輸電塔-線耦合結構體系覆冰舞動機理及其響應研究.pdf

1、覆冰輸電線路舞動是一種低頻、大振幅的自激振動，舞動不僅有水平方向和垂直方向的運動，還伴有扭轉方向的運動。覆冰導線的舞動是輸電線路破壞的重要因素之一，因此，研究導線的覆冰規(guī)律、覆冰導線在風荷載作用下的舞動運動模式和失穩(wěn)機理是當今電力科學領域研究的難點、熱點問題。由于全球冰雪災害正處在一個活躍期，這對我國西電東輸?shù)却笮洼旊娋W(wǎng)絡安全運營與建設帶來了極大的威脅。本文選取典型的高壓輸電塔線體系作為研究對象，利用理論分析、數(shù)值模擬和風洞試驗的綜合手

2、段，重點分析了覆冰輸電線路的氣動力特性、風荷載作用下覆冰導線的舞動機理和覆冰輸電塔-線結構體系的舞動規(guī)律，為我國輸電系統(tǒng)的抗冰舞破壞設計提供了很好的參考。本文的主要研究工作和結果包括如下幾個方面：
　　1.覆冰輸電導線的氣動力分析?？紤]風攻角、風速和覆冰厚度對覆冰輸電導線的舞動影響，建立了新月形、D形和扇形三種覆冰形狀的單導線氣動力模型，分別對其氣動力特性進行了數(shù)值分析。分析了覆冰單導線和裸導線發(fā)生振動的流場信息，研究了覆冰導線和

3、裸導線尾流的漩渦脫落全過程，剖析了覆冰單導線、圓形截面裸導線的尾流場的流場差異特性。D形和扇形覆冰導線的氣動力系數(shù)變化較新月形更為復雜，發(fā)生舞動的可能性更大。對于分裂導線，分析了新月形二分裂和四分裂導線各子導線的氣動力特性，背風側子導線受迎風側子導線尾流的影響，隨著分裂數(shù)的增加，使得各子導線之間受尾流的影響情況更加復雜，分裂導線比單導線更容易發(fā)生舞動。應用響應曲面法對風速、風攻角和覆冰厚度三個影響因素進行了分析，分別推導了以風速、風攻角

4、和覆冰厚度為自變量的Den.Hartog和Nigol公式。
　　2.新型空間兩節(jié)點懸鏈線索單元的開發(fā)和應用。輸電線體系具有索結構的受力特點，為了分析索結構在各種荷載作用下的線性和非線性反應，根據(jù)索結構的受力特點，提出了一種可以充分考慮索結構非線性效應的空間兩節(jié)點懸鏈線索單元?；趶椥詰益溇€的解析解，推導了索單元的切線剛度矩陣，通過迭代法求解了索結構的剛度矩陣和內(nèi)力向量，利用該新型的索單元模型分析了靜、動力荷載作用下結構的非線性行為

5、。對于非線性靜力分析，結構平衡方程采用牛頓迭代法求解；對于非線性動力時程分析，采用Newmark直接積分法和牛頓迭代法相結合的增量迭代法求解。數(shù)值分析結果驗證了空間兩節(jié)點懸鏈線索單元模擬索結構的精確性和可靠性。為輸電系統(tǒng)的舞動分析提供了全新的算法。
　　3.基于兩節(jié)點索單元輸電線路的舞動響應分析。在兩節(jié)點索單元剛度矩陣中組裝了抗彎剛度和抗扭剛度，求出了覆冰導線的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。推導了包括平面內(nèi)和平面外運動，同時還包括

6、了導線扭轉運動的3DOF動力方程，采用基于Newmark直接積分法和牛頓迭代法的增量迭代法來求解非線性運動方程，得到了覆冰輸電導線在不同風速下的時域解析解，尋找導線發(fā)生舞動的臨界風速，同時應用Hurwitz判別準則來判斷覆冰導線失穩(wěn)條件，求解臨界風速。分析風速、檔距和弧垂對舞動響應的影響，結果表明，舞動發(fā)生時覆冰導線的張力隨著時間呈現(xiàn)周期性的變化。
　　4.大跨越覆冰分裂導線的舞動響應。建立覆冰分裂導線的有限元模型，考慮分裂導線的

7、扭轉剛度以及各子導線間氣動力的影響，計算了風速為10m/s情況下覆冰二分裂和四分裂導線的舞動情況。研究結果表明，舞動在橫風向和順風向的振幅比單導線情況大，間隔棒限制了導線的扭轉，扭轉方向的幅值較單導線沒有太大的增大。考慮了導線與間隔棒鉸接、剛接和半剛接三種連接方式，導線與間隔棒剛接情況下，導線在三個方向產(chǎn)生舞動的幅值均大于鉸接和半剛接連接方式，鉸接情況下分裂導線發(fā)生舞動的幅值最小。
　　5.覆冰輸電塔-線結構體系的舞動響應分析。對

8、理想覆冰和不均勻覆冰情況下的單跨導線和多跨導線進行了找形分析，建立了塔-線耦合的有限元模型，模擬了塔-線結構體系的隨機脈動風場，得到了各種風速下覆冰導線中間節(jié)點的舞動響應。分析了在脈動風作用下塔-線結構體系塔線連接處的軸向拉力，相鄰跨線路間的不平衡張力主要通過絕緣子串進行傳遞。脈動風使舞動響應比平均風作用產(chǎn)生的波動大。中間跨導線的舞動通過絕緣子串進行傳遞，帶動邊跨導線的振動。
　　6.覆冰輸電導線舞動響應的風洞試驗。根據(jù)風洞試驗中