沖擊載荷下覆冰架空輸電線路動(dòng)力響應(yīng)研究.pdf

1、因覆冰產(chǎn)生或與覆冰相關(guān)的各種沖擊載荷是威脅高寒地區(qū)架空輸電線路結(jié)構(gòu)安全的常見(jiàn)載荷類(lèi)型之一。開(kāi)展覆冰輸電線路在典型沖擊載荷下的動(dòng)力響應(yīng)研究，對(duì)輸電線路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)除冰技術(shù)及除冰作業(yè)方案的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文針對(duì)沖擊載荷下覆冰輸電線路動(dòng)力響應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題，即對(duì)架空線上覆冰脫落過(guò)程的模擬和對(duì)脫冰量的預(yù)測(cè)，通過(guò)有限元仿真對(duì)覆冰輸電線路在三種典型沖擊載荷（機(jī)械除冰沖擊、初始脫冰沖擊和斷線沖擊

2、）作用下的動(dòng)力響應(yīng)及相關(guān)影響因素進(jìn)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(nèi)部?jī)?nèi)聚力的覆冰脫落判定準(zhǔn)則，通過(guò)用戶(hù)自定義單元斷裂判定子程序，將提出的判定準(zhǔn)則融入到?jīng)_擊載荷下輸電線路覆冰脫落過(guò)程模擬和動(dòng)力響應(yīng)分析的有限元建模中。通過(guò)縮尺寸和全尺寸沖擊式除冰試驗(yàn)，對(duì)提出的準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證，并將其與以往的應(yīng)力準(zhǔn)則和應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:本文提出的覆冰脫落判定準(zhǔn)則對(duì)脫冰率的預(yù)測(cè)精度和對(duì)輸電

3、線路動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算精度較以往的應(yīng)變準(zhǔn)則和應(yīng)力準(zhǔn)則有明顯提高，且成功解釋了以往準(zhǔn)則無(wú)法解釋的試驗(yàn)現(xiàn)象。
　　(2)通過(guò)對(duì)提出的覆冰脫落判定準(zhǔn)則和以往的應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行修正，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)偏心覆冰的模擬，通過(guò)全尺寸線路機(jī)械除冰試驗(yàn)，對(duì)修正后的準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證，并對(duì)偏心和均勻覆冰時(shí)線路的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明:偏心覆冰比均勻覆冰更易被除掉（與試驗(yàn)觀察一致），偏心和均勻覆冰情形下輸電線路的動(dòng)力響應(yīng)有顯著差異，故在進(jìn)行覆冰輸電線路的動(dòng)力響

4、應(yīng)分析時(shí)有必要對(duì)偏心覆冰和均勻覆冰進(jìn)行區(qū)分。
　　(3)根據(jù)提出的覆冰脫落判定準(zhǔn)則，對(duì)機(jī)械除冰沖擊下的輸電線路進(jìn)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(duì)除冰效果和輸電線路動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:沖擊載荷單個(gè)幅值過(guò)大可能對(duì)架空線造成損傷，應(yīng)當(dāng)將大幅值沖擊載荷替換為多個(gè)小幅值沖擊載荷或替換為單個(gè)幅值小但持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的沖擊載荷;通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了將沖擊載荷施加在檔內(nèi)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(jī)械除冰過(guò)程中輸電線路的大幅振動(dòng)，提出并對(duì)比了16種技術(shù)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(dòng)力響應(yīng)研究中，通過(guò)對(duì)提出的覆冰脫落判定準(zhǔn)則進(jìn)行修正，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)誘發(fā)脫冰現(xiàn)象的模擬;通過(guò)與全尺寸脫冰試驗(yàn)和與以往的脫冰模擬方法對(duì)比，對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)值驗(yàn)證;研究了質(zhì)量、剛度和阻尼的時(shí)變特性對(duì)輸電線路脫冰動(dòng)力響應(yīng)的影響;研究了初始脫冰量和初始脫冰位置對(duì)連續(xù)多檔線路脫冰動(dòng)力響

6、應(yīng)的影響。結(jié)果表明:以往不考慮誘發(fā)脫冰效應(yīng)的數(shù)值模擬方法嚴(yán)重低估了初始脫冰對(duì)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(zhǔn)則的脫冰模擬方法進(jìn)行輸電線路脫冰動(dòng)力響應(yīng)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(dòng)力響應(yīng)也越劇烈。
　　(5)在斷線沖擊下覆冰輸電線路的動(dòng)力響應(yīng)研究中引入了覆冰脫落判定準(zhǔn)則，考慮了誘發(fā)脫冰效應(yīng)，通過(guò)與全尺寸線路斷線試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了所提準(zhǔn)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(yīng)對(duì)斷線動(dòng)力響應(yīng)的影響。結(jié)果表明:以往的等效密度法和基于應(yīng)變準(zhǔn)則的模擬方法分別高估和低估了斷線沖擊對(duì)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(dòng)力響應(yīng)關(guān)鍵參數(shù)均介于前兩種方法所得結(jié)果之間，提高了斷線動(dòng)力響應(yīng)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(yīng)后的覆冰輸電線路則與此相反;架空線-地面的接觸效應(yīng)對(duì)未覆冰線路的動(dòng)力