覆冰導(dǎo)線舞動非線性數(shù)值模擬方法及風(fēng)洞模型試驗.pdf

1、輸電線舞動是導(dǎo)線在風(fēng)激勵下產(chǎn)生的一種低頻、大幅度自激振動。導(dǎo)線發(fā)生舞動時可能會造成相間閃絡(luò)、斷線和倒塔等事故,對整個供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的危害。對覆冰導(dǎo)線舞動的研究具有極其重要的理論意義和工程實(shí)用價值。
　　 論文首先利用風(fēng)洞試驗獲得了不同厚度新月形覆冰四分裂導(dǎo)線各子導(dǎo)線在不同風(fēng)速下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨攻角的變化曲線。結(jié)果表明,覆冰厚度對覆冰導(dǎo)線空氣動力系數(shù)的影響明顯;在測試的風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)速對空氣動力系數(shù)的變化

2、規(guī)律影響較小;迎風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線尾流對背風(fēng)側(cè)子導(dǎo)線空氣動力系數(shù)的影響明顯。在研究覆冰導(dǎo)線的舞動時有必要考慮不同子導(dǎo)線空氣動力載荷的差異。
　　 覆冰導(dǎo)線的舞動是一非線性問題。論文研究了模擬覆冰導(dǎo)線舞動的非線性數(shù)值方法?；诟脖鶎?dǎo)線所受空氣動力載荷的非線性和導(dǎo)線大幅運(yùn)動的幾何非線性,利用虛功原理建立非線性運(yùn)動方程,采用具有三個平動自由度和一個扭轉(zhuǎn)自由度的三結(jié)點(diǎn)等參單元模擬覆冰導(dǎo)線,得到基于更新Lagrange格式的覆冰導(dǎo)線的非線性動力學(xué)

3、有限元方程。采用Newmark時間積分和Newton-Raphson非線性迭代法求解有限元方程。編制了相應(yīng)的計算程序,利用算例驗證了方法和程序的J下確性。進(jìn)而對典型覆冰線路的舞動進(jìn)行數(shù)值模擬,揭示了當(dāng)覆冰導(dǎo)線的豎向和橫向固有頻率之間存在整數(shù)倍關(guān)系的情況下,可能出現(xiàn)的一種新的舞動模式。該舞動模式可理解為非線性動力系統(tǒng)的飽和現(xiàn)象,有待試驗觀測結(jié)果的驗證。
　　 在獲得覆冰單導(dǎo)線舞動數(shù)值模擬方法的基礎(chǔ)上,考慮分裂導(dǎo)線舞動過程中間隔棒的

4、幾何非線性,采用歐拉梁單元模擬間隔棒,建立覆冰分裂導(dǎo)線的非線性有限元方程。編制了相應(yīng)的計算程序,通過算例驗證了方法和程序的正確性。利用由風(fēng)洞實(shí)驗獲得的覆冰四分裂導(dǎo)線的空氣動力系數(shù),模擬研究了不同檔距覆冰四分裂導(dǎo)線的舞動,并對其舞動特性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,小檔距情況下導(dǎo)線以低階模態(tài)舞動模式為主,大檔距導(dǎo)線則會出現(xiàn)高階模態(tài)舞動模式,在研究舞動防治技術(shù)時應(yīng)予以考慮。此外,通過數(shù)值模擬分析比較了考慮子導(dǎo)線尾流影響和不考慮子導(dǎo)線尾流影響情況下導(dǎo)

5、線的舞動,結(jié)果表明,考慮尾流對氣動載荷的影響得到的豎向振動幅值更大,并更容易激發(fā)舞動的產(chǎn)生,這一結(jié)果可對舞動防治技術(shù)的研究提供參考。
　　 基于空間風(fēng)場的隨機(jī)性,首次采用數(shù)值方法模擬研究覆冰四分裂導(dǎo)線在隨機(jī)風(fēng)場中的舞動。利用考慮風(fēng)速沿高度變化的Kaimal風(fēng)速譜和Davenport互相干函數(shù),用諧波分解法數(shù)值模擬考慮沿線路方向和高度方向相關(guān)性的多點(diǎn)互相關(guān)風(fēng)速時程樣本,進(jìn)而確定作用于覆冰導(dǎo)線上的空氣動力載荷。數(shù)值模擬研究了不同檔距

6、覆冰導(dǎo)線在隨機(jī)風(fēng)場中的舞動,通過對導(dǎo)線的運(yùn)動特性的分析表明,隨機(jī)風(fēng)作用下導(dǎo)線的振動包括穩(wěn)定風(fēng)成份引起的舞動和脈動風(fēng)引起的強(qiáng)迫振動兩部分,其舞動特性和穩(wěn)定風(fēng)作用下的特性差別不大。此外,小檔距線路在隨機(jī)風(fēng)作用下導(dǎo)線的豎向振動幅值大于穩(wěn)定風(fēng)作用下的結(jié)果;而大檔距線路在隨機(jī)風(fēng)作用下的豎向舞動幅值小于穩(wěn)定風(fēng)作用下的結(jié)果。
　　 為了驗證舞動數(shù)值模擬方法的正確性,進(jìn)行了新月形覆冰單導(dǎo)線和四分裂導(dǎo)線舞動風(fēng)洞模型試驗,獲得了相應(yīng)模型的舞動軌跡。