輸電線路覆冰災(zāi)害防治

DynamicsModelandSimulationofIcedTransmission-line’s

GallopingandAnti-gallopingDevices

輸電線路在冰/風(fēng)災(zāi)害下的動力學(xué)模型、防災(zāi)機(jī)理

及其數(shù)值仿真

武漢大學(xué)：肖曉暉SchoolofMechanicalEngineering,WuhanUniversityOutline2314導(dǎo)線覆冰的成災(zāi)實(shí)例覆冰導(dǎo)線舞動的機(jī)理及動力學(xué)模型5防災(zāi)機(jī)理-防舞措施的優(yōu)化配置及評估研究基礎(chǔ)-成果及仿真軟件應(yīng)用實(shí)例1.覆冰及舞動成災(zāi)實(shí)例倒塔覆冰的不規(guī)則脫落錄像1錄像2故障類型故障原因故障后果絕緣子串冰閃事故絕緣子覆冰或被冰凌橋結(jié)后,絕緣下降,泄露距離縮短;融冰時,絕緣子表面的局部電阻不同形成閃烙事故,閃烙發(fā)展的過程中持續(xù)的電弧燒傷絕緣子,引起絕緣子的絕緣強(qiáng)度降低.導(dǎo)線舞動不均勻覆冰或冰、風(fēng)荷載的聯(lián)合作用使導(dǎo)線產(chǎn)生自激振蕩和低頻大幅度的舞動金具損壞、導(dǎo)線斷股、斷線、絕緣子損壞、電氣間隙減少造成相間閃絡(luò)、短路跳閘、桿塔傾斜或倒塌等不均勻覆脫冰事故相鄰檔的不均勻覆冰或線路不同期脫冰產(chǎn)生張力差金具損壞、導(dǎo)線和絕緣子損壞、導(dǎo)線舞動、桿塔破壞等1.覆冰及舞動成災(zāi)實(shí)例錦州,丹東,沈陽鞍山,遼陽四平邯鄲,邢臺塘沽荊門,宜昌,恩施,利川,石首常德蕪湖,淮南平?jīng)?、慶陽、天水安康建國以來的導(dǎo)線舞動概況云南貴州我國覆冰導(dǎo)線舞動發(fā)生的特點(diǎn)舞動在東北、西北、華中、華東、西南、京津塘等地區(qū)都曾經(jīng)出現(xiàn)；舞動多發(fā)生在冬季雨雪天氣，伴隨有大風(fēng)，且風(fēng)向與導(dǎo)線走向呈垂直趨勢；從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可看出，建國后至80年之前，導(dǎo)線舞動發(fā)生的次數(shù)只有80年代后至今的大約一半不到，這表明導(dǎo)線舞動發(fā)生的頻率在增加高壓輸電線路的增加氣候條件的變化結(jié)構(gòu)物風(fēng)致振動舞動馳振(Galloping)-Dancing微風(fēng)振動顫振(渦致振動)導(dǎo)線舞動：指風(fēng)對非圓截面導(dǎo)線所產(chǎn)生的一種低頻(約為0．1～3Hz)、大振幅的導(dǎo)線自激振動。是一種由流體誘發(fā)的隨機(jī)的結(jié)構(gòu)物非線性振動，是一種流-固耦合振動危害：舞動振幅可達(dá)導(dǎo)線直徑的5～300倍，峰峰值可達(dá)10多m，以致引起相問閃絡(luò)、斷路，支承線夾損壞甚至斷股斷線，是輸電線路的重大災(zāi)害之一2.覆冰舞動機(jī)理及動力學(xué)模型影響因素覆冰冰型、冰厚、攻角風(fēng)激勵風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)向和線路的交角導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)線的型號、綜合彈性系數(shù)、金具及金具在線路上的布置參數(shù)檔距、最大弧垂（或平均運(yùn)行張力）防舞裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其在線路上的安裝配置參數(shù)2.覆冰舞動機(jī)理及動力學(xué)模型2.覆冰舞動機(jī)理及動力學(xué)模型三自由度模型（集中質(zhì)量模型）：一個檔距內(nèi)的輸電導(dǎo)線分別從橫向振動與扭轉(zhuǎn)振動的角度簡化為集中于檔距中點(diǎn)的等效集中質(zhì)量（轉(zhuǎn)動慣量）模型。覆冰導(dǎo)線在風(fēng)激勵作用下，形成一個垂直、水平、扭轉(zhuǎn)振動三自由度力學(xué)系統(tǒng)TwotypesofgallopingVerticalgallopingmechanism-DenHartoggalloping If,Negativedamping-self-excitedvibration

Torsionalgallopingmechanism-O.NigelgallopingGallopingDynamicModel橫向(垂直向)激發(fā)模式扭轉(zhuǎn)激發(fā)模式偏心慣性耦合激發(fā)模式導(dǎo)線單元的升力對于攻角具有較大的負(fù)斜率，此時其所受的升力與振動方向相同，導(dǎo)線單元在運(yùn)動中吸收能量變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)，在一定條件下，任何微小的風(fēng)擾動都有可能引起大振幅的振動扭轉(zhuǎn)阻尼為負(fù)并且大于導(dǎo)線的固有扭轉(zhuǎn)阻尼時，若此時的扭轉(zhuǎn)頻率接近于垂直向的諧振舞動頻率，則純的扭轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性可能誘發(fā)垂直向的舞動。在偏心質(zhì)量位于背風(fēng)面，橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動可能分別穩(wěn)定，但由于偏心慣性作用會引起攻角變化，從而使相應(yīng)的升力對橫向振動形成正反饋，加劇橫向振動，并逐漸積聚能量，最后形成大幅度的舞動。2.覆冰舞動機(jī)理及動力學(xué)模型(Denhartog舞動)(Nigol舞動)

DenHartog與Nigol模式只是兩種不同的激發(fā)模式，在不同的條件下出現(xiàn)：當(dāng)ｙ向自激條件首先達(dá)到，便出現(xiàn)DenHartog舞動；反之，如扭振自激條件先達(dá)到，便可能出現(xiàn)Nigol舞動一條具體線路究竟出現(xiàn)哪一種舞動模式取決于系統(tǒng)固有特性參數(shù)及冰、風(fēng)條件。不僅不同線路可能產(chǎn)生不同的舞動，而且同一線路也可能在今年出現(xiàn)這種舞動模式，而明年出現(xiàn)另一種舞動模式3.防災(zāi)技術(shù)的研究Anti-Galloping設(shè)計(jì)階段線路走向提高線路抗覆冰災(zāi)害的能力融冰各類防舞裝置-防舞器第一類（有關(guān)空氣動力學(xué)方面的措施）：在導(dǎo)線上懸掛具有一定外形的裝置，使之能在橫向風(fēng)時消除空氣動力的不穩(wěn)定。第二類：外加重物在導(dǎo)線上，以避免原系統(tǒng)內(nèi)部的共振。這種效應(yīng)對穩(wěn)定的振動系統(tǒng)可以帶來顯著的影響，但不可能完全適應(yīng)各種不同的架空線路在不同的氣候條件第三類：人為地提高系統(tǒng)的阻尼能力，使振動導(dǎo)線能夠吸收更多的由風(fēng)力引起的機(jī)械能防舞器應(yīng)兼有失諧、荷重功能，具有吸收能量的特性。當(dāng)?shù)谝粋€振動開始時，線路上能量較小，并能被小而輕的措施吸收，但當(dāng)舞動已經(jīng)在導(dǎo)線上正式形成，情況則完全不同。所以，不論采用何種防舞器，何種布置方案，都應(yīng)該具有大量吸收能量的特性，使導(dǎo)線消耗的能量大于其獲取的能量，同時使垂直振動頻率和扭轉(zhuǎn)振動頻率較難耦合，起到抑制舞動的作用3.防災(zāi)技術(shù)的研究常用防舞器3.防災(zāi)技術(shù)的研究間隔棒失諧擺間隔棒CurrentAnti-GallopingApproachesInter-phasespacerPreventflashoverReducegallopingmotionsCurrentAnti-GallopingApproachesAirflowspoilerDisrupttheuniformityoficeformation&cross-section ModifytheaerodynamicsloadsalongthelinewithalternatingprofilesCurrentAnti-GallopingApproachesDetuningPendulumSeparatethetorsionaloscillationfrequencyfromtheverticalnaturalfrequencyDetuningpendulumsinstalledonatriplebundleconductorTwinbundleconductor

Singleconductor

CurrentAnti-GallopingApproachesTorsionaldevicesCurrentAnti-GallopingApproachesTorsionaldamperandDetunerProposalofAdaptiveDevicesActivationTime-varyingconditionsWindspeedanddirectionIcingthicknessandshape cross-sectionoficed-conductorMassandstiffnessOscillationfrequencyLimitationsofcurrentapproachesNocontrolmethodcanguaranteeitseffectivenessunderallconditions.Attackangle

AdaptiveDevices在武漢大學(xué)(原武漢水利電力大學(xué))在架空高壓輸電線舞動的機(jī)理分析、仿真模擬以及防治方面進(jìn)行了長期具體的理論與實(shí)踐研究，完成多項(xiàng)重大課題的研究成果先后六次獲國家、省部級科技進(jìn)步獎1995年，獲電力工業(yè)部科技進(jìn)步一等獎1997年，獲國家科技進(jìn)步一等獎2002年，獲中國電力科學(xué)技術(shù)三等獎2002年，獲安徽省科學(xué)技術(shù)三等獎2006年，獲河南省電力公司科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎2006年，獲湖北省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)–已有成果課題研究組具有優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)室和試驗(yàn)設(shè)備，雄厚的科研實(shí)力和合理的人員梯隊(duì)，課題組有教授3人，副教授3人，博士5人國內(nèi)第一本舞動專著，國際國內(nèi)期刊郭應(yīng)龍著，輸電導(dǎo)線舞動，武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1998郭應(yīng)龍，李國興，尤傳永著輸電導(dǎo)線舞動，北京：中國電力出版社，2003XiaohuiXiao（肖曉暉）etal.SimulationofAnti-GallopingDevicesforPowerTransmissionLine[C],inProc.ofthe4thIEEEConf.onAut.Sci.andEng.,WashingDC,USA,Aug,2008XiaohuiXiao（肖曉暉）etal.DynamicsSimulationandExperimentalstudyofInspectionRobotforHigh-voltageTransmission-line[J].JournalofCenterSouthUniversityofTechnology,Vol.12,No.6,Dec.2005,p:726-731肖曉暉等，輸電導(dǎo)線舞動的計(jì)算機(jī)仿真，水利電力機(jī)械，1998年第2期肖曉暉，郭應(yīng)龍，壓重防舞器配置方案有效性的仿真計(jì)算，電力建設(shè)，1998年第6期郭應(yīng)龍，肖曉暉，輸電導(dǎo)線舞動的計(jì)算機(jī)仿真，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)，2002年第1期郭應(yīng)龍，擾流器防舞機(jī)理的理論研究，武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1996第1期郭應(yīng)龍，輸電導(dǎo)線舞動研究，武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1995第5期郭應(yīng)龍，惲俐麗等，三分裂輸電導(dǎo)線舞動的有限元分析與計(jì)算，水利電力機(jī)械，1996年第4期4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)–已有成果用戶界面模塊建模模塊選擇分析類型確定阻尼系數(shù)確定剛度系數(shù)總步數(shù)、步長對應(yīng)不同攻角的升力與扭矩的施加

……結(jié)果的保存繪制舞動軌跡頻域特性分析相間絕緣性分析……導(dǎo)線的類型檔距與高差風(fēng)速覆冰厚度與類型防舞裝置的選擇布置方案的確定布置位置防舞裝置的物理參數(shù)……選擇單元類型不同材質(zhì)的密度楊氏模量懸鏈狀導(dǎo)線建模覆冰建模添加不同防舞裝置……求解模塊后處理模塊4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件仿真模型導(dǎo)線：采用有限元法，建立懸鏈線結(jié)構(gòu)的柔性體模型桿塔：采用有限元法，建立桿塔模型覆冰：根據(jù)覆冰形狀、質(zhì)量和質(zhì)心位置，建立集中質(zhì)量模型空氣動力學(xué)參數(shù)積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫Fluent仿真得到三個空氣動力系數(shù)邊界條件與載荷運(yùn)行APDL語言提高分析效率基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的后處理系統(tǒng)4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件在建立導(dǎo)線模型時，各相導(dǎo)線初始位置相對固定，每根導(dǎo)線分別在一個單獨(dú)的平面建立模型；對單相導(dǎo)線，根據(jù)懸鏈線法計(jì)算導(dǎo)線上各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)其中，x——架空線任意點(diǎn)P至架空線最低點(diǎn)的水平距離，m；y——架空線任意點(diǎn)P對其最低點(diǎn)的高度，m；H——架空線最低點(diǎn)的水平張力，N；σ——架空線的水平應(yīng)力，N/mm2；ω——架空線單位長度的自重力，N/m；

g——架空線的自重比載，MPa/m；

S——架空線的截面積，mm2。4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件（1）導(dǎo)線和桿塔模型4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件根據(jù)計(jì)算出來的坐標(biāo)值建立節(jié)點(diǎn)，連接各節(jié)點(diǎn)得導(dǎo)線單元導(dǎo)線在實(shí)際運(yùn)行中，力學(xué)特性與柔索類似；考慮扭轉(zhuǎn)剛度ANSYS中的Beam188單元4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件桿塔選用三維梁單元4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件（2）覆冰模型4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件用覆冰質(zhì)心處的質(zhì)量單元模擬mass21單元新月形覆冰形狀:陰影部分所示為新月形覆冰的截面積將覆冰質(zhì)量單元與對應(yīng)的導(dǎo)線單元進(jìn)行完全剛性連接，即將二者的自由度完全耦合起來4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件（3）邊界條件與載荷4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件邊界條件導(dǎo)線兩端的懸掛點(diǎn)與桿塔耦合載荷重力風(fēng)載荷：與攻角、空氣動力系數(shù)、運(yùn)動引起的攻角變化等有關(guān)4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件空氣動力系數(shù)需要大量的實(shí)驗(yàn)研究，在目前國內(nèi)外的研究中，為得到空氣動力系數(shù)而進(jìn)行的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)由于工作量大、難度大，很少有人進(jìn)行全面的研究。在研究中，采用郭應(yīng)龍老師《輸電線路舞動》一書中風(fēng)洞系數(shù)，根據(jù)其數(shù)據(jù)擬合出升力系數(shù)曲線、阻力系數(shù)曲線、扭轉(zhuǎn)系數(shù)曲線如下圖。4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件風(fēng)載荷：覆冰導(dǎo)線受到升力FL、阻力FD和扭矩：其中：ρ——?dú)饬髅芏?，kg/m3；

D——導(dǎo)線圓截面直徑，m；

CL、CD、CM——升力、阻力、扭矩系數(shù)。4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行后處理復(fù)雜的舞動模型以及大量通過計(jì)算機(jī)程序得到的結(jié)果不容易理解，而通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可把結(jié)果轉(zhuǎn)換為三維圖像；通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬舞動情況以及檢測防舞裝置的有效性，可降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和實(shí)驗(yàn)周期

建立虛擬現(xiàn)實(shí)場景：從仿真軟件讀取輸電導(dǎo)線各節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，映射到虛擬現(xiàn)實(shí)場景中虛擬場景：結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)建模語言VRML(VirtualRealityModelingLanguage)和3DSMAX人機(jī)交互功能：采用Java語言作為虛擬現(xiàn)實(shí)的控制語言，實(shí)現(xiàn)4.現(xiàn)有研究基礎(chǔ)

-計(jì)算機(jī)仿真分析軟件5.應(yīng)用實(shí)例-

仿真實(shí)例垂向舞動峰峰值達(dá)到了5.2m，頻率為0.15HZ；水平方向峰峰值達(dá)到2.9m，頻率0.3HZ；扭轉(zhuǎn)頻率與垂直水平運(yùn)動差別更大，頻率為3.7HZ5.應(yīng)用實(shí)例-

仿真實(shí)例防舞措施：同時考慮1、2階波形，