大跨越输电线路导线舞动研究

论文摘要

根据我国“西电东送、南北互供、全国联网”的电力能源战略部署,一大批大跨越特高压、超高压输电线路相继在中西部开工建设。这些地区往往海拔高、自然条件严酷。输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载,而且还要承受风、雨、雪产生的动荷载。尤其是当输电导线覆冰后,受到稳态横向风作用时,可能会诱发导线产生低频、大幅度的自激振动,即舞动。输电线的舞动不仅会导致输电线的闪络、短路等电气事故,还有可能使杆塔倒塌,造成巨大的经济损失。为解决上述问题,论文采用风洞试验、数值分析等手段,进行大跨越输电线路导线结冰风洞试验、气动力特性试验,计算了导线静力响应,对大跨越输电线路导线舞动进行了研究。主要内容如下:①进行了导线结冰风洞试验及气动力特性试验。分析了单导线的覆冰量随时间的变化规律,温度、风速对覆冰量的影响以及导线的结冰形状。结果表明,导线覆冰量与Doree Jacques的恒覆冰率模型吻合较好;温度和风速对导线覆冰量影响较大;试验中,导线的结冰形状有:新月形和扇形。在导线结冰试验的基础上对单导线和分裂导线结冰前后的气动力特性进行了分析研究。分裂导线阻力系数随着分裂导线间距的增加而增加;单导线、八分裂导线在不覆冰和覆冰情况下的三分力系数区别较大;不同冰形的八分裂覆冰导线的三分力系数变化规律不同。②分析了导线结构的静力响应。根据弹性悬链线的理论解析解推导出适用于导线结构有限元分析的空间悬链线单元,得到了两节点索单元的切线刚度矩阵和索端张力的精确表达式。采用索单元等效节点荷载的全量算法,通过Newton-Rapson迭代实现非线性问题的求解。所提出的基于空间悬链线单元的半解析非线性有限元分析方法可充分考虑几何非线性的影响,实现对任意方向空间荷载下导线的初始位形和内力分析。计算结果表明,该计算方法较精确。③建立了覆冰导线的动力学计算模型并进行了舞动分析。推导了三节点覆冰导线单元的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、荷载矩阵。推导绝缘子单元刚度矩阵,分析分裂导线刚度及导线档距两端的边界约束。对导线动力特性的线性理论进行了探讨,给出算例,将其计算结果与文献对比,表明动力学模型可靠。采用Newmark-β法进行导线舞动非线性体系运动平衡方程求解。用MATLAB编制计算程序,进行计算,计算结果与文献对比,表明计算结果有效。通过算例分析风速、导线分裂对导线舞动的影响。基于风洞试验数据,对汉江大跨越输电导线的舞动进行了计算。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 输电线路导线覆冰和气动力特性试验
• 1.2.2 输电导线静动力问题分析
• 1.2.3 输电导线舞动机理
• 1.3 大跨越输电导线舞动研究现存问题
• 1.4 主要研究内容
• 2 导线结冰风洞试验及气动力特性试验
• 2.1 导线结冰风洞试验研究
• 2.1.1 试验方法
• 2.1.2 两种覆冰增长率模型
• 2.1.3 单导线的结冰试验
• 2.1.4 分裂导线的结冰试验
• 2.2 导线气动力特性试验
• 2.2.1 试验方法
• 2.2.2 不覆冰导线气动力特性
• 2.2.3 覆冰导线气动力特性
• 2.3 本章小结
• 3 导线结构静力计算
• 3.1 平面弹性悬链线
• 3.2 空间悬链线单元
• 3.2.1 弹性悬链线的解析解
• 3.2.2 均布荷载作用下空间悬链线的解析解
• 3.2.3 坐标转换矩阵和等效节点力
• 3.3 导线结构的静力非线性分析
• 3.4 导线初始张力和原长计算
• 3.5 悬链线导线单元的静力非线性算例
• 3.5.1 算例1—与文献的计算结果进行比较
• 3.5.2 算例2—与ANSYS 的计算结果进行比较
• 3.6 本章小结
• 4 覆冰导线的动力学问题
• 4.1 空间三节点覆冰导线单元
• 4.1.1 导线空间模型
• 4.1.2 刚度矩阵分析
• 4.1.3 分裂导线的扭转刚度
• 4.1.4 单元质量矩阵
• 4.1.5 结构阻尼矩阵
• 4.1.6 荷载向量
• 4.2 边界条件分析
• 4.2.1 绝缘子刚度分析
• 4.2.2 绝缘子刚度矩阵
• 4.2.3 远跨导线的影响分析
• 4.2.4 边界弹簧刚度
• 4.3 导线固有频率的算例
• 4.4 非线性体系运动平衡方程的求解
• 4.5 导线的舞动分析算例
• 4.5.1 与文献的计算结果进行比较
• 4.5.2 导线在不同风速下的舞动分析
• 4.5.3 导线分裂对舞动的影响
• 4.5.4 汉江大跨越输电线路分裂导线舞动分析
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录