覆冰導線舞動非線性數(shù)值模擬方法及風洞模型試驗.pdf

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

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

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。編制了相應的計算程序,利用算例驗證了方法和程序的J下確性。進而對典型覆冰線路的舞動進行數(shù)值模擬,揭示了當覆冰導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。
　　 在獲得覆冰單導線舞動數(shù)值模擬方法的基礎上,考慮分裂導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,建立覆冰分裂導線的非線性有限元方程。編制了相應的計算程序,通過算例驗證了方法和程序的正確性。利用由風洞實驗獲得的覆冰四分裂導線的空氣動力系數(shù),模擬研究了不同檔距覆冰四分裂導線的舞動,并對其舞動特性進行了分析,結(jié)果表明,小檔距情況下導線以低階模態(tài)舞動模式為主,大檔距導線則會出現(xiàn)高階模態(tài)舞動模式,在研究舞動防治技術(shù)時應予以考慮。此外,通過數(shù)值模擬分析比較了考慮子導線尾流影響和不考慮子導線尾流影響情況下導

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。
　　 基于空間風場的隨機性,首次采用數(shù)值方法模擬研究覆冰四分裂導線在隨機風場中的舞動。利用考慮風速沿高度變化的Kaimal風速譜和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)性的多點互相關(guān)風速時程樣本,進而確定作用于覆冰導線上的空氣動力載荷。數(shù)值模擬研究了不同檔距

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