一种基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟试验方法

摘要

本发明公开了一种基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟试验方法，基于对线路实际舞动过程的载荷变化特征及其在三维空间内的舞动作用形态研究，实现载荷等效与舞动三维作动形态的试验模拟；在此基础上，根据相间间隔棒的结构形式及其连接特征，以及根据相间间隔棒在舞动条件下的作用力与反作用力变化特征及其对导线节点舞动形态的影响，基于载荷等效的原则建立起相应的舞动承载测试规程和试验方法；不仅能够对相间间隔棒在长期舞动条件疲劳耐受特性进行测试，同时结合实际使用条件，还可以实现相间间隔棒防舞/抗舞特性的同步测评，实现其舞动条件下的应用性能评估，进一步提高相间间隔棒舞动承载模拟测试的真实性和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及输电线路舞动试验领域，尤其涉及一种基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟试验方法。

背景技术

覆冰舞动是架空输电线路冬季安全运行的主要影响因素，我国共发生有记录的线路舞动事件达1300多条次，作为一种典型的防舞装置，相间间隔棒利用不同相间导线舞动的差异特征，通过相间连接实现导线舞动相互抵消和抑制作用，其作用机理简单、作用结果有效，在电网得到了广泛应用。

相间间隔棒的主要作用就是承载和传递相间导线之间的舞动差异，进而起到抑制线路舞动，因此舞动条件下的动态承载特性是其结构安全设计的重点；在已有参考文献和现有技术规程中，对相间间隔棒动态承载特性的考虑主要是基于沿轴向的拉伸载荷和大挠度屈曲试验，而忽略了导线舞动时三维空间运动特征；另外对相间间隔棒两端导线舞动共同作用下的相间间隔棒受力问题测试过于简化，从而造成相间间隔棒本体及其两端连接金具结构承载设计考虑不周，许多加装相间间隔棒的线路在舞动后出现相间间隔棒、子间隔棒或两端连接金具受损，甚至造成连接点附件导线受损，给线路长期运行带来安全隐患。

因此，如何基于实际舞动过程中的相间间隔棒受力特征，建立相应的舞动承载模拟试验方法，是本发明需要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟试验方法，该方法能够基于线路实际舞动过程的载荷变化特征及其在三维空间内的舞动作用形态，实现载荷等效与舞动三维作动形态的模拟测试，提高相间间隔棒舞动承载模拟测试的真实性和准确性。

本发明采用的技术方案为：一种基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，按照待测试相间间隔棒在实际线路中的结构参数进行测试系统的基本工况设定；测试系统为现有技术中能够测试相间间隔棒舞动承载特性的测试系统，测试系统包括两个用于模拟实际线路舞动工况的作动臂以及分别用于驱动两个作动臂的驱动系统，两个作动臂分别通过连接金具与待测相间间隔棒一端相连接，两个作动臂与连接金具之间均设置有张拉力传感器，测试系统能够测试待测相间间隔棒所受到的轴向扭转力、轴向错折力和弯折力；相间间隔棒的结构参数包括结构形式、结构高度、芯棒直径以及连接金具的连接形式，同时需要明确安装待测相间间隔棒的线路导线排列方式；调整测试系统的两个作动臂的水平和竖直距离，根据芯棒直径及端部金具的连接形式选择合适的连接金具以安装张拉力传感器和待测相间间隔棒。

步骤B，基于载荷等效的原则进行测试系统的加载计算与设置；载荷等效即测试系统测试过程中作用在待测相间间隔棒端部的载荷与实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的载荷等效；实际测试时，根据载荷等效的原则进行测试系统的系统参数设定，然后启动测试系统进行空载状态下的作动测试，确定测试系统作动状态正常及各参数输出无误。

步骤C，待测相间间隔棒试样的安装；根据相间间隔棒实际使用或者设计中确定的连接金具形式进行安装，连接完成后，进行相间间隔棒安装后的初始状态检查，确保其初始状态与线路未舞动时的静止状态一致。

步骤D，对测试系统进行测试前的初始状态设定并利用测试系统综合测试待测相间间隔棒的舞动承载特性，利用测试系统综合测试待测相间间隔棒的舞动承载特性主要包括如下步骤。

步骤D1，待测相间间隔棒舞动作用下的弯折特性测试：对应实际线路舞动条件下导线间最小相间距离，设定两端作动臂的初始相角为0，相角差为180°，在测试过程中对待测相间间隔棒两端的张拉力进行实时监测，并反馈至两端作动臂的驱动装置的控制器，与作动臂的输出载荷进行实时对比，当二者作用力大小相等、方向相反时，待测相间间隔棒受力达到平衡；同时在测试过程中利用数字分析的方式实时记录待测相间间隔棒的作动形态，并利用单目视觉分析法对其进行量化分析，得到两端最小距离以及间隔棒的扭转形态。

步骤D2，待测相间间隔棒长期舞动作用下的疲劳损伤特性测试：由于该项测试时间过程较长，考虑到测试品连接方式和装置作动特点对受损部位可能产生的影响，因此在正式测试开始前，首先进行工况调整测试，即根据测试装置参数的设定特征，寻找最严苛测试条件；工况调整测试具体为：两端作动臂的初始相角分别为0°、90°和180°进行调整测试，设定一端为主作动端、另外一端为从动端，两端相角差分别按照0°和180°进行测试，在测试过程中同时观察待测相间间隔棒两端的张拉力变化情况、扭转角度以及作动形态这些特征参数；详细记录这些特征参数在不同工况下的变化特征，并综合分析确定测试品综合受力最大的情形即为最不利测试工况。

按照最不利测试工况进行测试系统的加载调整，对待测相间间隔棒进行长期疲劳损伤测试，最终测试评定结果选择以下两种方式中之一或者综合二者作为测试结果：1、设定测试次数或测试时间后的待测装置磨损部位及其磨损特征检查；2、长期测试加载直至待测装置连接失效后的测试时间及其损伤特征记录。

步骤E，基于测试数据的性能评估；在综合测试过程结束后，对综合测试过程中的数据记录进行待测相间间隔棒舞动承载特性的综合性能评估，在综合性能评估中主要的评估指标包括待测相间间隔棒两端张拉力变化情况、测试过程中待测相间间隔棒的弯折形态及其弯折最大对应的位置和待测相间间隔棒受损特征，通过对这些数据分析，得出待测相间间隔棒舞动承载特性、可能存在的受损风险点及其承载薄弱环节。

进一步地步骤B中，基于载荷等效的原则进行测试系统的系统参数设置的具体方式如下：

步骤B1，根据线路结构参数与相间间隔棒安装方案，对实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的作用力进行计算：

线路舞动通常为驻波形式、舞动轨迹为类椭圆形式，对整档线路舞动形态可以简化表述为：

竖向:V=A×sin(s×N×π/L)

横向：H＝B×sin(s×N×π/L)

任意时刻t，线路上某点的运动方程可以表述为：

竖向:V＝A×sin(s×N×π/L)×sin(2×π×f×t)

横向：H＝B×sin(s×N×π/L)×sin(2×π×f×t)

扭转：

其中，A—竖向舞动最大幅值，单位：m；

B—横向舞动最大幅值，单位：m；

s—距离，单位：m，(s取值0到L)；

f—舞动频率，单位：Hz；

L—线路档距，单位：m；

θm—最大扭转角度；

N—舞动阶次；

实际线路中相间间隔棒的安装布置形式根据线路可能出现的舞动形态，将相间间隔棒安装在线路舞动的波峰或波谷状态处，以实现最大程度地抑制舞动，即一支相间间隔棒对应半波的舞动形态；假定导线单位长度的质量为m1，那么一个舞动半波对应的线路质量为：M＝m1×L/N

舞动过程中，竖直方向上对应最大作用力:

F1＝∫m1×gdl＝M×A×(2×π×f)²

水平方向上对应最大作用力:

F2＝∫m1×gdl＝M×B×(2×π×f)²。

步骤B2，根据步骤B1计算出的实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的作用力，进行测试系统的系统参数设置；

测试系统作动臂的质量M′是已知的，当作动臂向任意x向位移S_x、作动频率为f₀时，对应的最大作用力为:

F′＝M′×S_X×(2×π×f₀)²

当F1＝F′时，即：M×A×(2×π×f)²＝M′×S_X×(2×π×f₀)²

M×A×f²＝M′×S_X×f₀²

由于作动臂的质量固定，考虑到任意两个方向x、y可以作动的位移长度比值需要和A/B保持一致，因此在测试系统的参数设定时，只有频率f₀可以在较大范围内调整；

在测试频率确定以后，根据实际线路舞动时的最大扭力，对测试系统中作动臂最大扭转角进行设置。

本发明的主要优点为：本发明的方法基于对线路实际舞动过程的载荷变化特征及其在三维空间内的舞动作用形态研究，实现载荷等效与舞动三维作动形态的试验模拟；在此基础上，根据相间间隔棒的结构形式及其连接特征，以及根据相间间隔棒在舞动条件下的作用力与反作用力变化特征及其对导线节点舞动形态的影响，基于载荷等效的原则建立起相应的舞动承载测试规程和试验方法；该方法不仅能够对相间间隔棒在长期舞动条件疲劳耐受特性进行测试，同时结合实际使用条件，还可以实现相间间隔棒防舞/抗舞特性的同步测评，实现其舞动条件下的应用性能评估；本方法将在相间间隔棒测试时设置的测试条件与实际使用时受力的条件相结合，进一步提高了相间间隔棒舞动承载模拟测试的真实性和准确性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明所述的测试系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于载荷等效的相间间隔棒舞动承载模拟试验方法，主要包括如下步骤：

步骤A，按照待测试相间间隔棒在实际线路中的结构参数进行测试系统的基本工况设定；测试系统为现有技术中能够测试相间间隔棒舞动承载特性的测试系统，测试系统包括两个用于模拟实际线路舞动工况的作动臂以及分别用于驱动两个作动臂的驱动系统，两个作动臂分别通过连接金具与待测相间间隔棒两端相连接，两个作动臂与连接金具之间均设置有张拉力传感器，测试系统能够测试待测相间间隔棒所受到的轴向扭转力、轴向错折力和弯折力；相间间隔棒的结构参数包括结构形式、结构高度、芯棒直径以及连接金具的连接形式，同时需要明确安装待测相间间隔棒的线路导线排列方式；调整测试系统的两个作动臂的水平和竖直距离，根据芯棒直径及端部金具的连接形式选择合适的连接金具以安装张拉力传感器和待测相间间隔棒。

如图2所示，本方法中采用的现有的测试系统包括框架摆臂系统和底座摆臂系统，通过框架摆臂系统和底座摆臂系统的配合模拟实现导线舞动过程中子间隔棒的运动形式。

所述的框架摆臂系统包括框架摆臂机架1、框架摆臂支架2和框架摆臂3，框架摆臂支架2设置在框架摆臂机架1上，框架摆臂3可以在框架摆臂机架1上进行水平方向转动，以模拟导线舞动时一相导线的子间隔棒的运动；框架摆臂3前端同轴设置有由驱动装置驱动的框架摆臂转轴，以模拟导线舞动时子间隔棒的轴向扭转；框架摆臂转轴的前端与连接金具之间设置有测力传感器，能够实时采集待测样品在测试过程中所受到的力；框架摆臂3与框架摆臂支架2水平滑动连接，从而控制框架摆臂3沿水平方向往复移动，以模拟导线舞动时子间隔棒沿线路方向水平往复运动，从而对相间间隔棒施加一定的轴向错折力。

所述的底座摆臂系统包括底座摆臂机架4、底座摆臂支架5和底座摆臂6，底座摆臂支架5与底座摆臂机架4连接，底座摆臂6可以在底座摆臂支架5上进行水平方向转动，来模拟导线舞动时一相导线的子间隔棒的运动；底座摆臂6前端设置有由驱动装置驱动的底座摆臂转轴，用以模拟导线舞动时子间隔棒的轴向扭转；底座摆臂转轴前端与连接金具之间设置有测力传感器，能够实时采集待测样品在测试过程中所受到的张力；底座摆臂6与底座摆臂支架5水平滑动连接，以模拟导线舞动时子间隔棒沿线路方向水平往复运动，从而对相间间隔棒施加一定的轴向错折力；框架摆臂支架2与框架摆臂机架1竖向滑动连接，底座摆臂机架5设置在轨道7上且与轨道7水平滑动连接，用以调节底座摆臂6和框架摆臂3之间的距离。

上述测试系统中框架摆臂3和底座摆臂6相当于本步骤中的两个作动臂，该系统可以完成一次试验过程中相间间隔棒所受到的轴向扭转力、轴向错折力、弯折力检测，由于上述测试系统为现有技术，在此不再进行多加描述。

步骤B，基于载荷等效的原则进行测试系统的加载计算与设置；载荷等效即测试系统测试过程中作用在待测相间间隔棒端部的载荷与实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的载荷等效；实际测试时，根据载荷等效的原则进行测试系统的系统参数设定，然后启动测试系统进行空载状态下的作动测试，确定测试系统作动状态正常及各参数输出无误。

基于载荷等效的原则进行测试系统的系统参数设置的具体方式如下：

步骤B1，根据线路结构参数与相间间隔棒安装方案，对实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的作用力进行计算：

线路舞动通常为驻波形式、舞动轨迹为类椭圆形式，对整档线路舞动形态可以简化表述为：

竖向:V＝A×sin(s×N×π/L)

横向：H＝B×sin(s×N×π/L)

任意时刻t，线路上某点的运动方程可以表述为：

竖向:V＝A×sin(s×N×π/L)×sin(2×π×f×t)

横向：H＝B×sin(s×N×π/L)×sin(2×π×f×t)

扭转：

其中，A—竖向舞动最大幅值，单位：m；

B—横向舞动最大幅值，单位：m；

s—距离，单位：m，(s取值0到L)；

f—舞动频率，单位：Hz；

L—线路档距，单位：m；

θm—最大扭转角度；

N—舞动阶次；

实际线路中相间间隔棒的安装布置形式根据线路可能出现的舞动形态，将相间间隔棒安装在线路舞动的波峰或波谷状态处，以实现最大程度地抑制舞动，即一支相间间隔棒对应半波的舞动形态；假定导线单位长度的质量为m1，那么一个舞动半波对应的线路质量为：

M＝m1×L/N

舞动过程中，竖直方向上对应最大作用力:

F1＝∫m1×gdl＝M×A×(2×π×f)²

水平方向上对应最大作用力:

F2＝∫m1×gdl=M×B×(2×π×f)²

步骤B2，根据步骤B1计算出的实际线路舞动工况下作用在相间间隔棒端部的作用力，进行测试系统的系统参数设置。

测试系统作动臂的质量M′是已知的，当作动臂向任意x向位移S_x、作动频率为f₀时，对应的最大作用力为:

F′＝M′×S_X×(2×π×f₀)²

当F1＝F′时，即：M×A×(2×π×f)²＝M′×S_X×(2×π×f₀)²

M×A×f²＝M′×S_X×f₀²

由于作动臂的质量固定，考虑到任意两个方向x、y可以作动的位移长度比值需要和A/B保持一致，因此在测试系统的参数设定时，只有频率f₀可以在较大范围内调整；

在测试频率确定以后，可以根据实际线路舞动时的最大扭力，对测试系统中作动臂最大扭转角进行设置。

步骤C，待测相间间隔棒试样的安装；根据相间间隔棒实际使用或者设计中确定的连接金具形式进行安装，连接完成后，进行相间间隔棒安装后的初始状态检查，确保其初始状态与线路未舞动时的静止状态一致；本方法所应用的测试系统中以作动臂代替导线，作动臂上设置有仿照子间隔棒的端部连接装置，可以根据线路配置子间隔棒的实际情况，选择结构相近的连接装置。

步骤D，对测试系统进行测试前的初始状态设定并利用测试系统综合测试待测相间间隔棒的舞动承载特性，利用测试系统综合测试待测相间间隔棒的舞动承载特性主要包括如下步骤：

步骤D1，待测相间间隔棒舞动作用下的弯折特性测试：对应实际线路舞动条件下导线间最小相间距离，设定两端作动臂的初始相角为0，相角差为180°(对各端作动臂扭转作动设定，按照与空间作动相同频率设定、初始相角保持一致)，在测试过程中对待测相间间隔棒两端的张拉力进行实时监测，并反馈至两端作动臂的驱动装置的控制器，与作动臂的输出载荷进行实时对比，当二者作用力大小相等、方向相反时，待测相间间隔棒受力达到平衡；同时在测试过程中利用数字分析的方式实时记录待测相间间隔棒的作动形态，并利用单目视觉分析法对其进行量化分析，得到两端最小距离以及间隔棒的扭转形态。

步骤D2，待测相间间隔棒长期舞动作用下的疲劳损伤特性测试：由于该项测试时间过程较长，考虑到测试品连接方式和装置作动特点对受损部位可能产生的影响，因此在正式测试开始前，首先进行工况调整测试，即根据测试装置参数的设定特征，寻找最严苛测试条件。工况调整测试具体为：两端作动臂的初始相角分别为0°、90°和180°进行调整测试，设定一端为主作动端、另外一端为从动端，两端相角差分别按照0°和180°进行测试，在测试过程中同时观察待测相间间隔棒两端的张拉力变化情况、扭转角度以及作动形态这些特征参数；详细记录这些特征参数在不同工况下的变化特征，并综合分析确定测试品综合受力最大的情形即为最不利测试工况。

按照最不利测试工况进行测试系统的加载调整，对待测相间间隔棒进行长期疲劳损伤测试，最终测试评定结果选择以下两种方式中之一或者综合二者作为测试结果：1、设定测试次数或测试时间后的待测装置磨损部位及其磨损特征检查；2、长期测试加载直至待测装置连接失效后的测试时间及其损伤特征记录。

以上两步中根据测试要求设置两个作动臂的运动轨迹及方式，分别设定摆动、推拉、扭转和相位参数；通过测试系统对相间间隔棒施加拉力、压力、扭转力等力形式，使待测相间间隔棒完成“压缩-拉伸-扭转”运动。

步骤E，基于测试数据的性能评估；在综合测试过程结束后，对综合测试过程中的数据记录进行待测相间间隔棒舞动承载特性的综合性能评估，在综合性能评估中主要的评估指标包括待测相间间隔棒两端张拉力变化情况、测试过程中待测相间间隔棒的弯折形态及其弯折最大对应的位置和待测相间间隔棒受损特征，通过对这些数据分析，得出待测相间间隔棒舞动承载特性、可能存在的受损风险点及其承载薄弱环节。

本步骤中重复进行步骤D，使相间间隔棒形成持续的拉伸-弯曲交替状态，试验频率为0.4Hz，试验方式见表1，各电压等级的最小相间放电距离见表2。

在测试过程结束后，综合试验过程中的数据记录进行间隔棒舞动承载特性的综合性能评估；在综合性能评估中可以根据待测相间间隔棒两端张拉力变化情况、试验过程中间隔棒的弯折形态及其弯折最大对应的位置、间隔棒受损特征等；通过这些数据分析，对相间间隔棒舞动承载特性、可能存在的受损风险点及其承载薄弱环节进行综合评估。

表1测试系统运动轨迹方式

试验方式压缩程度交变循环次数舞动疲劳测试压缩幅度不小于总结构高度的10％3×10⁵大幅值舞动测试最小相间放电距离，参照表25

表2最小相间放电距离

额定电压kV试验长度m1101.02202.13303.05004.6

综上所述，本发明的方法基于对线路实际舞动过程的载荷变化特征及其在三维空间内的舞动作用形态研究，实现载荷等效与舞动三维作动形态的试验模拟；在此基础上，根据相间间隔棒的结构形式及其连接特征，以及根据相间间隔棒在舞动条件下的作用力与反作用力变化特征及其对导线节点舞动形态的影响，基于载荷等效的原则建立起相应的舞动承载测试规程和试验方法；该方法不仅能够对相间间隔棒在长期舞动条件疲劳耐受特性进行测试，同时结合实际使用条件，还可以实现相间间隔棒防舞/抗舞特性的同步测评，实现其舞动条件下的应用性能评估；本方法将在在相间间隔棒测试时设置的测试条件与实际使用时受力的条件相结合，进一步提高相间间隔棒舞动承载模拟测试的真实性和准确性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。