覆冰分裂导线舞动数值模拟方法研究

论文摘要

输电导线的舞动是偏心覆冰导线在风激励下产生的一种低频、大幅度自激振动。覆冰导线发生舞动时可能会对输电线路造成损坏,对整个供电系统的安全运行造成严重的危害。因此,对于覆冰分裂导线舞动的研究具有极其重要的工程实用价值。本论文简要阐述覆冰导线舞动发生的机理,作用在覆冰导线上的空气动力载荷以及导线舞动的激发模式,重点研究覆冰分裂导线舞动的数值模拟方法。首先,以覆冰双分裂导线为研究对象,利用Hamilton变分原理建立分裂导线系统的动力学平衡方程,该模型能反映导线在水平、垂直和扭转三个方向的运动。利用罚函数法将子导线上间隔棒连接点的运动约束条件引入分裂导线的动力学平衡方程中。利用Newmark法进行时间积分,Newton-Raphson迭代求解非线性动力学方程,编制了Fortran计算程序,并数值模拟了典型水平双分裂导线和垂直双分裂导线的舞动,验证了方法的正确性。在此基础上进一步研究模拟覆冰三分裂导线和四分裂导线舞动的方法,具体给出了模拟三角形排列和水平排列三分裂导线以及四分裂导线舞动的动力学方程。编制了相应的计算程序,通过数值算例验证了方法的正确性。利用所获得的数值方法和由风洞试验得到的覆冰四分裂导线各子导线的空气动力参数,对覆冰四分裂导线的舞动进行研究。通过现有的将四分裂导线等效为单根导线的方法与本论文提出的将分裂导线各子导线分别考虑的方法所得结果的比较,发现前述方法所得舞动的幅值明显小于后者所得幅值,说明将分裂导线等效为一根导线的方法可能低估了覆冰分裂导线的舞动幅值,因而将分裂导线各子导线分别考虑,计及各子导线所受空气动力载荷的不同是必要的。此外,采用本论文提出的方法对新月型和扇型覆冰四分裂导线在不同初始攻角、风速和档距等参数条件下的舞动进行了模拟研究。结果表明,初始攻角的大小,对于是否发生舞动起着关键作用。在初始攻角一定的情况下,舞动的振动幅度随着风速的增大而增大,当风速达到一定值时,舞动幅度的增加趋于平缓。在其它参数不变的情况下,随着档距的增大,舞动的振动幅度也逐渐增大。本论文提出的覆冰分裂导线舞动数值模拟方法,为覆冰分裂导线舞动的深入研究提供了一种有效的途径,对防舞技术的研究提供了技术基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 我国输电线路舞动概况
• 1.1.1 发生情况
• 1.1.2 分布情况
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 舞动形成机理研究现状
• 1.2.2 数值模拟方法研究现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 2 覆冰导线舞动的基本原理
• 2.1 理论基础
• 2.1.1 覆冰导线空气动力特性及舞动概念
• 2.1.2 横向驰振机理
• 2.1.3 扭转驰振机理
• 2.1.4 二自由度系统驰振稳定性
• 2.1.5 其它理论与方法
• 2.2 舞动机理
• 2.2.1 动力学模型
• 2.2.2 集中参数系统的运动方程
• 2.2.3 舞动激发模式
• 2.3 本章小结
• 3 覆冰分裂导线舞动数值模拟方法
• 3.1 分裂导线结构特征
• 3.2 覆冰多分裂导线空气动力特性
• 3.3 覆冰双分裂导线舞动数值模拟方法
• 3.3.1 数学模型
• 3.3.2 运动方程及其求解
• 3.3.3 算例
• 3.4 覆冰三分裂导线舞动数值模拟方法
• 3.4.1 数学模型
• 3.4.2 运动方程及其求解
• 3.4.3 水平排列三分裂导线舞动模拟方法
• 3.4.4 算例
• 3.5 四分裂导线舞动数值模拟方法
• 3.5.1 数学模型
• 3.5.2 运动方程及其求解
• 3.5.3 算例
• 3.6 本章小结
• 4 覆冰四分裂导线舞动数值模拟研究
• 4.1 覆冰四分裂导线空气动力参数
• 4.1.1 空气参数风洞试验原理
• 4.1.2 新月型覆冰四分裂导线空气动力参数
• 4.1.3 扇型覆冰四分裂导线空气动力参数
• 4.2 新月型覆冰四分裂导线舞动数值模拟研究
• 4.2.1 与传统方法结果的比较
• 4.2.2 初始攻角的影响
• 4.2.3 风速的影响
• 4.2.4 档距的影响
• 4.3 扇型覆冰四分裂导线舞动数值模型研究
• 4.3.1 与传统方法结果的比较
• 4.3.2 初始攻角的影响
• 4.3.3 风速的影响
• 4.3.4 档距的影响
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 总结与结论
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录