超高压输电线路新型复合防舞动装置研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为Jiajun Si（华北电力大学与中国电力科学研究院联合培养），合作作者包括Xiaoming Rui（华北电力大学）、Bin Liu、Lixian Zhou与Shengchun Liu（中国电力科学研究院）。研究成果发表于2019年12月的《IEEE Transactions on Power Delivery》第34卷第6期，论文标题为《Study on a New Combined Anti-Galloping Device for UHV Overhead Transmission Lines》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：输电线路机械动力学与防灾工程。
研究背景：舞动（galloping）是覆冰导线在风载作用下产生的大幅低频振荡现象，可导致相间闪络、金具损坏甚至倒塔。2008年中国冰灾中，7541公里线路因舞动停运，直接经济损失超1500亿元。现有防舞装置（如Den Hartog机制的风阻尼器、Nigol机制的失谐摆等）多针对单一激励条件（如非对称覆冰、扭转耦合或风能输入），难以全面抑制超高压（UHV）多分裂导线的复杂舞动。
研究目标：开发一种基于能量耗散（energy dissipation）、扭转抑制（restraining torsion）和频率失谐（detuning）三机制复合的新型防舞装置，并通过实验验证其有效性。

三、研究流程与方法
1. 装置设计
- 旋转自由线夹（rotation-free clamp）：通过可旋转结构优化覆冰导线的气动特性，减小升力系数变化（∂cl/∂θ）。计算模型表明，当∂cl/∂θ + cd > 0时系统稳定（式2）。
- 扭转失谐阻尼器（torsional detuning damper）：通过摆锤质量（195 kg）和臂长（0.195 m）设计，将扭转频率与垂直振动频率分离（式8），理论计算临界风速提升18%。
- 能量耗散结构（energy dissipation structure, EDS）：采用RRRII连杆机构（图9）和橡胶柱变形耗能，弹性常数kt达800 Nm/rad，较传统间隔棒提高2.3倍（表VI）。

1. 实验验证

   • 扭转刚度测试：对8分裂导线施加扭矩，测得加装装置后临界失稳扭转角显著提高（图7）。
     
   • 弹性与阻尼测试：依据IEC 61854标准，在1–2 Hz频率下测量相位角α和滞回曲线（图11），证实EDS能量耗散效率。
     
   • 疲劳与高压测试：完成1亿次垂直循环和3000万次扭转循环疲劳试验，残余扭矩保持80%；电晕测试电压达785 kV（海拔1600 m等效值）。
     

2. 现场效能评估

   • 试验线路：河南尖山海拔585米处，布置两档三塔（档距140 m），人工模拟10 mm D型覆冰（图13）。
     
   • 观测系统：风速、振幅数据对比显示，装置使临界风速从5.21 m/s提升至5.50 m/s（表XII），最大振幅降低62%（表X vs. XI）。
     

四、主要结果与逻辑关联
1. 理论模型验证：频率失谐设计成功分离了扭转与垂直振动频率（图5），避免模态耦合；EDS的滞回曲线面积扩大2.3倍，证实高效耗能。
2. 实验数据支撑：扭转刚度测试中，装置使临界失稳角提升30%（图7）；现场试验中仅12.2 m/s风速下振幅超2 m（表X），验证复合机制协同作用。
3. 工程适用性：高压与疲劳测试满足UHV线路长期运行要求，为实际应用奠定基础。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次将能量耗散、扭转抑制与频率失谐三机制集成于单一装置，提出多目标协同防舞理论。
2. 应用价值：适用于8分裂UHV导线，临界风速提升5%，振幅抑制超60%，可减少因舞动导致的电网停运事故。

六、研究亮点
1. 创新设计：旋转自由线夹与EDS结合，兼顾气动优化与机械耗能。
2. 方法突破：采用柔性容差算法优化装置布局（式19），子档距差异控制在0–11 m（表IX）。
3. 全面验证：从理论计算、实验室测试到现场试验形成完整证据链。

七、其他价值
研究提出的“分频-耗能-抑扭”复合策略为其他多分裂导线防舞设计提供了新范式，相关参数计算方法（如式7、式12）可直接推广至不同电压等级线路。