CN109994980B - 扭转阻尼式电磁防舞器及其架空输电线路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扭转阻尼式电磁防舞器，主要由圆盘形励磁部件和感应部件构成，励磁部件与感应部件沿轴向依次排列，二者之间为气隙。励磁部件主要由基板和扇形永磁体构成；感应部件主要由导电板和导磁板构成。本发明的扭转阻尼式电磁防舞器具有结构简单、运行稳定、安全可靠、成本低、阻尼效果好等优点。

Description

扭转阻尼式电磁防舞器及其架空输电线路

技术领域

本发明涉及一种扭转阻尼式电磁防舞器及其架空输电线路，属于架空输电线路中振动控制技术领域。

背景技术

架空输电线路导线覆冰舞动是发生频率高、影响范围广、造成损失大的一种灾害形式，舞动故障的频发已严重威胁到电网的安全稳定运行。面对日益复杂的气象环境因素，为建设坚强国家电网，确保大电网的长期安全稳定运行，需要安全、先进、经济、可靠的防舞动理论和方案措施作为保证。输电线路覆冰舞动具有发生机理复杂、防治难度大和破坏力强的特点，是架空输电线路领域国际公认的难题。

由于导线舞动为低频、大振幅振动，振幅最大可达十米以上，且在大风激励下，舞动会不断加剧，直到输电系统发生严重破坏。因此，舞动产生的危害是多方面的，轻者发生闪络、跳闹；重者发生金具及绝缘子损坏，导线断股、断线，杆塔螺栓松动、脱落，甚至倒塔，导致重大电网事故。

目前常用防舞装置包括相间间隔棒、双摆防舞器、线夹回转式间隔棒、失谐摆、防舞鞭、偏心重锤、阻尼防舞器、扰流器等。

如现有技术，中国专利(申请号：CN200910092772，公告号：CN101692567B)公开一种悬摆式阻尼型防舞装置，该悬摆式阻尼型防舞装置包括联板(1)、阻尼减振结构(2，3)、和双摆结构(4)，其特征在于所述阻尼减振结构包括至少一个弹簧结构(2)和阻尼器(3)，所述联板(1)起固定连接阻尼结构和间隔棒本体的作用，所述联板(1)和间隔棒本体用螺栓连接在一起，所述联板(1)为双板结构或单板结构，联板(1)上端设置的螺栓连接孔用于通过螺栓和间隔棒本体进行连接，联板(1)下端设置的连接孔用于与弹簧结构进行连接；所述弹簧结构(2)装在联板(1)和阻尼器(3)之间，所述弹簧结构(2)是由一个弹簧或几个性能相同的弹簧并联组成的，具有吸收能量的作用，当输电线路导线欲发生舞动时，促使导线发生舞动的能量非常大，加装弹簧结构(2)可以通过压缩弹簧使能量瞬间储存于弹簧中，然后再慢慢的释放出来；弹簧结构储存的能量可通过阻尼器(3)得到释放。所述阻尼器(3)连接在弹簧结构(2)和双摆结构(4)之间，用来吸收释放弹簧结构储存的能量，其可以实现减振、平衡、缓冲、消振的功能，从而使得该防舞装置实现自身缓冲能量、消耗能量、抑制舞动的目的；所述阻尼器(3)的下端连接双摆防舞器的双摆结构(4)，所述双摆结构(4)可改变架空输电线路的扭转刚度和转动惯量等参数，从而达到抑制架空输电线路舞动的效果。

虽然国内在间隔棒、防舞器的改造上进行了大量的研究，采取了一定措施后情况有所缓解，但其结构仍然采用机械阻尼装置，其在能量的转化散逸速率方面仍然存在缺陷。因此，如何设计开发出具有减振能力强、传动结构更有效率、便于工程应用特点的防舞器仍是目前面临的实际问题。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种利用非接触电磁力的扭转阻尼式电磁防舞装置，以抑制输电线路舞动。

其技术方案如下：

一种扭转阻尼式电磁防舞器，包括安装在多分裂子间隔棒上的电磁阻尼器以及重力摆构成，所述多分裂子间隔棒安装在电力线上，其中，电磁阻尼器本体包括重力摆、励磁部件和感应部件，所述励磁部件安装固定在多分裂子间隔棒上，其中所述励磁部件与所述感应部件、所述重力摆之间通过转轴形成完整的结构，所述励磁部件与转轴活动连接，所述感应部件、所述重力摆分别与转轴固定连接，转轴两端设置有与转轴可固定连接的紧固件，所述励磁部件与通过悬挂结构连接在多分裂子间隔棒上，构成防舞器定子结构。所述转轴末端紧固件固定连接减速器的固定端，所述重力摆与所述减速器的低速轴相连，所述感应部件与所述减速器的高速轴相连，高速轴的齿轮套设于转轴外部，通过轴承与转轴连接，起到支撑作用。

所述减速器可选为行星齿轮减速器结构。所述减速器由齿轮组组成。

所述电磁阻尼器的两个所述感应部件位于励磁部件的轴向两侧，每个所述感应部件与励磁部件的轴之间均为非接触结构，其间存在气隙；所述励磁部件包括基板和永磁体，其中所述基板为将永磁体固定于转轴上并承载安装永磁体的结构，所述永磁体固定设置于基板内。

在基板每一个靠近所述感应部件侧面上，所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁场结构沿圆周方向成均匀排列，每个对应侧所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧则设置有与磁场配合的感应结构。

所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构优选为：所述感应部件包括导电板和导磁板，所述导电板粘贴固定在导磁板的气隙侧，所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列或沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构。

所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构优选为：所述感应部件包括内端环、外端环、多个导条和导磁板，所述外端环固定在导磁板的径向最外侧，所述内端环固定在接近转轴的最内侧，所述导条两端分别固定设置在所述内端环和外端环上，并固定在导磁板上；所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列，依次固定在基板上，其N、S磁极与每两个导条结构之间间隔所形成的扇形圆心角角度相同。

所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构优选为：所述感应部件包括导条、内端环、多个中间端环、外端环和导磁板，所述外端环固定在导磁板的径向最外侧，所述内端环固定在接近转轴的最内侧，所述导条两端分别固定设置在所述内端环和外端环上，各个中间端环设置在内端环与外端环之间，所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，所述中间端环之间的距离与每个Halbach阵列结构上，每两个磁场垂直于永磁体表面处之间的间隔距离相同。

优选地：所述感应部件中的所述导磁板的两侧沿径向开槽，各个槽沿圆周方向排列，所述导磁板上的每个槽中嵌放一根导条。

优选地：电磁阻尼器感应部件的导电板、导条、端环及绕组采用铜或铝材料。

优选地：所述电磁阻尼器还包括功率变换器，所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构优选为：所述感应部件由交流绕组和支架构成，在支架的气隙侧沿径向开槽，各个槽沿圆周方向排列，槽中嵌放交流绕组，交流绕组的引出线与功率变换器的交流输入端口相连，此时：所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列，依次固定在基板上，其N、S磁极与每两个导条结构之间间隔所形成的扇形圆心角角度相同，所述交流绕组形状大小与每个N极区域或S级区域相同；或所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，所述中间端环之间的距离与每个Halbach阵列结构上，此时所述交流绕组形状大小与每两个磁场垂直于永磁体表面处之间的磁场区域形状大小相同。

优选地：所述支架气隙侧光滑，所述交流绕组粘贴固定在支架气隙侧。

本发明还公开一种架空输电线，该架空输电线上设置上述任一所述的扭转阻尼式电磁防舞器。

有益效果：励磁部件永磁体产生的磁力线“切割”感应部件，会在感应部件中感应涡流，从而产生涡流阻尼转矩，使得摆动能量迅速在电路中转化为热量释放。

附图说明

图1是本发明扭转阻尼式电磁防舞器中电磁阻尼器的结构示意图。

图2是本发明扭转阻尼式电磁防舞器中电磁阻尼器与相关电缆整体结构。

图3是Halbach磁场结构示意图。

图4(a)、(b)是沿轴向磁极交替排列的磁体结构示意图。

图5是交流绕组的支架结构示意图。

图6是行星减速器的结构原理图。

图7是转轴端部固定结构的一种可选方式。

图8是一种功率变换器和负载网络的示意图。

图9为本发明扭转阻尼式电磁防舞器中实施例2中A-A向剖视图。

图10为本发明扭转阻尼式电磁防舞器中实施例2中转动状态下电流产生状态示意图。

图11为本发明扭转阻尼式电磁防舞器中实施例3中A-A向剖视图。其中：电磁阻尼器本体1，感应部件2，转轴3，励磁部件4，重力摆5，永磁体6，基板7

具体实施方式

一种扭转阻尼式电磁防舞器，包括安装在多分裂子间隔棒上的电磁阻尼器以及重力摆构成，其特征为：所述多分裂子间隔棒卡装在电力线上，电磁阻尼器定子安装固定在多分裂子间隔棒上，电磁阻尼器转子与重力摆相连。

实施例1

一种扭转阻尼式电磁防舞器，包括安装在多分裂子间隔棒上的电磁阻尼器以及重力摆构成，所述多分裂子间隔棒安装在电力线上，其中，电磁阻尼器本体1包括重力摆5、励磁部件4和感应部件2，所述励磁部件4安装固定在多分裂子间隔棒上，其中所述励磁部件与所述感应部件2、所述重力摆5之间通过转轴3形成完整的结构，所述励磁部件4与转轴3活动连接，所述感应部件2、所述重力摆5分别与转轴3固定连接，转轴两端设置有与转轴可固定连接的紧固件，所述励磁部件4与通过悬挂结构连接在多分裂子间隔棒上，构成防舞器定子结构。所述转轴末端紧固件固定连接减速器的固定端，所述重力摆5由摆锤和连杆组成，摆锤内部由密度较大的实心金属填充，如：铅、铜、不锈钢等，其长度、摆锤质量的设置，依照其摆动的固有频率接近于电力线固有舞动频率的方式设置，连杆与所述减速器的低速轴相连，当电力线产生摆动时，由于摆锤的连杆通过减速器连接于固定的转轴上，因而其会底部金属结构会发生相对转轴的运动。所述感应部件2与所述减速器的高速轴相连，高速轴的齿轮套设于转轴外部，通过轴承与转轴连接，起到支撑作用。

所述电力线固有舞动频率可近似为f＝Sv/D，S为Strouhal数，大小一般取决于结构的剖面形状和雷诺数，v为当地通常情况下，带来舞动的风力来流速度，D为单导线直径，多根导体情况下，其各个导体固有频率由于外部环境相同而相同；摆锤的长度与电力线的固有频率相适应，其摆锤质量则设计为使重力摆重心部分位于摆锤上。

所述减速器可选为行星齿轮减速器结构。所述减速器由齿轮组组成，其齿轮组一端借由上述连接关系发生转动时，另一端，通过减速器的齿轮结构的传动作用发生与中轴速度不同的同向运动，当阻尼器随着电缆发生摆动使得重力摆发生摆动时，在重力摆的频率相对固定的情况下，使感应部件与励磁部件电磁感应的部分之间产生更大的磁通量变化率，从而在相同磁场强度下，实现更好的涡流产生效果。

所述电磁阻尼器的两个所述感应部件2位于励磁部件4的轴向两侧，每个所述感应部件2与励磁部件4的轴之间均为非接触结构，其间存在气隙；所述励磁部件4包括基板7和永磁体6，其中所述基板是与多分裂子间隔棒固定安装的结构，同时，永磁体6固定设置于基板7内，使基板作为承载安装永磁体6的结构，所述转轴3中心部与基板7几何中心固定连接，与板面垂直，基板7优选为沿转轴的周线方向截面为圆形的板体。

在基板每一个靠近所述感应部件侧面上，所述励磁部件4的所述基板内的所述永磁体6磁场结构沿圆周方向成均匀排列，每个对应侧所述感应部件靠近所述励磁部件4的一侧则设置有与磁场配合的感应结构。

所述感应部件靠近所述励磁部件4的一侧结构优选为：所述励磁部件4的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列或沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，其永磁体表面与励磁部件4的基板表面法线方向平行。所述感应部件2包括导电板和导磁板，所述导电板粘贴或连接固定在导磁板的气隙侧，励磁部件4与感应部件2上永磁体表面之间气隙的距离小于Halbach阵列结构中，磁场基本垂直于感应部件的空间区域的尺寸。

其工作原理在于：当感应部件2在重力摆5的带动下产生相对于励磁部件4结构的运动时，在导电板结构上会产生涡流从而将摆动能量部分散逸。

实施例2

在实施例1结构的基础上，对其感应部件2的结构进行进一步改进。感应部件2靠近所述励磁部件4的一侧结构为：所述感应部件2包括内端环、外端环、多个导条和导磁板，所述外端环固定在导磁板的径向最外侧，所述内端环固定在接近转轴的最内侧，所述导条两端分别固定设置在所述内端环和外端环上，并固定在导磁板上，每两个相邻导条与其所连接的内端环、外端环部分之间，可以构成闭合的回路，其中导条为导电材质，内端环与外端环为支撑结构，外部沉积涂有镍铬合金金属层，并通过刻线形成电阻结构；所述励磁部件4的所述基板7内的所述永磁体6磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列，依次固定在基板上，其N、S磁极与每两个导条结构之间间隔所形成的扇形圆心角角度相同。

其工作原理在于：当重力摆5随着电力线舞动而发生摆动时，每两个导条、内端环与外端环四个结构之间构成回路，当其感应部件从任意一个位置开始转动时，在每个回路中通随着磁通量的变化，回路上产生相应方向的电流，进而由回路中电阻部件发热将能量散逸。

实施例3

在实施例1、2的结构上，对感应部件2靠近所述励磁部件4的一侧结构进行进一步改进：所述感应部件2包括导条、内端环、多个中间端环、外端环和导磁板，所述外端环固定在导磁板的径向最外侧，所述内端环固定在接近转轴的最内侧，所述导条两端分别固定设置在所述内端环和外端环上，每两个相邻导条与其所连接的相邻端环部分之间，可以构成闭合的回路，导条为导电材质，内端环与外端环为支撑结构，外部沉积涂有镍铬合金金属层，并通过刻线形成电阻结构；各个中间端环设置在内端环与外端环之间，所述励磁部件4的所述基板7内的所述永磁体6，将其磁极方向沿基板7的圆周方向设置有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，所述中间端环之间的距离、两导条之间所限定的尺寸与其所对应圆周位置上的Halbach阵列结构上单一永磁体的尺寸相同，每两个磁场垂直于永磁体6表面处之间的间隔距离相同。

其工作原理在于：当重力摆5随着电力线舞动而发生摆动时，每两个导条、相邻两端环四个结构之间构成回路，当其感应部件从任意一个位置开始转动时，在每个回路中通随着磁通量的变化，回路上产生相应方向的电流，进而由回路中电阻部件发热将能量散逸。

实施例4

本实施例中，对感应部件的结构进行了改变：

电磁阻尼器还包括功率变换器。所述功率变换器设置于感应部件2的支架下部，其从两侧分别设置输入端，输入端后部设置稳压整流部件及负载电阻结构，所述感应部件2靠近所述励磁部件4的一侧结构优选为：所述感应部件2由交流绕组和支架(支架结构参见图5所示)构成，在支架的气隙侧沿径向开槽，各个槽沿圆周方向排列，槽中嵌放交流绕组，交流绕组的引出线与功率变换器的交流输入端口相连。

此时：所述励磁部件4的所述基板7内的所述永磁体6磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列，依次固定在基板上，其N、S磁极与每两个导条结构之间间隔所形成的扇形圆心角角度相同，所述交流绕组形状大小与每个N极区域或S级区域相同；或所述励磁部件4的所述基板7内的所述永磁体6磁极沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，所述中间端环之间的距离与每个Halbach阵列结构上，此时所述交流绕组形状大小与每两个磁场垂直于永磁体表面处之间的磁场区域形状大小相同。

其工作原理在于：当重力摆5随着电力线舞动而发生摆动时，通过每个感应部件2支架结构内设置的电感线圈的运动，在线圈上产生方向交替变化、大小基本恒定的电流，通过对上述相对稳定电流的进行功率变换器上的稳压和整流，使其形成稳定的输出电流并将其输出至设置于感应部件上的负载网络。起到对舞动能量的消耗效果。

扭转阻尼式电磁防舞器工作原理：

本发明防舞器中的重力摆当电力线发生舞动时绕转子轴旋转，励磁部件永磁体产生的磁力线“切割”感应部件，会在感应部件中感应涡流，从而产生涡流阻尼转矩。因此，本发明通过显著增加系统扭转阻尼可以有效地解决舞动问题。增加系统的扭转阻尼，就是将动能消耗成热能，限制了风能转变为系统动能的强度，有效防止了电力线舞动(扭转和摆动)。同时，由于将动能转化为热能的部件是非接触的电磁阻尼，没有接触的磨损，大大提高了设备的使用寿命和可靠性。

此外，本发明还公开了一种将该防舞器应用于架空输电线路上，其技术方案包括上述防舞器的所述技术特征。

上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种扭转阻尼式电磁防舞器，包括安装在多分裂子间隔棒上的电磁阻尼器以及重力摆构成，所述多分裂子间隔棒安装在电力线上，其特征在于，电磁阻尼器本体包括重力摆、励磁部件和感应部件，所述励磁部件安装固定在多分裂子间隔棒上，其中所述励磁部件与所述感应部件、所述重力摆之间通过转轴形成完整的结构，所述励磁部件与转轴活动连接，所述感应部件、所述重力摆分别与转轴固定连接；所述电磁阻尼器本体的所述感应部件与所述重力摆之间的转轴部分为一减速器，所述重力摆与所述减速器的低速轴相连，所述感应部件与所述减速器的高速轴相连；所述励磁部件包括基板和永磁体，其中所述基板为将永磁体固定于转轴上并承载安装永磁体的结构，所述永磁体固定设置于基板内；在基板每一个靠近所述感应部件侧面上，所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁场结构沿圆周方向成均匀排列，每个对应侧所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧则设置有与磁场配合的感应结构；所述电力线固有舞动频率为f＝Sv/D，S为Strouhal数，大小取决于结构的剖面形状和雷诺数，v为带来舞动的风力来流速度，D为单导线直径，摆锤的长度与电力线的固有频率相适应，其摆锤质量则设计为使重力摆重心部分位于摆锤上；所述减速器为行星齿轮减速器结构，由齿轮组组成，其齿轮组一端发生转动时，另一端通过减速器的齿轮结构的传动作用发生与中轴速度不同的同向运动，当阻尼器随着电缆发生摆动使得重力摆发生摆动时，在重力摆的频率相对固定的情况下，使感应部件与励磁部件电磁感应的部分之间产生更大的磁通量变化率，从而在相同磁场强度下，实现更好的涡流产生效果。

2.根据权利要求1所述的扭转阻尼式电磁防舞器，其特征在于：所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构为：所述感应部件包括导电板和导磁板，所述导电板粘贴固定在导磁板的气隙侧，所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列或沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构。

3.根据权利要求1所述的扭转阻尼式电磁防舞器，其特征在于：所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构为：所述感应部件包括内端环、外端环、多个导条和导磁板，所述外端环固定在导磁板的径向最外侧，所述内端环固定在接近转轴的最内侧，所述导条两端分别固定设置在所述内端环和外端环上，并固定在导磁板上；所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列，依次固定在基板上，其N、S磁极与每两个导条结构之间间隔所形成的扇形圆心角角度相同。

4.根据权利要求1所述的扭转阻尼式电磁防舞器，其特征在于：所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构为：所述感应部件包括导条、内端环、多个中间端环、外端环和导磁板，所述外端环固定在导磁板的径向最外侧，所述内端环固定在接近转轴的最内侧，所述导条两端分别固定设置在所述内端环和外端环上，各个中间端环设置在内端环与外端环之间，所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，所述中间端环之间的距离与每个Halbach阵列结构上，每两个磁场垂直于永磁体表面处之间的间隔距离相同；所述电磁阻尼器还包括功率变换器，所述感应部件靠近所述励磁部件的一侧结构为：所述感应部件由交流绕组和支架构成，在支架的气隙侧沿径向开槽，各个槽沿圆周方向排列，槽中嵌放交流绕组，交流绕组的引出线与功率变换器的交流输入端口相连，此时：所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿圆周方向成扇形的N、S磁极交替排列，依次固定在基板上，其N、S磁极与每两个导条结构之间间隔所形成的扇形圆心角角度相同，所述交流绕组形状大小与每个N极区域或S级区域相同；或所述励磁部件的所述基板内的所述永磁体磁极沿径向具有一定间隔排列的多个Halbach阵列结构，所述中间端环之间的距离与每个Halbach阵列结构上，此时所述交流绕组形状大小与每两个磁场垂直于永磁体表面处之间的磁场区域形状大小相同。

5.根据权利要求3或4所述的扭转阻尼式电磁防舞器，其特征在于：所述感应部件中的所述导磁板的两侧沿径向开槽，各个槽沿圆周方向排列，所述导磁板上的每个槽中嵌放一根导条，所述电磁阻尼器感应部件的导电板采用铜或铝材料。

6.一种架空输电线路，其特征为：在所述架空输电线路上设置如权利要求1-5任一所述的扭转阻尼式电磁防舞器。

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