CN113418669B - 输电线路非接触式电磁激励系统参数确定方法 - Google Patents

输电线路非接触式电磁激励系统参数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输电线路非接触式电磁激励系统及其参数确定方法。本发明非接触式电磁激励系统包括信号发生器、功率放大器和载流圆线圈；一台信号发生器连接多个功率放大器，每个功率放大器连接一个载流圆线圈；在输电导线上均匀安装有与所述载流圆线圈数量相同的永磁体，各载流圆线圈位于输电导线的同一侧，并与各永磁体保持一定的距离非接触式一一相对；在输电导线的另一侧，设有视频测量仪，并与各永磁体保持一定的距离非接触式一一相对。本发明在进行非接触式电磁激励系统参数设计时，首先确定其几何参数，再确定非接触式电磁激励系统的物理参数。本发明既可进行单一激励频率的影响分析，也可组合多种激励频率以模拟复杂的风荷载工况。

Description

输电线路非接触式电磁激励系统参数确定方法
技术领域
本发明属于大跨越架空输电线路舞动模型试验研究技术领域，具体涉及一种模型试验中输电线路非接触式电磁激励系统及其参数确定方法。
背景技术
大跨越架空输电线路舞动模型试验研究，一般采用风洞激励或接触式模拟激励。由于输电线路跨度大，即使采用小比例缩尺模型，也需利用特殊风洞才能满足试验要求，实现较为困难，而且风洞试验中所施加的风荷载包含了很多的频率成分，不便于对输电线舞动进行激励频率的影响分析。接触式模拟激励系统在施加激励的同时也产生了多余的附加约束，从而改变了输电线本身的动力特性，与实际的舞动状态不符。
发明内容
发明的目的之一在于针对上述问题，提供一种输电线路非接触式电磁激励系统，从而为输电线舞动研究提供一种全新的模拟试验方式。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该输电线路非接触式电磁激励系统，它包括信号发生器、功率放大器和载流圆线圈；一台信号发生器连接多个功率放大器，每个功率放大器连接一个载流圆线圈；在输电导线上均匀安装有与所述载流圆线圈数量相同的永磁体，各载流圆线圈位于输电导线的同一侧，并与各永磁体保持一定的距离非接触式一一相对；在输电导线的另一侧，设有视频测量仪，并与各永磁体保持一定的距离非接触式一一相对。
具体的，所述载流圆线圈是在其圆心轴线附近产生均匀交变磁场的载流圆线圈。
具体的，所述永磁体为钕铁硼永磁体。
本发明的目的之二在于提供上述输电线路非接触式电磁激励系统的参数确定方法，它包括如下步骤：
(1)确定其几何参数：
相与相之间的投影距离设为2a，将起振后跨中最大振幅控制在a以内且不触碰载流圆线圈，因此载流圆线圈与永磁体之间的距离可确定为a，载流圆线圈的平均半径r也可取为a；
(2)确定其物理参数：
首先按能量原理得到与输电导线等效的单自由度质量弹簧系统，且等效质量为：
Figure BDA0003128787850000022
式(1)中，l为输电导线跨度，ρ为输电导线线密度；
利用输电导线系统基频f、等效质量Me可进一步求出输电导线系统的等效刚度Ke，且：
Ke＝(2πf)2Me (2)；
质量弹簧系统服从胡克定律，根据线路跨中的最大振幅a，即可求出激励系统所需的电磁力F，即：
F＝Kea (3)；
依据所需的电磁力F，便可进行磁感应强度及载流圆线圈安匝数的设计；设载流圆线圈产生的磁场在永磁体处的磁感应强度为B1，则：
Figure BDA0003128787850000021
式(4)中，K为比例常数，其与载流圆线圈和永磁体之间的距离及空气介质有关，当距离较小时，K可取为15000左右；B2为永磁体表面的磁感应强度，取决于所选用的永磁体型号；
设载流圆线圈安匝数为NI，且：
Figure BDA0003128787850000031
式(5)中，B(x)为载流圆线圈轴线上任意一点的磁感应强度；x为载流圆线圈轴线上该点到载流圆线圈中心的距离；μ0为空气磁导率常数，可取为4π×10-7Tm/A；r为载流圆线圈平均半径；
当x取为a，即B(x)为B1时，根据式(5)容易求出载流圆线圈的安匝数NI，继而考虑载流圆线圈厚度及安全因素，可确定载流圆线圈最终匝数与电流参数；
由于输电导线各阶固有频率较低，一般电源无法达到既能产生较低的电流频率，又能输出足够的功率驱动线圈，因此采用信号发生器与功率放大器的组合来实现这一目标，且该系统中功率放大器所需的额定输出功率P为：
Figure BDA0003128787850000032
式(6)中，R2是载流圆线圈直流电阻，可用欧姆表直接测得；L为载流圆线圈电感，是线圈固有特性，可用交流电桥法直接测得；I为电流强度，f为电流频率；
根据式(6)可知，当电流强度一定时，电流频率越大，功率放大器所需额定输出功率越高，根据试验所需的上限频率，即可算出额定输出功率的最大值Pm。
本发明的输电线路非接触式电磁激励系统及其参数确定方法，既可进行单一激励频率的影响分析，也可组合多种激励频率以模拟复杂的风荷载工况。通过简单的参数设置，即可改变激励的频率、幅值和相位等参数，从而激发输电线路各种不同的舞动状态。因此，本发明电磁激励系统可为输电线舞动机理及其减振控制研究提供技术支持。
附图说明
图1是本发明输电线路非接触式电磁激励系统的结构示意图。
图2是图1中一组非接触式电磁激励系统的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图1、图2，本实施例的输电线路非接触式电磁激励系统，它包括非接触式电磁激励系统：信号发生器1、功率放大器2和载流圆线圈3；一台信号发生器1连接3个功率放大器2，每个功率放大器2连接一个在其圆心轴线附近能产生均匀交变磁场的载流圆线圈3；在信号发生器1的控制面板中通过调整旋钮输入所需的波形、频率和幅值来产生单一的简谐信号或多种简谐信号的组合信号；功率放大器2将信号发生器1产生的信号放大，保证信号在一定频率范围内不失真的情况下能够输出足够的功率来驱动载流圆线圈3；载流圆线圈3是磁场发生装置，信号经功率放大器2放大后输入载流圆线圈3，载流圆线圈3在圆心轴线附近产生较为均匀且与信号同频的交变磁场，当永磁体处于该交变磁场中时，便会受到交变电磁力作用。在某一相输电导线5上均匀安装有与载流圆线圈3数量相同的3个钕铁硼永磁体4，各载流圆线圈3位于输电导线5的同一侧，并与各钕铁硼永磁体4保持一定的距离非接触式一一相对；在输电导线5的另一侧，设有视频测量仪6作为测试系统，并与各钕铁硼永磁体4保持一定的距离非接触式一一相对。
在进行本发明上述非接触式电磁激励系统参数设计时，首先确定其几何参数。相与相之间的投影距离设为2a，将起振后跨中最大振幅控制在a以内且不触碰载流圆线圈3，因此载流圆线圈3与钕铁硼永磁体4之间的距离可确定为a，载流圆线圈3的平均半径r也可取为a。
在确定非接触式电磁激励系统的物理参数时，首先要按能量原理得到与输电导线5等效的单自由度质量弹簧系统，且等效质量为：
Figure BDA0003128787850000051
式(1)中，l为输电导线跨度，ρ为输电导线线密度。利用输电导线系统基频f、等效质量Me可进一步求出输电导线系统的等效刚度Ke，且：
Ke＝(2πf)2Me (2)；
质量弹簧系统服从胡克定律，根据线路跨中的最大振幅a，即可求出激励系统所需的电磁力F，即：
F＝Kea (3)；
依据所需的电磁力F，便可进行磁感应强度及载流圆线圈3安匝数的设计。设载流圆线圈3产生的磁场在钕铁硼永磁体4处的磁感应强度为B1，则：
Figure BDA0003128787850000052
式(4)中，K为比例常数，与载流圆线圈3和钕铁硼永磁体4之间的距离及空气介质有关，当距离较小时，K可取为15000左右，B2为钕铁硼永磁体4表面的磁感应强度，取决于所选用的钕铁硼永磁体型号。
设载流圆线圈3安匝数为NI，且：
Figure BDA0003128787850000053
式(5)中，B(x)为载流圆线圈3轴线上任意一点的磁感应强度；x为载流圆线圈轴线上该点到载流圆线圈中心的距离；μ0为空气磁导率常数，可取为4π×10-7Tm/A；r为载流圆线圈平均半径。
当x取为a，即B(x)为B1时，根据式(5)容易求出载流圆线圈3的安匝数NI，继而考虑载流圆线圈3厚度及安全因素，可确定载流圆线圈3最终匝数与电流参数。
由于输电导线各阶固有频率较低，一般电源无法达到既能产生较低的电流频率，又能输出足够的功率驱动载流圆线圈3，因此采用信号发生器1与功率放大器2的组合来实现这一目标，且该系统中功率放大器2所需的额定输出功率P为：
Figure BDA0003128787850000061
式(6)中，R2是载流圆线圈3直流电阻，可用欧姆表直接测得。L为载流圆线圈3电感，是线圈固有特性，可用交流电桥法直接测得。I为电流强度，f为电流频率。
根据式(6)可知，当电流强度一定时，电流频率越大，功率放大器2所需额定输出功率越高，根据试验所需的上限频率，即可算出额定输出功率的最大值Pm。

Claims (1)

1.一种输电线路非接触式电磁激励系统的参数确定方法，所述输电线路非接触式电磁激励系统，它包括信号发生器、功率放大器和载流圆线圈；一台信号发生器连接多个功率放大器，每个功率放大器连接一个载流圆线圈；在输电导线上均匀安装有与所述载流圆线圈数量相同的永磁体，各载流圆线圈位于输电导线的同一侧，并与各永磁体保持一定的距离非接触式一一相对；在输电导线的另一侧，设有视频测量仪，并与各永磁体保持一定的距离非接触式一一相对；
其特征在于包括如下步骤：
(1)确定其几何参数：
相与相之间的投影距离设为2a，将起振后跨中最大振幅控制在a以内且不触碰载流圆线圈，因此载流圆线圈与永磁体之间的距离确定为a，载流圆线圈的平均半径r也取为a；
(2)确定其物理参数：
首先按能量原理得到与输电导线等效的单自由度质量弹簧系统，且等效质量为：
Figure FDA0003646838520000011
式(1)中，l为输电导线跨度，ρ为输电导线线密度；
利用输电导线系统基频f、等效质量Me进一步求出输电导线系统的等效刚度Ke，且：
Ke＝(2πf)2Me (2)；
质量弹簧系统服从胡克定律，根据线路跨中的最大振幅a，即求出激励系统所需的电磁力F，即：
F＝Kea (3)；
依据所需的电磁力F，便进行磁感应强度及载流圆线圈安匝数的设计；设载流圆线圈产生的磁场在永磁体处的磁感应强度为B1，则：
Figure FDA0003646838520000021
式(4)中，K为比例常数，其与载流圆线圈和永磁体之间的距离及空气介质有关，当距离较小时，K取为15000左右；B2为永磁体表面的磁感应强度，取决于所选用的永磁体型号；
设载流圆线圈安匝数为NI，且：
Figure FDA0003646838520000022
式(5)中，B(x)为载流圆线圈轴线上任意一点的磁感应强度；x为载流圆线圈轴线上该点到载流圆线圈中心的距离；μ0为空气磁导率常数，取为4π×10-7Tm/A；r为载流圆线圈平均半径；
当x取为a，即B(x)为B1时，根据式(5)容易求出载流圆线圈的安匝数NI，继而考虑载流圆线圈厚度及安全因素，确定载流圆线圈最终匝数与电流参数；
由于输电导线各阶固有频率较低，一般电源无法达到既能产生较低的电流频率，又能输出足够的功率驱动线圈，因此采用信号发生器与功率放大器的组合来实现这一目标，且该系统中功率放大器所需的额定输出功率P为：
Figure FDA0003646838520000023
式(6)中，R2是载流圆线圈直流电阻，用欧姆表直接测得；L为载流圆线圈电感，是线圈固有特性，用交流电桥法直接测得；I为电流强度，f为电流频率；
根据式(6)可知，当电流强度一定时，电流频率越大，功率放大器所需额定输出功率越高，根据试验所需的上限频率，即算出额定输出功率的最大值Pm。
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