给控制器，使其根据压力大小调整流过励磁线圈中的电流大小，改变内部磁场强度；同时，装有磁流变液环状筒内的金属小球在环状筒内运动，带动磁流变液切割磁感线，磁流变液的流动性粘度改变，提高金属小球运动的阻尼力，进而达到控制间隔棒扭转振动的目的。电磁颗粒吸振体内部圆柱孔内装有的阻尼材料，阻尼材料的金属铜球在磁场中运动切割磁感线，内部形成闭合电流回路，将振动的机械能转化为电能最后转化为热能消散，从而达到间隔棒在平面内振动控制的目的。

具体的，本发明的工作原理如下：

当间隔棒发生扭转振动时，装置内部的电磁颗粒吸振体在本体内滚动，挤压周边的压电发电单元。压电发电单元受到压力产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元中。压力传感器感应到压力变化并将信号传递给控制器，控制器可以根据压力大小调整流过励磁线圈中的电流大小。励磁线圈通电后，改变了装置内磁场强度，阻尼通道内金属小球带动磁流变液的流动方向与磁场方向垂直，使得磁流变液的流动性和粘度发生变化，提高金属小球运动的阻尼力，进而达到控制扭转振动的目的。

当间隔棒发生竖向平面内振动时，装置内部的电磁颗粒吸振体在本体的径向面内运动，碰撞挤压压电发电单元，电磁颗粒吸振体与橡胶板的内侧附有粘弹性材料，可增加碰撞耗能，压电发电单元受压产生电能，将电能储存在电能提取与存储单元内，为励磁线圈供电，在装置内部形成磁通量，电磁颗粒吸振体圆柱孔内的金属铜球随电磁颗粒吸振体运动切割磁感线，在金属小球内部形成感应电流，此电流在颗粒内闭合，发生电涡流效应将机械能转化为电能和热能消散，产生电磁阻尼效应；同时阻尼材料自身会产生碰撞和摩擦，将机械能转化为热能和声能，从而达到控制间隔棒竖直平面内振动的目的。

本发明的有益效果是：

本发明基于半主动控制理论提出了一种减振间隔棒，改变了防舞动装置主要使用被动控制的单一形式，实现防舞动效果更好的减振控制。

本发明通过改变磁流变液的流通特性来实时地调整阻尼器的阻尼，利用磁流变液的瞬时流变特性，给阻尼器提供瞬间改变的阻尼力，大大改善了一般半主动控制装置的时滞问题，从而达到良好的减振效果。

本发明应用压电陶瓷实现半主动减振装置的自主供能，将压电发电单元受振动产生的电能收集起来给励磁线圈供电，并用压力传感器与控制器控制励磁线圈内的电流变化，使磁流变液减振效果更佳。避免了能源浪费，解决了半主动减振装置的供能问题。

本发明构造简单，维护方便，效果明显，可用于输电线防舞动，保证结构的安全性和耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒的正视图；

图2、图3、图4为电磁颗粒吸振体的细部构造图；

图5为一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒的安装示意图；

图中：1电磁颗粒吸振体，2绝缘橡胶板，3压电发电单元，4金属球，5磁流变液，6励磁线圈，7夹持金具，8控制器，9电能提取与存储单元，10安装槽，11压力传感器，12圆柱孔，13绝缘橡胶盘，14橡胶螺栓，15阻尼材料，16绝磁橡胶，17本体，18磁流变液环筒，19本体的内腔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术中所描述的，目前，实际工程中应用于输电线路防舞动方面的减振控制多以被动控制为主。考虑到环境状况以及荷载的不确定性与随机性，被动控制具有一定的局限性。

因此，为保证输电线路的安全运行，需要研发一种减振效果明显，简单有效的防舞动减振间隔棒。近年来，压电陶瓷以其结构简单、无电磁干扰、易加工、能耗低、和易于控制等优势被广泛应用于减振领域。磁流变液由于具有良好的屈服应力、较强的塑性粘度，在相当宽的温度范围内具有较高的稳定性、响应速度快、杂质干扰小、能耗低等特性，同样也已经在隔振减振领域得到一定的应用。相比其他半主动控制装置而言，本装置无需输入能量即可实现与主动控制相近的减振效果，构造简单，造价经济，具有广泛的应用前景。本发明结合半主动控制技术理论，将磁流变阻尼器和压电陶瓷联合工作，在水平向减振方面采用电磁颗粒吸振体，将振动产生的机械能转化为电能最后转化为热能耗散，实现半主动防舞动减振控制。

本发明中所述的“馈能式”是指：装置可通过压电发电单元将结构振动产生的机械能转化为电能，并将电能收集起来为励磁线圈供电，从而实现此半主动减振装置的自主供能。本装置中的所述的“复合型”是指：本装置通过磁流变阻尼，电磁阻尼等多种耗能形式实现减振控制。

本发明提供的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，包括一个本体，本体内部形成一个空腔；在所述的本体内侧安装有励磁线圈，进一步的，所述的本体内壁上设有固定励磁线圈的安装槽；励磁线圈放置在安装槽内；在本体的外侧安装有金属夹具，更近一步的，金属夹具在本体外壁可以对称的分布四个，四个金属夹具夹持分裂导线，将分裂导线形成一个整体，从而提高输电线路的整体性。

励磁线圈与本体之间设有第一绝缘层进行绝缘，设置第一绝缘层的目的是防止外部输电线在间隔棒内形成磁通量而影响间隔棒的正常使用。在励磁线圈内圈设有充满磁流变液的环筒，环筒内装有可在环筒内滚动的金属球，进一步的要求，环筒的径向截面的大小只允许一个金属小球通过；装有磁流变液环状筒内的金属小球在环状筒内运动，带动磁流变液切割磁感线，磁流变液的流动性粘度改变，提高金属小球运动的阻尼力，进而达到控制间隔棒扭转振动的目的。

在环筒内圈沿圆周方向间隔的安装有多个压电发电单元，每个压电发电单元两端设有压力传感器，所述的压电发电单元与电能提取与存储单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路；所述的压力传感器用于感应压力值，控制器用于接收压力传感器信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电。

在所述的压电发电单元内圈设有第二绝缘层，在所述的第二绝缘层内侧设有电磁颗粒吸振体。所述的电磁颗粒吸振体包括一个带圆柱孔的橡胶圆盘，圆柱孔内填充有阻尼材料，圆柱孔的两端密封，防止阻尼材料漏出，电磁颗粒吸振体可在间隔棒内腔自由运动；作为进一步的限定，圆柱孔可以设置多个，多个圆柱孔的轴线方向与圆盘的轴线方向平行，在每个圆柱孔内部填充有数个直径不超过2mm的金属球作为阻尼材料,阻尼材料的整体体积占圆柱孔体积的50％，圆柱孔两端使用橡胶螺栓密封，阻尼材料的金属铜球在磁场中运动切割磁感线，内部形成闭合电流回路，将振动的机械能转化为电能最后转化为热能消散，从而达到间隔棒在平面内振动控制的目的。

作为进一步的限定，电磁颗粒吸振体橡胶盘的大小和质量可根据具体情况调节。更进一步的限定，电磁颗粒吸振体圆周外侧和压电发电单元内侧橡胶板内侧设有弹性材料层，增加碰撞耗能。

此外，在所述的环筒内圈沿圆周方向间隔的设置有多个隔板，每两个相邻的隔板之间安装有一个压电发电单元；在所述的隔板上还设有安装槽，所述的第二绝缘层两端固定于所述的安装槽上，防止压电发电单元所受压力过大而损坏。更近一步的，所述的压电发电单元设置的数量可根据具体情况调节。输电线受到外部荷载作用发生舞动时带动间隔棒振动，当间隔棒发生平面内振动及扭转时，内腔中的电磁颗粒吸振体在本体的内腔中竖直方向平面内运动，碰撞周边的第二绝缘层，对压电发电单元施加压力，从而产生电能，电能可储存在电能提取与存储单元中，压力传感器将压力变化信号传递给控制器，使其根据压力大小调整流过励磁线圈中的电流大小，改变内部磁场强度。

下面结合附图1-5对本发明进行详细说明，具体的，结构如下：

在本实施例中，馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，包括一个本体，具体的，本体17为圆状筒形结构，筒体的高度比较小，类似于一个圆柱盘结构，具体可以参见如图5所示；本体17内侧安装有环形设置的多个励磁线圈6，多个励磁线圈6形成一圈，励磁线圈6固定在本体17的内壁上；作为进一步的具体安装方式，可以在本体17的内壁上设置安装槽，励磁线圈6安装在所述的安装槽内，方便励磁线圈6的安装固定。在本体17的外侧安装有金属夹具，用于将整个装置悬挂在输电线路上。在励磁线圈6与本体17的内壁之间设有第一绝缘层进行绝缘；优选的，所述的绝缘层可以选用绝磁橡胶16层进行绝缘；且绝缘层沿本体的内圈设置有一圈；本体17内侧用绝磁橡胶16密封的目的主要只为了防止外部输电线在间隔棒内形成磁通量而影响间隔棒的使用。

进一步的，在励磁线圈6的内圈又设有一个磁流变液环筒18，磁流变液环筒18内部装有磁流变液5以及金属小球4，金属小球4可在磁流变液环筒18的阻尼通道内滚动，磁流变液环筒18内阻尼通道只容许一个金属小球4通过，即要求磁流变液环筒18的横截面积大于一个金属小球4的最大横截面积，小于两个金属小球4的最大横截面积之和；优选的，只要磁流变液环筒18的横截面积微大于一个金属小球4的最大横截面积即可，这里所述的最大横截面是指金属小球半径所在的平面。

更近一步的，上述磁流变液环筒18的结构为一个环形筒；环形筒的轴线与本体17轴线同轴设置。

进一步的，磁流变液环筒18内侧设有压电发电单元3，压电发电单元3安装在磁流变液环筒18内侧外壁上的形成的压电发电单元安装槽10内，压电发电单元3两端上部装有压力传感器11，压电发电单元3内侧表面上铺设有第二绝缘层，进一步的优选的，所述的第二绝缘层可选用绝缘橡胶板2；进一步的，所述的绝缘橡胶板2两端固定于压电发电单元3两端的压电发电单元3安装槽10上，防止压电发电单元所受压力过大而损坏。绝缘橡胶板2内侧为本体的内腔19，本体的内腔19中设有电磁颗粒吸振体1，电磁颗粒吸振体1可以在间隔棒内腔19中平面内自由振动。

上述的金属夹具采用如图1所示的夹持金具7的结构，夹持金具7采用一个耳朵状的挂钩结构，挂在金属导向上；在图1中夹持金具7设置有四个，四个夹持金具7均布在本体的外圈，不难理解的，在其他实施例中，夹持金具7的个数还可以设置三个或者五个等，具体的设置数量可以根据导线的数量进行选择。本实施例中，所述的间隔棒外壁17外侧对称分布四个夹持金具7，夹持金具7夹持分裂导线，将分裂导线形成一个整体，从而提高输电线路的整体性。

在本实施例中，上述压电发电单元3在间隔棒平面360度内均匀设置八个，不难理解的，在其他实施例中，压电发电单元3的数量可根据具体情况调节，可以是多余八个，例如10个，也可以是少于8个，例如6个、5个；可以是奇数个，也可以是偶数个。

上述压电发电单元安装槽10的形成方式可以是在环筒内壁上一体加工成型形成，或者是在环筒内壁上间隔设置外置的隔板形成，具体的可以根据实际工艺进行选择。

进一步的，如图2所示，上述的电磁颗粒吸振体1主要由绝缘橡胶盘13制成，绝缘橡胶盘13上有多个圆柱孔12，多个圆柱孔的轴线方向与圆盘的轴线方向平行；圆柱孔12内装有阻尼材料15，阻尼材料15由数个直径不大于2mm的金属铜球构成，优选的，阻尼材料15体积占圆柱孔12内部体积的50％左右；不难理解的，金属铜球的直径不限于本实例给出的2mm，可以大于2mm，也可以小于2mm，具体的根据实际需要进行设置；此外，阻尼材料15体积占圆柱孔12内部体积的不限于本实施例给出的50％，可以是30％、20％、60％或者65％等，可以根据实际需要进行设置；进一步的，本实施例中，所述的圆柱孔12两端使用橡胶螺栓14密封，防止阻尼材料15泄露；不难理解的，在其他实施例中，圆柱孔12的密封形式还可以采用别的方式。

进一步的，上述的电能提取与存储单元9以及控制器8固定在间隔棒外壁17外侧；压力传感器11用于感应压力值，控制器8用于接收压力传感器11的信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元9放电。

进一步的，所述的电磁颗粒吸振体1整体由橡胶制成，为一个盘状结构，具体见图中的橡胶盘13。

进一步的，电磁颗粒吸振体1中绝缘橡胶盘13的大小以及质量可根据具体情况调节。

进一步的，所述的电磁颗粒吸振体1圆周外侧和压电发电单元3内侧橡胶板2内侧附有粘弹性材料，增加碰撞耗能。

具体的工作过程如下：

按照图5所示，在输电线上安装馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，当间隔棒发生XY平面内的扭转振动时，装置内部的电磁颗粒吸振体1在间隔棒内腔内滚动，对周围的压电发电单元3产生压力，压电发电单元3产生电能，并将电能储存在电能提取与存储单元9中。压力传感器11感应到压力变化并将信号传递给控制器8，控制器8可以根据信号调整通入励磁线圈6中的电流大小。励磁线圈6通电后，改变了装置内磁场强度，阻尼通道内金属小球4带动磁流变液5流动，流动方向与磁感线垂直，使得磁流变液5的流动性和粘度发生变化，提高金属小球4运动的阻尼力，进而达到控制间隔棒扭转振动的目的。

当间隔棒发生XY平面内振动时，装置内部的电磁颗粒吸振体1在XY平面内随着间隔棒的振动进行运动，电磁颗粒吸振体1碰撞挤压压电发电单元3，电磁颗粒吸振体1与绝缘橡胶板2内侧的附有粘弹性材料，可增加碰撞耗能，压电发电单元3受压产生电能，将电能储存在电能提取与存储单元9内，为励磁线圈6供电，励磁线圈通电后在间隔棒中形成磁通量，电磁颗粒吸振体1上圆柱孔12内的阻尼材料15随电磁颗粒吸振体运动切割磁感线，在小铜球内部形成感应电流，此电流在小铜球内闭合，发生电涡流效应将机械能转化为电能和热能，产生电磁阻尼效应；同时阻尼材料15自身会产生碰撞和摩擦，将机械能转化为热能和声能，从而达到控制间隔棒竖直平面内振动的目的。

本发明基于半主动控制理论提出了一种减振间隔棒。改变了防舞动装置主要使用被动控制的单一形式，实现多种形式的减振耗能，达到更好的防舞动控制效果。

本发明在不同的荷载激励下，通过改变磁流变液5的流通特性来实时地调整阻尼器的阻尼，利用磁流变液的瞬时流变特性，给阻尼器提供瞬间改变的阻尼力，大大改善了一般防舞动装置的时滞问题，从而达到良好的减振效果。

本发明应用压电陶瓷实现装置的自主供能，将压电发电单元3受振动产生的电能收集起来给励磁线圈6供电，并用压力传感器11与控制器8控制励磁线圈6内的电流变化，使磁流变液减振效果更佳。避免了能源浪费，解决了半主动减振装置的供能问题。

本发明的上述实施方案并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，包括本体，本体内部形成一个空腔；在所述的本体内侧安装有励磁线圈，本体的外侧安装有金属夹具，励磁线圈与本体之间设有第一绝缘层进行绝缘；在励磁线圈内圈设有充满磁流变液的环筒，环筒与本体同轴安装；环筒内装有可在环筒内滚动的金属球；在环筒内圈沿圆周方向间隔的安装有多个压电发电单元，每个压电发电单元两端设有压力传感器，所述的压电发电单元与电能提取与存储单元、控制器以及励磁线圈串联形成闭合回路，在所述的压电发电单元内圈设有第二绝缘层，在所述的第二绝缘层内侧设有电磁颗粒吸振体。

2.如权利要求1所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的电磁颗粒吸振体包括一个带圆柱孔的橡胶圆盘，圆柱孔内填充有阻尼材料，圆柱孔的两端密封，电磁颗粒吸振体可在本体空腔自由运动。

3.如权利要求2所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的圆柱孔包括多个，多个圆柱孔的轴线方向与圆盘的轴线方向平行，在每个圆柱孔内部填充有数个金属球作为阻尼材料。

4.如权利要求3所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述阻尼材料的整体体积占圆柱孔体积的50％；

圆柱孔两端使用橡胶螺栓密封。

5.如权利要求1所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的电磁颗粒吸振体圆周外侧和/或压电发电单元内侧橡胶板内侧设有弹性材料层。

6.如权利要求1所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，在所述的环筒内圈沿圆周方向间隔的设置有多个隔板，每两个相邻的隔板之间安装有一个压电发电单元；在所述的隔板上还设有安装槽，所述的第二绝缘层两端固定于所述的安装槽上。

7.如权利要求1或6所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的环筒的径向截面的大小只允许一个金属小球通过。

8.如权利要求1所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的电能提取与存储单元以及控制器固定在本体下方外壁外侧；

所述的压力传感器用于感应压力值，控制器用于接收压力传感器信号并根据此信号来控制电能提取与存储单元放电。

9.如权利要求1所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的本体内壁上设有固定励磁线圈的安装槽。

10.如权利要求1所述的一种馈能式复合型防舞动耗能间隔棒，其特征在于，所述的金属夹具在本体外壁对称分布有四个，四个金属夹具夹持分裂导线。