覆冰輸電塔線體系在氣溫升高、風(fēng)力以及其它環(huán)境因素的作用下會(huì)出現(xiàn)覆冰的不均勻和不同期脫落.覆冰脫落時(shí)將會(huì)對(duì)導(dǎo)線、地線、絕緣子、桿塔構(gòu)件以及輸電塔等產(chǎn)生動(dòng)力沖擊作用。本文就針對(duì)輸電塔線體系風(fēng)致覆冰脫落動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了一些研究，文章是一篇工程師論文發(fā)表范文。
　　摘 要：建立了兩塔三線模型，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究了輸電線路的動(dòng)力特性和中跨覆冰導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)覆冰脫落、覆冰不脫落這兩種工況的輸電塔線系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性，探討了不同風(fēng)速下二者響應(yīng)的差異.計(jì)算模型考慮了輸電線的初始變形和初始應(yīng)力.分析結(jié)果表明，塔端不平衡張力和鄰跨導(dǎo)線橫向振幅都隨著風(fēng)速的增加而增大，舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落使鄰跨導(dǎo)線橫向振動(dòng)頻率大幅增加，豎向回彈高度相對(duì)減小，而中跨的豎向回彈高度和橫向振幅分別增加了73.9%和57.7%左右.舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落對(duì)線路的影響不容忽視，在實(shí)際線路的設(shè)計(jì)中應(yīng)加以特別的考慮.

　　關(guān)鍵詞：輸電線路,有限元,風(fēng),脫冰,舞動(dòng)

　　近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)導(dǎo)線脫冰進(jìn)行了大量的研究.Mirshafiei F等[1]建立了六塔五線輸電塔線耦合體系有限元模型，并分析了覆冰脫落和導(dǎo)線斷線共同作用下體系的動(dòng)力響應(yīng)，但是模型中沒(méi)有考慮空氣中氣流的作用.實(shí)際上覆冰輸電導(dǎo)線這一細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件還會(huì)因空氣中氣流的自激作用，產(chǎn)生低頻、大幅、不穩(wěn)定、純彎曲的舞動(dòng).導(dǎo)線的舞動(dòng)會(huì)造成相間短路、絕緣子閃絡(luò)，引起線路跳閘、絕緣子和金具損壞、導(dǎo)線斷線、桿塔松動(dòng)甚至倒塔等嚴(yán)重事故.目前，覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的機(jī)理和模型主要有：DenHartog[2]提出的忽略導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的垂直舞動(dòng)機(jī)理、Nigol等[3]提出的考慮垂直方向氣動(dòng)力和導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)激發(fā)舞動(dòng)機(jī)理和YU P等[4]提出的考慮垂直方向氣動(dòng)力、扭轉(zhuǎn)力、偏心慣性對(duì)舞動(dòng)影響的偏心慣性耦合失穩(wěn)機(jī)理.李欣業(yè)等[5]等考慮基于輸電導(dǎo)線垂向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)耦合的兩自由度模型，利用多尺度法和數(shù)值分析方法，分別就系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)臨界風(fēng)速和舞動(dòng)振幅的影響進(jìn)行了理論分析;王麗新[6]等利用梁?jiǎn)卧�模擬覆冰導(dǎo)線，通過(guò)動(dòng)坐標(biāo)迭代法和Newmark法進(jìn)行靜力、動(dòng)力響應(yīng)分析，給出了高壓輸電線舞動(dòng)的有限元分析方法，然而對(duì)于輸電塔的耦合作用和舞動(dòng)過(guò)程中覆冰的脫落均未有涉及.杜運(yùn)興[7]等分析了塔線體系在風(fēng)荷載和覆冰荷載共同作用下對(duì)塔端不平衡張力造成影響的各種因素并提出了二者共同作用下計(jì)算不平衡張力的理論公式，但對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)特性未做探究.

　　針對(duì)在實(shí)際運(yùn)行線路中導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)伴隨著覆冰脫落的情況，本文采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法建立了塔線體系的耦合模型，通過(guò)覆冰破壞準(zhǔn)則的定義，對(duì)覆冰線路發(fā)生舞動(dòng)導(dǎo)致覆冰脫落時(shí)體系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了探討和分析，以期為覆冰線路的設(shè)計(jì)提供參考.

　　1 有限元模型

　　1.1 輸電塔線體系結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

　　為了研究導(dǎo)線舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落對(duì)輸電線路的影響，本文選用5B-ZBC1酒杯型鐵塔建立了二塔三線的三維有限元模型，如圖1～2所示.輸電塔架的所有桿件均采用空間梁?jiǎn)卧�，考慮到導(dǎo)線具有一定的抗扭剛度并承受一定扭矩，對(duì)導(dǎo)線采用忽略剪切變形的彈性梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬.針對(duì)導(dǎo)線抗拉不抗壓的性質(zhì)，利用軟件中的亞彈性材料定義其拉壓方向的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)這一特性，即當(dāng)ε大于0時(shí)，彈性模量E取導(dǎo)線的實(shí)際彈性模量;當(dāng)ε小于0時(shí)，彈性模量E取為0.導(dǎo)線外側(cè)的覆冰采用基于歐拉伯努利梁理論的閉合截面梁?jiǎn)卧�模擬.覆冰單元采用與導(dǎo)線共節(jié)點(diǎn)的方式建立.絕緣子串一端與輸電塔橫擔(dān)鉸接，另一端與導(dǎo)線鉸接，利用剛性連接連接橫擔(dān)及導(dǎo)線對(duì)應(yīng)點(diǎn)，約束三個(gè)平動(dòng)自由度來(lái)模擬，如圖3所示.關(guān)于5B-ZBC1輸電塔的具體幾何尺寸均參照文獻(xiàn)\[8\]建立，導(dǎo)(地)線的具體參數(shù)如表1所示.

　　覆冰的破壞準(zhǔn)則目前所見(jiàn)有兩種，一是文獻(xiàn)\[9\]提出的等效塑性應(yīng)變破壞準(zhǔn)則;二是文獻(xiàn)\[10\]提出的拉伸強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則.文獻(xiàn)\[11-12\]通過(guò)冷風(fēng)洞模擬大氣結(jié)冰，測(cè)得冰的彎曲強(qiáng)度、等效模量和壓縮強(qiáng)度.當(dāng)覆冰厚度不大時(shí)，其剪切變形可以忽略，認(rèn)為覆冰的破壞采用最大拉應(yīng)力理論較合理，故本文采用拉伸強(qiáng)度理論.根據(jù)沈國(guó)輝[13]等的分析，本文的覆冰彈性模量取E=1.0×109N/m2，拉伸強(qiáng)度取0.9 MPa，冰密度取900 kg/m3.導(dǎo)線和桿塔的阻尼采用瑞利阻尼模型，即

　　C=αM+βK.(1)

　　式中：α和β為瑞利阻尼系數(shù).根據(jù)文獻(xiàn)\[14\]中的分析，β通常很小，可以近似為0.對(duì)于覆冰導(dǎo)線和桿塔，α可分別取為0.1和0.2.計(jì)算模型采用的材料本構(gòu)模型均為線彈性模型，計(jì)算過(guò)程中考慮整個(gè)體系的幾何非線性.

　　1.2 導(dǎo)(地)線的形態(tài)和應(yīng)力

　　輸電塔線體系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都是在初始靜態(tài)構(gòu)型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以在進(jìn)行導(dǎo)(地)線的動(dòng)力分析前，導(dǎo)(地)線形態(tài)的確定和應(yīng)力的施加尤其重要.架空線路導(dǎo)線在其自身重力作用下初始形態(tài)如圖4所示，其構(gòu)型可用下述懸鏈線方程[15]表示.

　　2 荷載分析

　　2.1 風(fēng)荷載

　　2.1.1 導(dǎo)(地)線所受風(fēng)荷載

　　當(dāng)風(fēng)吹過(guò)在垂直其方向上處于微振動(dòng)狀態(tài)的覆冰導(dǎo)(地)線時(shí)，導(dǎo)(地)線會(huì)因風(fēng)的自激作用產(chǎn)生彎曲的大幅振動(dòng)，振動(dòng)激發(fā)的波會(huì)在兩個(gè)輸電塔之間快速傳遞，通常振幅可達(dá)導(dǎo)線直徑的10倍以上.風(fēng)作用于覆冰的導(dǎo)(地)線上相當(dāng)于對(duì)其施加了3個(gè)分力[17]：阻力F.D，升力F.L和扭矩F.M，如圖5所示.這3個(gè)分力的表達(dá)式如下：

　　如圖5所示，作用在導(dǎo)(地)線上的三分力投影到整體坐標(biāo)系上的分力即為(F.M不變)：

　　從以上兩式可以看出導(dǎo)線在舞動(dòng)過(guò)程中，作用于其上的氣動(dòng)荷載時(shí)刻在改變.本文通過(guò)子程序在每一步計(jì)算之前根據(jù)上一步的計(jì)算結(jié)果調(diào)整三分力系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)荷載的實(shí)時(shí)施加.

　　2.1.2 輸電塔所受風(fēng)荷載

　　將塔所受風(fēng)載集中等效在若干節(jié)點(diǎn)上，節(jié)點(diǎn)具體位置參見(jiàn)文獻(xiàn)\[7\]，施加點(diǎn)風(fēng)載按式(14)計(jì)算，采用指數(shù)型風(fēng)剖面描述平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律. 　　2.2 導(dǎo)(地)線覆冰荷載

　　在靜力分析時(shí)，覆冰單元處于“殺死”狀態(tài)，將覆冰荷載等效為重力荷載來(lái)進(jìn)行初始找形的靜力平衡分析，以得到導(dǎo)(地)線在自重作用下的初始構(gòu)型.在動(dòng)力分析時(shí)，將覆冰單元“激活”以考慮覆冰的質(zhì)量和剛度.靜力分析時(shí)覆冰的重力等效荷載采用公式(15)計(jì)算：

　　3 塔和塔線體系動(dòng)力特性分析

　　本文在不考慮導(dǎo)(地)線對(duì)輸電塔影響的情況下，首先對(duì)單塔進(jìn)行了模態(tài)分析，其次分析了塔線耦合體系的動(dòng)力特性，得到了單塔和塔線體系的自振頻率和振型.限于篇幅，僅列舉其前4階的頻率(如表2～3所示)和振型(如圖7～8所示).

　　上述動(dòng)力特性的分析結(jié)果表明，模型采用的輸電塔在x，y方向的頻率較為接近，因此輸電塔在這兩個(gè)方向上的整體剛度相差不大.本文提取了塔線體系的前800階模態(tài)，發(fā)現(xiàn)塔線體系前600階模態(tài)振動(dòng)頻率較為密集，且基本以導(dǎo)線振型為主而輸電塔的振型分辨不清，600階以后才出現(xiàn)可分辨的輸電塔振型，這與文獻(xiàn)\[20\]的分析結(jié)果較為一致.

　　4 舞動(dòng)過(guò)程中覆冰脫落動(dòng)力分析

　　為了探討覆冰輸電線路舞動(dòng)過(guò)程中，覆冰脫落對(duì)體系動(dòng)力響應(yīng)的影響.本文以檔距440 m，覆冰厚度15 mm，初始風(fēng)攻角24°，無(wú)高差的三檔線路為對(duì)象，首先分析了輸電塔對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)的影響，其次進(jìn)行了舞動(dòng)過(guò)程中脫冰與不脫冰兩種情況下動(dòng)力響應(yīng)的對(duì)比分析，并探討了不同風(fēng)速下二者動(dòng)力響應(yīng)的差異.與耐張塔連接的邊跨導(dǎo)線端點(diǎn)只發(fā)生很小的位移，將耐張塔簡(jiǎn)化為鉸支座，地基對(duì)桿塔的約束按固結(jié)處理.具體計(jì)算工況為工況1：中跨線路發(fā)生舞動(dòng)，體系無(wú)覆冰脫落;工況2：中跨線路發(fā)生舞動(dòng)，中跨線路有覆冰脫落;工況3：中跨線路發(fā)生舞動(dòng)，體系無(wú)覆冰脫落，輸電塔以鉸支座代替.

　　計(jì)算了在12～20 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，3種工況下的動(dòng)力反應(yīng)并從順導(dǎo)線方向的最大不平衡張力、跨中中點(diǎn)橫向和豎向的位移時(shí)程、振幅等方面進(jìn)行了對(duì)比分析.具體的結(jié)果如圖9～15所示，其中圖11～15所示曲線為風(fēng)速在16 m/s時(shí)各種工況下位移時(shí)程曲線相互對(duì)比圖(以導(dǎo)線覆冰后的平衡位置作為零點(diǎn)).圖題中的S1C2，S2C2分別表示左跨中相導(dǎo)線和中跨中相導(dǎo)線，時(shí)程曲線均取自各跨中點(diǎn).

　　從圖9的簡(jiǎn)單比較可以發(fā)現(xiàn)，在覆冰線路舞動(dòng)的分析中，單純地用鉸支座代替輸電塔并不可取.圖10顯示，輸電塔上的最大不平衡張力隨著風(fēng)速的增加而逐漸增大，在同一風(fēng)速下工況2的不平衡張力均比工況1的要大，且隨著風(fēng)速的增大兩者之間的差異更加明顯.由于本文采用的模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在只有自重和覆冰荷載作用下塔端順導(dǎo)線方向的初始張力是平衡的，中跨受空氣動(dòng)力作用發(fā)生舞動(dòng)時(shí)不平衡張力才開(kāi)始出現(xiàn)，此時(shí)中跨覆冰的脫落加劇了這種力的不平衡性，最大時(shí)工況2能達(dá)到工況1的2.37倍左右.當(dāng)導(dǎo)線處于重冰區(qū)時(shí)，舞動(dòng)過(guò)程中覆冰的脫落導(dǎo)致不平衡力的增加將更明顯，嚴(yán)重時(shí)有可能超過(guò)設(shè)計(jì)值造成斷線事故.

　　從圖11也可以發(fā)現(xiàn)：由于中跨舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落對(duì)于邊跨的輸電導(dǎo)線的橫向振幅也有一定的影響，而且趨勢(shì)與不平衡張力的變化趨勢(shì)大體一致.

　　從圖12～13可以看出中跨導(dǎo)線舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落對(duì)鄰跨導(dǎo)線的豎向和橫向振動(dòng)有著不同程度的影響.中跨發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，鄰跨導(dǎo)線橫向的振動(dòng)開(kāi)始是發(fā)散的，達(dá)到最大值后又逐漸收斂，如此交替循環(huán).工況1完成一次循環(huán)需要103 s左右，是工況2 16 s的6.4倍，可見(jiàn)覆冰的脫落導(dǎo)致鄰跨導(dǎo)線橫向的振動(dòng)頻率大幅增加.這可能是由于覆冰脫落導(dǎo)致兩側(cè)的絕緣子在不平衡張力的作用下向鄰跨擺動(dòng)，造成鄰跨導(dǎo)線出現(xiàn)應(yīng)力松弛的結(jié)果.從圖13還可以發(fā)現(xiàn)，覆冰脫落后，鄰跨導(dǎo)線在橫風(fēng)向上的振幅出現(xiàn)了一定程度的減小，并在較低的平衡位置上下振動(dòng).

　　圖14～15是中跨導(dǎo)線中點(diǎn)在橫向和豎向的位移時(shí)程圖.從圖中可以明顯觀察到：由于該跨覆冰的脫落導(dǎo)致導(dǎo)線在橫向和豎向的振幅都大幅增加.橫向的最大振幅由5.2 m增加到8.2 m，豎向的最大振幅由6.9 m增加到12 m.覆冰的脫落引起中跨相對(duì)于鄰跨的豎向荷載和側(cè)向剛度的減小應(yīng)該是導(dǎo)致這些變化的直接原因.

　　5 結(jié) 論

　　本文建立了二塔三線的連續(xù)檔輸電塔線體系舞動(dòng)有限元模型，討論了體系的動(dòng)力特性和輸電塔對(duì)導(dǎo)線舞動(dòng)的影響，并分析了在中跨導(dǎo)線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)覆冰發(fā)生脫落和不脫落時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)的區(qū)別并得到以下結(jié)論：

　　1)本文采用的輸電塔在橫向和側(cè)向兩個(gè)方向的剛度較為接近，塔線體系這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率較為密集，低階振型以導(dǎo)線振型為主，而以輸電塔為主的振型均出現(xiàn)在高階模態(tài)中.覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的分析中輸電塔并不能簡(jiǎn)單采用鉸支座來(lái)代替.

　　2)當(dāng)中跨發(fā)生舞動(dòng)時(shí)，塔端不平衡張力和鄰跨豎向振幅都隨著風(fēng)速的增加而逐漸增大，且在同一風(fēng)速情況下工況2比工況1的值都要大，最大分別達(dá)到2.37倍和1.3倍左右.當(dāng)線路處于重冰區(qū)并遭遇大風(fēng)天氣時(shí)，舞動(dòng)過(guò)程中覆冰的脫落導(dǎo)致不平衡力的增加將更明顯，甚至有可能超過(guò)設(shè)計(jì)值造成斷線事故.

　　3)舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落使中跨的豎向和橫向振幅均出現(xiàn)較大程度的增長(zhǎng)并維持在一個(gè)較高的平衡位置上振動(dòng)，覆冰的脫落致使中跨橫向振幅增加了57.7%，跨中回彈高度增加了73.9%.這一現(xiàn)象持續(xù)發(fā)展可能會(huì)引起導(dǎo)線之間的觸碰造成相間短路.舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落使鄰跨導(dǎo)線橫向振動(dòng)頻率大幅增加而豎向回彈高度相對(duì)減小.以上結(jié)論說(shuō)明舞動(dòng)導(dǎo)致的覆冰脫落對(duì)線路的影響不容忽視，在實(shí)際線路的設(shè)計(jì)中應(yīng)該加以特別的考慮.

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] MIRSHAFIEI F，MCCLURE G， MASOUD F. Modelling the dynamic response of iced transmission lines subjected to cable rupture and ice shedding\[J\]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2013， 28(2)： 948-954. 　　[2] DEN HARTOG J P. Transmission line vibration due to sleet\[J\].AIEE Transmission，1932，51(4)： 1074-1086.

　　[3] NIGOL O， BUCHAN P. Conductor galloping―part Ⅱ torsional mechanism\[J\].IEEE Transmission on Power Apparatus and System，1981，100(2)：708-720.

　　[4] YU P， SHAH A H， POPPLEWWELL N. Inertially coupled galloping of iced conductors\[J\].Transmission of the ASME，1992，59(1)：140-145.

　　[5] 李欣業(yè)，張華彪，侯書軍，等. 覆冰輸電導(dǎo)線舞動(dòng)的仿真分析\[J\]. 振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2010，23(1)：76-85.

　　LI Xin-ye， ZHANG Hua-biao， HOU Shu-jun， et al. Theoretical and numerical analysis of galloping of iced power transmission lines\[J\].Journal of Vibration Engineering， 2010，23(1)：76-85. (In Chinese)

　　[6] 王麗新，楊文兵，楊新華，等. 輸電線路舞動(dòng)的有限元分析\[J\]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：城市科學(xué)版，2004， 21(1)：76-80.
　　工程師論文發(fā)表期刊推薦《貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》是由貴州工業(yè)大學(xué)主辦，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)發(fā)行的理工類學(xué)術(shù)期刊。主要刊登以基礎(chǔ)理論、自然科學(xué)、工程技術(shù)及相關(guān)的邊緣學(xué)科的學(xué)術(shù)論文、技術(shù)報(bào)告、兼顧基礎(chǔ)與應(yīng)用學(xué)科類稿件。本刊已入編《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》、“中國(guó)期刊網(wǎng)”、“中國(guó)全文上網(wǎng)期刊群(CHINAINFO)”，是“中國(guó)科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(kù)”、“中國(guó)科學(xué)計(jì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)”、美國(guó)CA、俄羅斯AJ的固定源刊。

---

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自：http://www.jinnzone.com/gongyeshejilw/57189.html