大跨越导线测振及监测技术研究

张喜泽， 张大义， 蔡丹宙， 黄国飞， 韩云武， 马 瞻， 刘 斌

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

微风振动容易引起架空线路导、地线的线股疲劳断股，该问题一直威胁着输电线路的安全运行，尤其在大跨越上。因为档距大、悬挂点高、水域开阔等特点，使得风输给导线的振动能量大大增加，导线振动强度远较普通档距严重。一旦发生疲劳断股，将给电网安全运行带来严重危害，给国民经济造成重大损失，通常仅换线工程本身的损失就高达数百万元，因此大跨越导线的防振工作一直被广大科研工作者所关注，而建立一套完整的室内测振试验室与室外现场监测系统就显得尤为重要。

许多国家在20世纪60年代就开展了导线振动的能量研究，通过测定导线自阻尼和阻尼器功率特性等，来选择合理的消振方案。CIGRE/IEEE输配电委员会推荐“导线自阻尼测量导则”和“单导线风振阻尼器特性测量导则”。但是，风激振动是一个非常复杂的理论问题，制约因素非常多，比如挂高、风速、风向、地形、间隔棒及导线振幅、频率等。因此，大跨越工程中除了要建立室内导线阻尼能量测试系统对导、地线进行室内消振模拟及优选防振方案外，还必须加强线路在架设完毕后进行导、地线风激振动水平的现场测试，以便确认防振措施的有效性及工程的安全性。

本文对大跨越导线的室内测振技术以及室外监测技术进行了详细的研究。

1 室内测振技术研究

1.1 自阻尼测量

我们采用功率法来测试导线的自阻尼特性(见图1)。图1中，1为信号发生器，产生频率能连续可调的正弦信号;2为功率放大器，供给足够大的功率以推动激振器3;4为力传感器，检测激振器输给导线11的激振力，并把这个正弦的机械力转换成正弦的电信号;5为加速度传感器，检测该点的运动加速度，并把加速度信号转换为电信号;力和加速度信号分别经电荷放大器6、7，并归一化处理后，其输出的电压信号就是激振力和加速度的值，加速度电压信号再经过积分器8积分后变成速度信号;然后再把力和速度信号同时输入功率表9，功率表的输出就是激振器输入导线的功率大小;同时，力和加速度信号分别输入示波器10的x和y轴，调节1的频率，从示波器中可以确定导线是否处于共振状态;12为重型夹具;13为水泥阻力墩。

图1 功率法测量导线自阻尼原理图

在用功率法测量导线自阻尼时［1］，需要注意以下问题［2］:

(1)用电磁振动台振动时，它的低频特性不好，最好采用衰减法来补充;

(2)电磁振动台的动圈加上夹具的质量较大，会影响振动台所处的半波长度，表现出局部阻尼的作用;

(3)信号通道之间的相角越小越好，最好为0°;

(4)由于导线自阻尼很小，谐振时速度变化率很大，严格稳定在谐振状态十分困难;

(5)力传感器和加速度传感器必须有良好的线性、频率相应特性及可重复性。

1.2 速度和振幅的测量

导线振动时，加速度传感器随着导线作加速运动，将其输出的感应信号经电荷放大器的归一化处理后，通过积分器积分，从峰值电压表读出该点的振动速度。将该速度值除以振动角频率即得该点的振幅。

1.3 风能平衡点和输入风能的确定［3］

大跨越导线风振强度与输入风能的大小有关，也与导线自阻尼及消振措施性能优劣有关。风能曲线有Diana and Falco曲线、Farquharson曲线和Slethei曲线等，我们对输入风能曲线的选取进行了计算和分析。

下式为Diana风能曲线拟合成为以相对全振幅(Y/D)为自变数的解析函数:

式中，W/M为单位长度导线所吸收的风的功率:Y为振动的振幅的峰值;D为导线的外径;f为导线振动的频率。

日本人提供的Slethei风能曲线的解析表达式，也是相对全振幅的函数为:

式中，V为风速(m/s);CL为风速V的函数。

按照式(1)～式(4)绘制出了Diana曲线与Slethei曲线对比图(见图2)。为了安全起见，我们选用Diana风能曲线。将导线自阻尼特性曲线经过坐标变换后，绘制到风能曲线上，得到的两曲线交点，即为该频率下的能量平衡点及相应平衡的振幅值，再把交点的位置反算到导线自阻尼特性曲线的坐标系中。安全起见，将功耗值乘以3倍作为以后输给导线的风能值。

图2 Diana曲线与Slethei曲线的对比

1.4 应变的测量

消振措施的消振性能优劣是由线夹出口、花边出口和防震锤夹头出口处导线上的动弯应变来确定。对于具体某点的应变的测量方法如下:

A、B、C、D表示贴在导线外层股线的四片等值应变片(见图3)，其连接线路图见图4，信号源1将1 kHz的信号输入应变片桥中，输出信号再经过相敏检波放大器2，滤去了1 kHz的信号，在动态电阻应变仪3中记录振动频率一致的应变信号。测到的是某一个谐振频率下的某一个特定振幅的应变值。

2 室外监测技术研究

2.1 现有监测产品的调研

对于现场监测技术，研究人员详细研究了加拿大生产的PAVICA型输电线路测振仪(见图5)。该产品是国内目前现场监测的唯一解决方案，其特点是自动化程度高，可编程，安装方便，测试结果可以直接从屏幕读出，也可以很好地和计算机进行数据通信。它记录的数据是被测点的振幅，根据被测点振幅和应变的关系，确定该点的可允许振幅的范围，若有数据超出该范围，则判断导线消振效果不佳。导线的振动与风速有关，根据气象局提供的当地气象条件，选择风速比较稳定，且风向最好与导线相垂直，温度变化小的季节进行现场测试。现场测试时，选择线夹出口处和防振锤夹头处的振幅，或者根据用户提供的要求，选择被测点。该仪器可以用来验证现场消振方案的有效性，功能的可扩展性不强。

图3 应变片安装位置

图4 应变片桥连接方法

图5 PAVICA型输电线路测振仪

2.2 现场测振方案的自行开发设计

项目组走访了多家单位，受访用户更希望能够长期、实时监测导线的振动情况。例如，已有部分电力公司正在筹划建立省网下的电力监控中心，以期对重点线路进行实时监控，振动监控也包含在内。

由于PAVICA测振仪是采用蓄电池供电的结构，用定时开启的工作方式达到省电的效果，无法进行长期实时监测;其采集数据存储在自身的存储器内，只能在验证期结束后才能得到，无法实时地反映导线的振动情况。因此，该仪器不能适应上述需求。同时，其他满足要求的产品也未被发现。因此，研究人员结合国内电力用户的需求自行开发能够长期、实时监测导线振动情况的现场监测仪。

在高压隔离的条件下实现长期供电有多种可供选择的方案，加上低功耗无线传输技术的发展，完全可以结合国外仪器的特点，自行开发可长期实时监测的测振系统。

(1)高压条件下的供电方案

目前针对架空导线的监测产品，多是采用太阳能供电。此类产品的特点是功耗小、重量轻、结构简单，还没有用于导线振动测量。太阳能供电的最大缺点是受天气条件制约，无法完成诸如长期无日照条件的测量，也决定了其输出功率必须在蓄电池容量和天气条件下做出取舍。所以单纯地采用太阳能供电的方式不是特别理想。而架空线本身就是用于不间断传输电能的载体，可从中取出一部分电量用于导体运行状况监测。此外，风能供电也是最近流行起来的技术，尽管受到天气影响，却可以为持续供电提供额外的保障。

综上所述，可确定该产品将采用多种供电方案相结合或择优选择的方式，力争使供电系统的输出功率高于监控仪器的消耗功率，同时努力实现仪器的微消耗，确保长期供电。所需的配套电路可借鉴现有便携式设备充电系统的设计，如手机充电器。

(2)高压条件下的测量方案

在解决了供电问题之后，只要在重量允许的情况下，就可以加载更多功能模块。

架空线振动测量的基础理论由IEEE委员会在1965年给出［4］，该标准采用测量弯曲幅度的物理量，并且可以推算出导线端部两个被测点的相对位移，以反映出整根导线的振动状况。PAVICA测振仪正是采用了这种测量标准。

经过对PAVICA测振仪研究并结合现有传感器知识可得出，在线振动测量应采用机械传动装置结合压电晶体组成的传感器将振动信号转变为电压信号，再经过采集电路滤波，转换为数字信号进行后续处理，处理结果采用无线传输方式传递至低压端，再进行调配。其中，机械部分的重量占据了很大比重，在选材、精加工方面都需慎重考虑。国内传感器生产厂家的产品多是针对直接位移测量，尽管其精度和测量范围都可满足要求，而针对两点相对位移的传感器还未出现，需要额外改造或是直接定做。

现有的无线传输方式已经是非常成熟的技术，有很多解决方案可供选择。其产品重量轻、集成度高，工作在射频范围之内，抗干扰能力极强。无线传输可以彻底解决高低压隔离的问题，在解决了供电问题之后，便可以实现任意距离的无线传输。

无线模块同传感器的对接电路是需要额外开发的部分，这部分电路的作用是接收传感器输出的微伏量级信号，并放大为模数转换芯片可分辨的信号，在确保低干扰的情况下将信号传递给无线模块进行传输。该部分工作具有一定难度。

实现方案概括:借鉴IEEE标准，采用机械传感器装置配套相应处理电路，以无线方式传输数据。

3 结束语

本文根据 IEC TC7［5］、CIGRE/IEEE 推荐的自阻尼测试方法以及IEEE给出的架空线振动测量的基础理论，结合风激振动的特点以及大量的基础性试验研究，并走访了国内大量的电力系统用户，提出了切实可行的室内消振试验方案和适用于国内市场需求的现场监测仪器。

［1］蔡丹宙.架空导线自阻尼性能测量的数学分析［J］.电线电缆，1982(6):12-17.

［2］蔡丹宙.激振载荷导线的一些问题［J］.中国电机工程学报，1985，5(2):48-54.

［3］Diana G，Falco M.On the transmitted to a vibrating cylinder by a blowing fluid(Experimental Study and analysis of the Phenomenon)［J］.Meccanica，n.l(Vol.Vl)，1971.

［4］IEEE Committee Report.Standardization of conductor vibration measurements［R］.IEEE Trans.Paper，Vol.PAS-85，No.1，1966.

［5］CIGRE SC B2WG25 Task Force self-damping Draft，Overhead line.Methods for laboratory measurement of conductor self-damping［R］.Notes for the future IEC Standard 62567 Ed.1.0.