CN114039320B - 一种阻尼间隔棒及其减振优化方法 - Google Patents

Abstract

本公开属于输电线路技术领域，提供了一种阻尼间隔棒及其减振优化方法，包括至少一个间隔棒，所述间隔棒包括圆杆，以及分别套设在所述圆杆上的阻尼弹簧和重球；所述阻尼弹簧的一端与所述重球固定连接，另一端固定在所述圆杆一端的边缘；所述圆杆的两端固接有导线夹。在使用过程中，获取各个间隔棒的振幅和速度，分别构建不同方向的微分振动方程；根据所构建的微分振动方程分析阻尼间隔棒的固有属性，得到阻尼间隔棒的吸振性能和减振性能；根据所得到的阻尼间隔棒的吸振性能和减振性能进行阻尼间隔棒的结构参数优化，得到减振效果最优的参数组合。

Description

一种阻尼间隔棒及其减振优化方法

技术领域

本公开属于输电线路技术领域，具体涉及一种阻尼间隔棒及其减振优化方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

输电导线次档距振荡是风的尾流效应引起的分裂导线在次档距内的水平为主加扭转振动形成的椭圆轨迹振荡。发生在分裂导线的两个相邻间隔棒间，一般频率为1~5Hz，振幅为架空线直径的4~20倍，振幅介于舞动和微风振动之间。次档距振荡会造成分裂导线相互碰撞和鞭击，使线股磨损，在间隔棒线夹处产生疲劳断股，甚至引发断线。近年来由于次档距振荡而发生的输电线路事故逐渐增多，目前对于次档距振荡的减振控制大多采用缩短次档距长度和对间隔棒进行安装位置优化，大量的线路事故表明，只利用经验法改变间隔棒的布置间距或者采用普通间隔棒抑制次档距振荡不能满足工程实际需求，因此有必要对次档距振荡减振控制问题进行深入研究，由于次档距振荡是发生在多分裂导线相邻间隔棒之间的振荡形式，而普通间隔棒在输电线路中只起到分裂和固定导线间距的作用，没有吸振装置和阻尼装置，减振效果不好。

据发明人了解，利用改变间隔棒结构，增加阻尼和耗能装置对输电线路次档距振荡控制成为主要的减振方向。但大量的工程实例和输电线路运行经验表明，间隔棒作为分裂导线的主要金具，其性能和功能还有很大的开发空间。目前输电线路中的间隔棒主要有：普通间隔棒、阻尼间隔棒和防舞间隔棒三种；而普通间隔棒没有引入吸振系统且阻尼耗能不好；现有阻尼间隔棒只能控制输电线路微风振动形式，普适性不强；防舞间隔棒主要目的是实现防止输电线路发生舞动。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了一种阻尼间隔棒及其减振优化方法，应用于输电线路次档距振荡的减振设计，为输电线路次档距振荡的减振设计提供重要参考。

根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种阻尼间隔棒，采用如下技术方案：

一种阻尼间隔棒，包括至少一个间隔棒，所述间隔棒包括圆杆，以及分别套设在所述圆杆上的阻尼弹簧和重球；所述阻尼弹簧的一端与所述重球固定连接，另一端固定在所述圆杆一端的边缘；所述圆杆的两端固接有导线夹。

作为进一步的技术限定，所述间隔棒的两端均设置有大小一致的卡槽，所述卡槽上均设置有大小一致的圆孔，所述导线夹通过圆孔与所述间隔棒铰接链接。

作为进一步的技术限定，所述阻尼间隔棒采用四分裂结构，包括四个首尾相接的间隔棒，相邻的间隔棒的两端之间通过导线夹铰接连接。

进一步的，所述铰接链接处的两个间隔棒分别为靠近阻尼弹簧的一端和远离所述阻尼弹簧的一端。

根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种阻尼间隔棒的减振优化方法，采用了第一方案中所提供的阻尼间隔棒，采用如下技术方案：

一种阻尼间隔棒的减振优化方法，包括以下步骤:

获取各个间隔棒的振幅和速度，分别构建不同方向的微分振动方程；

根据所构建的微分振动方程分析阻尼间隔棒的固有属性，得到阻尼间隔棒的吸振性能和减振性能；

根据所得到的阻尼间隔棒的吸振性能和减振性能进行阻尼间隔棒的结构参数优化，得到减振效果最优的参数组合。

作为进一步的技术限定，在获取各个间隔棒的振幅和速度之前，通过导线夹将阻尼间隔棒与输电线路连接，基于导线夹将输电线路的振动能量传递到阻尼弹簧和重球，减轻输电线路次档距振荡。

作为进一步的技术限定，所述阻尼间隔棒的吸振性能由阻尼间隔棒主振动的振幅与静位移之间的比值决定。

作为进一步的技术限定，所述固有属性包括阻尼间隔棒的阻尼比和固有频率，以及阻尼间隔棒之间的质量比。

进一步的，所述阻尼间隔棒的结构参数包括重球质量、阻尼弹簧的弹簧刚度和阻尼间隔棒的阻尼。

进一步的，所述吸振性能先随着所述重球质量的增大而增大，到达最优重球质量之后，再随着所述重球质量的增大而减小；

所述吸振性能先随着所述阻尼弹簧的弹簧刚度的增大而增大，到达最优阻尼弹簧的弹簧刚度之后，再随着所述阻尼弹簧的弹簧刚度的增大而减小；

所述吸振性能先随着所述阻尼间隔棒的阻尼的增大而增大，到达最优阻尼间隔棒的阻尼之后，再随着所述阻尼间隔棒的阻尼的增大而减小。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开通过对阻尼间隔棒结构上的改进，独立设置阻尼间隔棒每个方向上的参数，有效减轻输电线路次档距振荡，结构简单，便于安装维护，同时对间隔棒的结构参数和布置方案进行深入研究，为输电线路次档距振荡的减振设计提供重要参考。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例一中的阻尼间隔棒的整体结构示意图；

图2是本公开实施例二中的阻尼间隔棒的减振优化方法的流程图；

图3是本公开实施例二中的有阻尼新型间隔棒振动模型示意图；

图4（a）是本公开实施例二中的=1,/>=1/30时阻尼比对主振系统振幅的影响图；

图4（b）是本公开实施例二中的=1,/>=1/50时阻尼比对主振系统振幅的影响图；

图4（c）是本公开实施例二中的=0.9,/>=1/30时阻尼比对主振系统振幅的影响图；

图4（d）是本公开实施例二中的=0.9,/>=1/50时阻尼比对主振系统振幅的影响图；

图5（a）是本公开实施例二中的=0.1,/>=1/30时固有频率比对主振系统振幅的影响曲线；

图5（b）是本公开实施例二中的=0.1,/>=1/50时固有频率比对主振系统振幅的影响曲线；

图5（c）是本公开实施例二中的=0.05,/>=1/30时固有频率比对主振系统振幅的影响曲线；

图5（d）是本公开实施例二中的=0.05,/>=1/50时固有频率比对主振系统振幅的影响曲线；

图6（a）是本公开实施例二中的=1,/>=0.1时质量比对主振系统振幅的影响曲线；

图6（b）是本公开实施例二中的=1,/>=0.05时质量比对主振系统振幅的影响曲线；

图6（c）是本公开实施例二中的=0.9,/>=0.1时质量比对主振系统振幅的影响曲线；

图6（d）是本公开实施例二中的=0.9,/>=0.05时质量比对主振系统振幅的影响曲线；

图7是本公开实施例二中的间隔棒扭转振动模型；

图8是本公开实施例二中的重球质量对水平振幅的影响图；

图9是本公开实施例二中的弹簧刚度对水平振幅的影响图；

图10是本公开实施例二中的阻尼系数对水平振幅的影响图；

其中，1、圆杆，2、阻尼弹簧，3、重球,4、导线夹。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本公开实施例一介绍了一种阻尼间隔棒。

正如背景技术所介绍的，目前利用改变间隔棒结构，增加阻尼和耗能装置对输电线路次档距振荡控制成为主要的减振方向。但大量的工程实例和输电线路运行经验表明，间隔棒作为分裂导线的主要金具，其性能和功能还有很大的开发空间。目前输电线路中的间隔棒主要有：普通间隔棒、阻尼间隔棒和防舞间隔棒三种。而普通间隔棒没有引入吸振系统且阻尼耗能不好；现有阻尼间隔棒只能控制输电线路微风振动形式，普适性不强；防舞间隔棒主要目的是实现防止输电线路发生舞动。

因此，提出一种阻尼间隔棒的减振计算和参数设计方法，并应用于输电线路次档距振荡的减振设计中，具有重要工程意义和应用价值。

如图1所示的一种阻尼间隔棒，采用间隔棒结构设置，其中，间隔棒包括圆杆1、阻尼弹簧2、重球3和导线夹4；具体的，阻尼弹簧2的一端与重球3固接并一起穿过圆杆1，然后将阻尼弹簧2的另一端沉入圆杆1上的弹簧沉孔（图中未标注），再将所有圆杆1利用卡槽（图中为标注）和导线夹4首尾相连组成间隔棒结构。

在本实施例中，阻尼弹簧2采用外面包裹一层橡胶材料的橡胶弹簧，其减振效果好，使用寿命长，有良好的阻尼耗能特性，非常适合输电线路的减振；安装拆卸简便，便于更换。

在本实施例中，阻尼间隔棒采用四分裂结构。

实施例二

本公开实施例二介绍了一种阻尼间隔棒的减振优化方法，采用了实施例一中所介绍的阻尼间隔棒。

如图2所示的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，包括以下步骤：

获取各个间隔棒的振幅和速度，分别构建不同方向的微分振动方程；

根据所构建的微分振动方程分析阻尼间隔棒的固有属性，得到阻尼间隔棒的吸振性能和减振性能；

根据所得到的阻尼间隔棒的吸振性能和减振性能进行阻尼间隔棒的结构参数优化，得到减振效果最优的参数组合。

其中，阻尼间隔棒的吸振原理可以简述为：四分裂导线在风激励作用下产生能量，导线发生相应的振动，间隔棒与输电线路相连，输电线路的振动传递至阻尼间隔棒，从而激发阻尼间隔棒内的弹簧重球阻尼吸振系统吸收导线振动产生的能量，实现输电线路减振功能。

在本实施例中，吸振原理忽略阻尼间隔棒的扭转，只考虑阻尼间隔棒水平和竖直方向上的振动，其振动模型如图3所示。

阻尼间隔棒水平和竖直方向假设为独立且讨论方式相同，本实施例以水平方向为例展开研究，建立的水平方向上的振动微分方程，如公式（1）和公式（2）所示：

(1)

(2)

式中，、/>分别为主振系统和水平吸振系统的质量，/>、/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平位移，/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平速度，/>,/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平加速度，/>、/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平弹簧刚度，/>为水平吸振系统的阻尼，/>为外部振动荷载。

假设振动方程的解为。将其代入公式（1）和公式（2）得到主振系统振幅为：

（3）

规定临界阻尼，阻尼比/>，吸振系统与主振系统质量比为/>，主振系统固有频率/>，激励频率比/>，主振系统静位移/>，吸振系统固有频率/>，固有频率比/>，将以上参数代入公式（3）中，得到/>关于/>、/>、/>、/>的函数：

（4）

由公式（4）得到，等式右边小于1时起到减振作用。所以由于吸振系统弹簧和阻尼的共同作用，水平方向上的振幅Y ₁比水平方向上的静位移要小，可见加入了吸振系统后，振动系统的静位移减小，达到了吸振目的。

利用公式（4）绘制阻尼比对主振系统振幅的影响图，分别针对不同的固有频率比和不同的吸振系统与主振系统质量比进行分析，得到分别如图4（a）、图4（b）、图4（c）和图4（d）所示的阻尼比对主振系统振幅的影响图。

基于图4（a）、图4（b）、图4（c）和图4（d），能够得到：随频率比逐渐增大，由于引入吸振系统，主振系统会出现两个极值，但极值会随阻尼比的增大而减小；但是在加入阻尼之后的共振幅值明显降低，但是原主振系统的共振振幅随阻尼比的增加而增加，不会达到原来的共振幅值。这可以作为阻尼间隔棒参数设计时的依据，即弹簧-重球吸振系统引入阻尼之后可以降低共振幅值，但会使主振系统在原频率下的振幅增大。

分别针对不同的阻尼比和不同的吸振系统与主振系统质量比进行分析，得到分别如图5（a）、图5（b）、图5（c）和图5（d）所示的固有频率比对主振系统振幅的影响曲线图。

基于图5（a）、图5（b）、图5（c）和图5（d），当和/>一定时，吸振系统固有频率比越大，较小的共振频率对应的振动幅值越大，较大共振频率对应的振动幅值越小。对比两个共振频率对应的振动幅值可以发现，较小共振频率受固有频率比的影响较为明显。这对设计阻尼间隔棒的参数而言有重要意义，因为发生次档距振荡时，激励频率逐渐递增，因此会通过第一个振动频率在两个共振频率之间的某一频率发生次档距振荡，因此如果在合适的范围内减小固有频率比，可以达到降低较小共振频率对应的振动幅值。

分别针对不同的固有频率比和不同的阻尼比进行分析，得到分别如图6（a）、图6（b）、图6（c）和图6（d）所示的质量比对主振系统振幅的影响曲线图。

基于图6（a）、图6（b）、图6（c）和图6（d），当和/>一定时绘制的主振系统振幅受质量比的影响曲线，分析可以得到，随着质量比增加，振动系统的两个共振频率的宽度随之增大，即增大质量比可以拓宽主振系统工作频率。较小的共振频率对应的振动幅值随质量的增大呈上升趋势，而较大的共振频率随质量比的增大呈下降趋势。因此增大质量比可以拓宽振动系统的振荡频率，但却增大了主振系统的质量，发生压重效应，不利于系统正常工作。

参数设计方面，由于在阻尼间隔棒中加入了阻尼，因此随着输电线路的振动，会产生能量消耗。现考虑阻尼间隔棒中所有阻尼的消耗，利用间隔棒的扭转来考虑阻尼的消耗，模型如图7所示：

重球振动微分方程如下：

为重球得扭转角， 为重球水平振动位移， 为重球离间隔棒中心的距离，/>为重球质量。当扭转角很小时，可近似将/>看作/>。而/>为间隔棒整体随导线一起运动的扭转角，可以看作/>。

令，/>

则上式可以写为：

（6）

假设，再令/>，可得：

则质量重球的水平位移可以表示为：

在一个周期内，阻尼间隔棒的阻尼能量损耗为：

（10）

根据公式（10）可以得到阻尼间隔棒的能量损耗，在导线发生风致振动时，在阻尼间隔棒上损耗的能量越多，导线的位移幅值就越小。因此利用上述公式进行参数优化设计时，在导线的次档距振荡过程中，阻尼间隔棒上消耗的能量越大，分裂导线上产生的幅值就越小。可通过以上对参数的研究，对阻尼间隔棒进行参数优化设计，寻找最优参数组合，达到最好的减振效果。

可以看出，当阻尼间隔棒的固有频率接近导线振荡频率时，阻尼间隔棒的能量耗散达到最大值，这与利用吸振原理得到的结论一致。还可以分析得到，阻尼比越大，阻尼间隔棒产生的能量耗散越大，相应的间隔棒产生的动能会降低。但是间隔棒的动能始终大于阻尼产生的能量耗散。当发生次档距振荡时，阻尼间隔棒上的动能越大，次档距振荡能量就越小，振幅也越低，从而达到了抑制输电线路风振的作用。根据间隔棒耗能分析，对阻尼间隔棒的重球质量、弹簧刚度、阻尼等重新进行参数优化。

重球质量与水平振幅的关系如图8所示。

由图8看出，随着重球质量增加，水平振幅减小，即减振率越来越高，但是超过2kg以后，减振率开始下降，这是由于重球质量过大时，在输电线路中会产生压重效应，阻尼间隔棒由于质量变大，当导线的振荡传递至间隔棒时，间隔棒由于重量大惯性大，运动幅度小，所以反作用于导线上的力就小，对次档距振荡的抑制作用降低，导致减振率下降。根据几种方案对比发现，重球质量为2kg的减振率最大。可以近似认为对于此典型输电线路，阻尼间隔棒最优重球质量为2kg。

弹簧刚度与水平振幅的关系如图9所示。

由图9可知，随着弹簧刚度的增加，减振率逐渐升高，在2kN/m处取得最大值，当弹簧刚度大于2kN/m时，减振率开始下降。这是因为当弹簧刚度过大时，吸振系统的运动减弱，导致阻尼产生的能量耗散降低，使得对次档距的抑制作用减弱。根据几种方案的对比，可近似取弹簧刚度2kN/m为此典型线路的最优弹簧刚度。

阻尼系数与水平振幅的关系如图10所示。

由图10分析可知，随着吸振系统阻尼的增大，阻尼间隔棒对次档距振荡的抑制作用逐渐加强。当阻尼系数取为0.15时，次档距振荡抑制效果最好。但是继续增加阻尼，减振率反而降低，这是因为增大了阻尼之后，削弱了重球的运动，作用到导线上的反作用力降低，导致吸振率降低。

利用控制变量法，可以近似得到一组阻尼间隔棒的最优参数组合方案，即当重球质量为2kg，弹簧刚度为2KN/m，阻尼系数为0.15时阻尼间隔棒的减振效果最好，对经过参数优化后的阻尼间隔棒在本算例典型线路中进行次档距振荡模拟，得到在水平方向上的减振率为68.10%，竖直方向上减振率为60.3%。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种阻尼间隔棒的减振优化方法，采用了一种阻尼间隔棒，其特征在于，所述阻尼间隔棒包括至少一个间隔棒，所述间隔棒包括圆杆，以及分别套设在所述圆杆上的阻尼弹簧和重球；所述阻尼弹簧的一端与所述重球固定连接，另一端固定在所述圆杆一端的边缘；所述圆杆的两端固接有导线夹；

减振优化方法包括以下步骤:

获取各个间隔棒的振幅和速度，分别构建不同方向的微分振动方程；

根据所构建的微分振动方程分析阻尼间隔棒的固有属性，得到阻尼间隔棒的吸振性能；

根据所得到的阻尼间隔棒的吸振性能优化阻尼间隔棒的结构参数，得到减振效果最优的结构参数组合；

阻尼间隔棒水平和竖直方向假设为独立且讨论方式相同，以水平方向为例展开研究，建立的水平方向上的振动微分方程，如公式（1）和公式（2）所示：

(1)

(2)

式中，、/>分别为主振系统和水平吸振系统的质量，/>、/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平位移，/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平速度，/>,/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平加速度，/>、/>分别为主振系统和水平吸振系统的水平弹簧刚度，/>为水平吸振系统的阻尼，/>为外部振动荷载；

假设振动方程的解为；将其代入公式（1）和公式（2）得到主振系统振幅为：

(3)

规定临界阻尼，阻尼比/>，吸振系统与主振系统质量比为/>，主振系统固有频率/>，激励频率比/>，主振系统静位移/>，吸振系统固有频率/>，固有频率比/>，将以上参数代入公式（3）中，得到/>关于、/>、/>、/>的函数：

(4)

由公式（4）得到，等式右边小于1时起到减振作用；所以由于吸振系统弹簧和阻尼的共同作用，水平方向上的振幅Y ₁比水平方向上的静位移要小，可见加入了吸振系统后，振动系统的静位移减小，达到了吸振目的；

参数设计方面，由于在阻尼间隔棒中加入了阻尼，因此随着输电线路的振动，会产生能量消耗；现考虑阻尼间隔棒中所有阻尼的消耗，利用间隔棒的扭转来考虑阻尼的消耗，模型如下所示：

重球振动微分方程如下：

(5)

为重球的扭转角， 为重球水平振动位移， 为重球离间隔棒中心的距离，/>为重球质量；当扭转角很小时，近似将/>看作/>；而/>为间隔棒整体随导线一起运动的扭转角，看作/>；令:

，/>

则上式写为：

(6)

假设，再令/>，可得：

(7)

(8)

则质量重球的水平位移表示为：

(9)

在一个周期内，阻尼间隔棒的阻尼能量损耗为：

(10)

根据公式（10）得到阻尼间隔棒的能量损耗，在导线发生风致振动时，在阻尼间隔棒上损耗的能量越多，导线的位移幅值就越小；因此利用上述公式进行参数优化设计时，在导线的次档距振荡过程中，阻尼间隔棒上消耗的能量越大，分裂导线上产生的幅值就越小；通过以上对参数的研究，对阻尼间隔棒进行参数优化设计，寻找最优参数组合，达到最好的减振效果。

2.如权利要求1中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述间隔棒的两端均设置有大小一致的卡槽，所述卡槽上均设置有大小一致的圆孔，所述导线夹通过圆孔与所述间隔棒铰接连接。

3.如权利要求1中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述阻尼间隔棒采用四分裂结构，包括四个首尾相接的间隔棒，相邻的间隔棒的两端之间通过导线夹铰接连接。

4.如权利要求3中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述铰接连接处的两个间隔棒分别为靠近阻尼弹簧的一端和远离所述阻尼弹簧的一端。

5.如权利要求1中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，在获取各个间隔棒的振幅和速度之前，通过导线夹将阻尼间隔棒与输电线路连接，基于导线夹将输电线路的振动能量传递到阻尼弹簧和重球，减轻输电线路次档距振荡。

6.如权利要求1中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述阻尼间隔棒的吸振性能由阻尼间隔棒主振动的振幅与静位移之间的比值决定。

7.如权利要求1中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述固有属性包括阻尼间隔棒的阻尼比和固有频率，以及阻尼间隔棒之间的质量比。

8.如权利要求7中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述阻尼间隔棒的结构参数包括重球质量、阻尼弹簧的弹簧刚度和阻尼间隔棒的阻尼。

9.如权利要求8中所述的一种阻尼间隔棒的减振优化方法，其特征在于，所述吸振性能先随着所述重球质量的增大而增大，到达最优重球质量之后，再随着所述重球质量的增大而减小；

所述吸振性能先随着所述阻尼弹簧的弹簧刚度的增大而增大，到达最优阻尼弹簧的弹簧刚度之后，再随着所述阻尼弹簧的弹簧刚度的增大而减小；

所述吸振性能先随着所述阻尼间隔棒的阻尼的增大而增大，到达最优阻尼间隔棒的阻尼之后，再随着所述阻尼间隔棒的阻尼的增大而减小。