輸電塔-線耦合結(jié)構(gòu)體系覆冰舞動機理及其響應(yīng)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(zhuǎn)方向的運動。覆冰導(dǎo)線的舞動是輸電線路破壞的重要因素之一，因此，研究導(dǎo)線的覆冰規(guī)律、覆冰導(dǎo)線在風(fēng)荷載作用下的舞動運動模式和失穩(wěn)機理是當(dāng)今電力科學(xué)領(lǐng)域研究的難點、熱點問題。由于全球冰雪災(zāi)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(luò)安全運營與建設(shè)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(fēng)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(fēng)荷載作用下覆冰導(dǎo)線的舞動機理和覆冰輸電塔-線結(jié)構(gòu)體系的舞動規(guī)律，為我國輸電系統(tǒng)的抗冰舞破壞設(shè)計提供了很好的參考。本文的主要研究工作和結(jié)果包括如下幾個方面：
　　1.覆冰輸電導(dǎo)線的氣動力分析。考慮風(fēng)攻角、風(fēng)速和覆冰厚度對覆冰輸電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)線和裸導(dǎo)線發(fā)生振動的流場信息，研究了覆冰導(dǎo)線和

3、裸導(dǎo)線尾流的漩渦脫落全過程，剖析了覆冰單導(dǎo)線、圓形截面裸導(dǎo)線的尾流場的流場差異特性。D形和扇形覆冰導(dǎo)線的氣動力系數(shù)變化較新月形更為復(fù)雜，發(fā)生舞動的可能性更大。對于分裂導(dǎo)線，分析了新月形二分裂和四分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線的氣動力特性，背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線受迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線尾流的影響，隨著分裂數(shù)的增加，使得各子導(dǎo)線之間受尾流的影響情況更加復(fù)雜，分裂導(dǎo)線比單導(dǎo)線更容易發(fā)生舞動。應(yīng)用響應(yīng)曲面法對風(fēng)速、風(fēng)攻角和覆冰厚度三個影響因素進行了分析，分別推導(dǎo)了以風(fēng)速、風(fēng)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(yīng)用。輸電線體系具有索結(jié)構(gòu)的受力特點，為了分析索結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的線性和非線性反應(yīng)，根據(jù)索結(jié)構(gòu)的受力特點，提出了一種可以充分考慮索結(jié)構(gòu)非線性效應(yīng)的空間兩節(jié)點懸鏈線索單元。基于彈性懸鏈線的解析解，推導(dǎo)了索單元的切線剛度矩陣，通過迭代法求解了索結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的非線性行為

5、。對于非線性靜力分析，結(jié)構(gòu)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(jié)合的增量迭代法求解。數(shù)值分析結(jié)果驗證了空間兩節(jié)點懸鏈線索單元模擬索結(jié)構(gòu)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(yīng)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(dǎo)線的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣。推導(dǎo)了包括平面內(nèi)和平面外運動，同時還包括

6、了導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)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(dǎo)線在不同風(fēng)速下的時域解析解，尋找導(dǎo)線發(fā)生舞動的臨界風(fēng)速，同時應(yīng)用Hurwitz判別準則來判斷覆冰導(dǎo)線失穩(wěn)條件，求解臨界風(fēng)速。分析風(fēng)速、檔距和弧垂對舞動響應(yīng)的影響，結(jié)果表明，舞動發(fā)生時覆冰導(dǎo)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(dǎo)線的舞動響應(yīng)。建立覆冰分裂導(dǎo)線的有限元模型，考慮分裂導(dǎo)線的

7、扭轉(zhuǎn)剛度以及各子導(dǎo)線間氣動力的影響，計算了風(fēng)速為10m/s情況下覆冰二分裂和四分裂導(dǎo)線的舞動情況。研究結(jié)果表明，舞動在橫風(fēng)向和順風(fēng)向的振幅比單導(dǎo)線情況大，間隔棒限制了導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)方向的幅值較單導(dǎo)線沒有太大的增大?？紤]了導(dǎo)線與間隔棒鉸接、剛接和半剛接三種連接方式，導(dǎo)線與間隔棒剛接情況下，導(dǎo)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(dǎo)線發(fā)生舞動的幅值最小。
　　5.覆冰輸電塔-線結(jié)構(gòu)體系的舞動響應(yīng)分析。對

8、理想覆冰和不均勻覆冰情況下的單跨導(dǎo)線和多跨導(dǎo)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(jié)構(gòu)體系的隨機脈動風(fēng)場，得到了各種風(fēng)速下覆冰導(dǎo)線中間節(jié)點的舞動響應(yīng)。分析了在脈動風(fēng)作用下塔-線結(jié)構(gòu)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(fēng)使舞動響應(yīng)比平均風(fēng)作用產(chǎn)生的波動大。中間跨導(dǎo)線的舞動通過絕緣子串進行傳遞，帶動邊跨導(dǎo)線的振動。
　　6.覆冰輸電導(dǎo)線舞動響應(yīng)的風(fēng)洞試驗。根據(jù)風(fēng)洞試驗中