沖擊載荷下覆冰架空輸電線路動力響應研究.pdf

1、因覆冰產生或與覆冰相關的各種沖擊載荷是威脅高寒地區(qū)架空輸電線路結構安全的常見載荷類型之一。開展覆冰輸電線路在典型沖擊載荷下的動力響應研究，對輸電線路的結構設計、對除冰技術及除冰作業(yè)方案的開發(fā)設計和保障電網的安全運行，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。
　　本文針對沖擊載荷下覆冰輸電線路動力響應的關鍵問題，即對架空線上覆冰脫落過程的模擬和對脫冰量的預測，通過有限元仿真對覆冰輸電線路在三種典型沖擊載荷（機械除冰沖擊、初始脫冰沖擊和斷線沖擊

2、）作用下的動力響應及相關影響因素進行了系統(tǒng)研究。主要研究成果如下:
　　(1)提出了考慮架空線與覆冰接觸面間粘附力和覆冰內部內聚力的覆冰脫落判定準則，通過用戶自定義單元斷裂判定子程序，將提出的判定準則融入到沖擊載荷下輸電線路覆冰脫落過程模擬和動力響應分析的有限元建模中。通過縮尺寸和全尺寸沖擊式除冰試驗，對提出的準則進行了驗證，并將其與以往的應力準則和應變準則進行了對比。結果表明:本文提出的覆冰脫落判定準則對脫冰率的預測精度和對輸電

3、線路動力響應的計算精度較以往的應變準則和應力準則有明顯提高，且成功解釋了以往準則無法解釋的試驗現(xiàn)象。
　　(2)通過對提出的覆冰脫落判定準則和以往的應變準則進行修正，首次實現(xiàn)了對偏心覆冰的模擬，通過全尺寸線路機械除冰試驗，對修正后的準則進行了驗證，并對偏心和均勻覆冰時線路的動力響應進行了對比分析。結果表明:偏心覆冰比均勻覆冰更易被除掉（與試驗觀察一致），偏心和均勻覆冰情形下輸電線路的動力響應有顯著差異，故在進行覆冰輸電線路的動力響

4、應分析時有必要對偏心覆冰和均勻覆冰進行區(qū)分。
　　(3)根據(jù)提出的覆冰脫落判定準則，對機械除冰沖擊下的輸電線路進行了系統(tǒng)研究，分析了沖擊載荷特性與作用位置和線路檔距與高差等因素對除冰效果和輸電線路動力響應的影響。結果表明:沖擊載荷單個幅值過大可能對架空線造成損傷，應當將大幅值沖擊載荷替換為多個小幅值沖擊載荷或替換為單個幅值小但持續(xù)時間長的沖擊載荷;通過數(shù)值仿真驗證了將沖擊載荷施加在檔內靠近桿塔位置的合理性;除冰率隨檔距增大而減小，

5、但隨高差變化不大。此外，為抑制機械除冰過程中輸電線路的大幅振動，提出并對比了16種技術方案，得到了綜合效果最佳的方案。
　　(4)在初始脫冰沖擊下輸電線路動力響應研究中，通過對提出的覆冰脫落判定準則進行修正，首次實現(xiàn)了對誘發(fā)脫冰現(xiàn)象的模擬;通過與全尺寸脫冰試驗和與以往的脫冰模擬方法對比，對其進行了試驗驗證和數(shù)值驗證;研究了質量、剛度和阻尼的時變特性對輸電線路脫冰動力響應的影響;研究了初始脫冰量和初始脫冰位置對連續(xù)多檔線路脫冰動力響

6、應的影響。結果表明:以往不考慮誘發(fā)脫冰效應的數(shù)值模擬方法嚴重低估了初始脫冰對輸電線路系統(tǒng)可能造成的危害，故有必要使用基于本文所提準則的脫冰模擬方法進行輸電線路脫冰動力響應分析;初始脫冰量越多或初始脫冰位置越靠近檔距中央，誘發(fā)脫落率越高，引起的線路動力響應也越劇烈。
　　(5)在斷線沖擊下覆冰輸電線路的動力響應研究中引入了覆冰脫落判定準則，考慮了誘發(fā)脫冰效應，通過與全尺寸線路斷線試驗結果對比，驗證了所提準則在斷線研究中的適用性;系統(tǒng)

7、研究了數(shù)值模擬方法、覆冰和架空線-地面接觸效應對斷線動力響應的影響。結果表明:以往的等效密度法和基于應變準則的模擬方法分別高估和低估了斷線沖擊對覆冰輸電線路可能造成的危害，而本文的模擬方法得到的動力響應關鍵參數(shù)均介于前兩種方法所得結果之間，提高了斷線動力響應分析的精度;此外，未覆冰線路斷線后，架空線張力和絕緣子串軸力的最大瞬態(tài)值均大于其斷線前的初始值，而考慮誘發(fā)脫冰效應后的覆冰輸電線路則與此相反;架空線-地面的接觸效應對未覆冰線路的動力