新型FR型防振锤固有频率研究

　　微风振动是风吹过架空输电线后在背风侧产生卡门涡街(Karman Vortex Street)而使架空输电线产生的一种风激振动。一般风速越平稳、风向越是垂直于架空输电线,微风振动就越易发生。架空输电线的微风振动,造成架空输电线的疲劳断股、断线和杆塔金具的磨损[1]。

　　我国目前在架空输电线上普遍采用安装防振锤的方法来控制微风振动。根据防振锤的作用机理,防振锤实际是一种耗能器,防振锤的线夹随架空输电线一起振动,引起防振锤锤头的振动,使防振锤钢绞线产生干摩擦,从而将机械能转化为热能。Strouhal公式给出风激振动频率与风速V、架空线直径D之间的关系[2]为

　　(1)式表明架空线风激振动频率是风速的函数。对架空线的整个档部,同一时刻的风速可能不同,对架空线的任一点,一段时间内的风速也可能不同。要使防振锤耗散掉输入架空输电线的风能,除了防振锤的安装位置之外,选择频响特性合适的防振锤对其能否耗能及耗能的多少影响很大。原则上是选择频响较宽的防振锤,才能耗散掉架空输电线上不同频率的振动能量,达到限振的目的。防振性能优良的防振锤必须有较宽的频响特性和适度的能量消耗,即对微风振动的频段有尽可能大的防护范围和兼顾防振锤自身寿命[3]。

　　目前,国内普遍使用的是传统的对称结构的Stockbridge型防振锤,即圆桶形防振锤。该类防振锤只有2个固有频率,防护频段较窄,见图1与图2,为了防止微风振动,有时不得不在架空线每档的端部悬挂多个不同固有频率的防振锤。

　　1　FR型防振锤及其力学模型

　　南京电力金具研究所开发的FR型防振锤,改变了传统的对称设计模式,采用了不对称结构设计,即防振锤线夹两侧的锤头质量不等,钢绞线长度不等,整个防振锤呈不对称结构(见图3),从而使防振锤具有较多的固有频率。

　　由于FR型防振锤是由线夹紧固在导、地线上,线夹两侧相互影响不大,可以线夹为界分为2个相对独立的子系统,取其一侧作为1个子系统进行分析(见图4)。对该系统可作进一步简化:锤头按刚性考虑,即只计其质量与惯量,而不计其弹性;对钢绞线只计其弹性,不计其质量和惯量。显然这些假定对于防振锤是合理的。

　　2　FR型防振锤固有频率的推导

　　经过上述简化处理,可得到子系统动力特性的控制微分方程为

　　式中M、C、K分别为子系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X为位移列阵,F为外力列阵。

其中m为锤头质量。

　　式(2)中,M、C、K的具体表达式为

其中J为锤头对其质心的转动惯量,EI为钢绞线的弯曲刚度。