覆冰輸電線路舞動(dòng)試驗(yàn)研究和非線性動(dòng)力學(xué)分析.pdf

1、舞動(dòng)是導(dǎo)線覆冰后在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的自激振動(dòng)。舞動(dòng)對(duì)輸電線路危害極大，引起的動(dòng)張力會(huì)造成相間閃絡(luò)、導(dǎo)/地線斷股、間隔棒撕裂等事故。尤其是在特定氣象條件下，導(dǎo)線舞動(dòng)的持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)幾天，從而有可能導(dǎo)致桿塔構(gòu)件撕裂、失穩(wěn)甚至倒塔等事故的發(fā)生。近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的迅速發(fā)展和惡劣氣候的頻繁出現(xiàn)，電力系統(tǒng)發(fā)生舞動(dòng)事故的頻率和對(duì)電力行業(yè)的危害程度呈顯著增加的趨勢(shì)，嚴(yán)重威脅著電力能源的正常輸送和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。因此，深入開展覆冰輸電線路舞動(dòng)

2、的試驗(yàn)研究和理論分析、完善輸電線路抗舞設(shè)計(jì)方法和提供相關(guān)技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)，有著十分重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、鸥脖旊娋€路靜張力對(duì)橫擔(dān)作用特征的研究:以在線路覆冰作用下橫擔(dān)嚴(yán)重破壞的轉(zhuǎn)角耐張塔為研究對(duì)象，制作大比例輸電塔節(jié)段模型，并按相似理論設(shè)計(jì)、加工了覆冰導(dǎo)線模型，對(duì)輸電塔進(jìn)行了模擬導(dǎo)線重覆冰狀態(tài)下的靜力加載試驗(yàn)。同時(shí)考慮連接偏心、節(jié)點(diǎn)板和螺栓長(zhǎng)度等細(xì)節(jié)對(duì)構(gòu)件傳力路徑的影響，建立了精細(xì)化的中橫擔(dān)有限元

3、模型，對(duì)靜力試驗(yàn)進(jìn)行全過程的數(shù)值模擬，并與關(guān)鍵截面處的荷載-變形特征試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上通過非線性屈曲計(jì)算，考察了覆冰導(dǎo)線靜張力作用下橫擔(dān)的失效模式及薄弱環(huán)節(jié)。
　　⑵輸電塔線體系舞動(dòng)響應(yīng)和桿塔失效機(jī)理的試驗(yàn)研究:以在舞動(dòng)事故中橫擔(dān)嚴(yán)重破壞的某轉(zhuǎn)角耐張塔研究對(duì)象，基于模型動(dòng)力相似原理，設(shè)計(jì)制作了彈性邊界條件下的大比例輸電塔節(jié)段模型和能夠模擬不同覆冰參數(shù)的導(dǎo)線模型，并首次研制開發(fā)了模擬覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的試驗(yàn)加載裝置。在此基礎(chǔ)上，

4、于試驗(yàn)室條件下再現(xiàn)了導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力和運(yùn)動(dòng)特征，并進(jìn)行了不同參數(shù)下的輸電塔線體系舞動(dòng)試驗(yàn)，研究了覆冰厚度、舞動(dòng)幅值以及頻率對(duì)塔線體系響應(yīng)特征的影響。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際線路舞動(dòng)時(shí)的特征參數(shù)，于試驗(yàn)室條件下進(jìn)行了覆冰塔線體系舞動(dòng)事故的反演，并根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的構(gòu)件動(dòng)應(yīng)力幅值，計(jì)算了輸電塔構(gòu)件在導(dǎo)線舞動(dòng)作用下的疲勞壽命。最后，綜合分析塔線體系舞動(dòng)試驗(yàn)和疲勞壽命的計(jì)算結(jié)果，揭示了舞動(dòng)作用下輸電桿塔失效的根本原因。
　?、歉脖旊娋€路舞動(dòng)非線性動(dòng)

5、力學(xué)與雙參數(shù)分岔分析:建立了考慮豎直向、水平向和扭轉(zhuǎn)向三維非線性耦合效應(yīng)的連續(xù)體覆冰分裂導(dǎo)線舞動(dòng)方程，并根據(jù)Galerkin積分和Routh-Hurwitz穩(wěn)定性判據(jù)準(zhǔn)則標(biāo)識(shí)系統(tǒng)在參數(shù)空間中的穩(wěn)定域和非穩(wěn)定域。在此基礎(chǔ)上，選定風(fēng)速、初始風(fēng)攻角以及豎向阻尼比為分岔參數(shù)，應(yīng)用中心流形降維方法求解了原系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近的約化系統(tǒng)。通過將分岔參數(shù)視為系統(tǒng)狀態(tài)變量的方式，把含參數(shù)的約化系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為不含參數(shù)的擴(kuò)張系統(tǒng)，并利用規(guī)范形理論分段求解了擴(kuò)張系統(tǒng)

6、的Hopf分岔規(guī)范形，研究了雙參數(shù)同時(shí)變化對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)響應(yīng)的影響。
　?、确至褜?dǎo)線舞動(dòng)非線性數(shù)值模擬:基于完全拉格朗日格式，建立了適用于單導(dǎo)線和分裂導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)值模擬的非線性有限元舞動(dòng)分析方法。采用具有扭轉(zhuǎn)自由度的三節(jié)點(diǎn)拋物線索單元離散覆冰單導(dǎo)線。對(duì)于覆冰分裂導(dǎo)線，在單導(dǎo)線有限元法的基礎(chǔ)上，利用歐拉梁?jiǎn)卧M間隔棒的運(yùn)動(dòng)過程，結(jié)合梁節(jié)點(diǎn)彎曲自由度縮聚法實(shí)現(xiàn)了間隔棒與分裂子導(dǎo)線之間的耦合，并運(yùn)用隨轉(zhuǎn)坐標(biāo)系求解舞動(dòng)過程中的梁節(jié)點(diǎn)不平衡力。

7、在此基礎(chǔ)上，結(jié)合覆冰分裂導(dǎo)線氣動(dòng)力測(cè)試結(jié)果，研究了風(fēng)場(chǎng)特性、導(dǎo)線覆冰厚度和初始凝冰角對(duì)輸電線路起舞機(jī)理和響應(yīng)特征的影響。
　　⑸三維瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)下覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)值模擬:根據(jù)隨機(jī)流場(chǎng)生成方法和三維風(fēng)速功率譜，逐點(diǎn)模擬了覆冰分裂導(dǎo)線周邊的脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)，并從瞬態(tài)流場(chǎng)的不可壓縮特征、風(fēng)功率譜、時(shí)間相關(guān)函數(shù)以及空間相關(guān)系數(shù)等統(tǒng)計(jì)特征證明了風(fēng)場(chǎng)模擬方法的有效性和合理性。運(yùn)用分裂導(dǎo)線舞動(dòng)非線性有限元法對(duì)輸電線路在均勻流場(chǎng)、一維脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)和三維瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)