覆冰輸電線路塔線風(fēng)致振動模型試驗研究

覆冰輸電線路塔線風(fēng)致振動模型試驗研究

0塔-線體系風(fēng)氣動彈性模型的建立由于寒冷和降雨的氣候條件，塔的覆蓋線在凍雨條件下的破壞一直是一種特殊而重要的現(xiàn)象，這對世界上許多安全電氣線和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。自1932年在美國首次出現(xiàn)有記錄的覆冰輸電塔–線破壞以來,加拿大、俄羅斯、法國、冰島和日本都發(fā)生過嚴(yán)重的輸電線路冰災(zāi)事故。中國受大氣候和微地形的影響,冰災(zāi)事故也頻繁發(fā)生,尤其是發(fā)生在2008年1月的大范圍冰災(zāi)事故,嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對覆冰導(dǎo)線進(jìn)行了不少研究。模型試驗方面:顧明等人通過節(jié)段模型高頻測力風(fēng)洞試驗,計算了準(zhǔn)橢圓形和扇形2種代表性覆冰導(dǎo)線氣動力系數(shù);趙桂峰和謝強(qiáng)等設(shè)計制作了單桿輸電塔、無附加橫隔的塔-線體系及有附加橫隔的塔-線體系的氣彈模型,進(jìn)行了多個風(fēng)向角、多級風(fēng)速下的單塔和塔-線體系在紊流風(fēng)場中的完全氣彈模型風(fēng)洞試驗。在數(shù)值模擬方面:陸佳政等對輸電塔線體系結(jié)構(gòu)覆冰荷載進(jìn)行有限元計算,得到了鐵塔的不平衡張力,指出了檔距差和高差角過大是產(chǎn)生不平衡張力的主要原因,而不平衡張力致使鐵塔失穩(wěn);加拿大的Jakse對斯洛文尼亞110kV線路的脫冰跳躍效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分別建立了單跨和3跨雙回路輸電線路有限元模型;G.McClure通過建立多跨塔線系統(tǒng)二維有限元模型,分析了脫冰和斷線工況下輸電鐵塔和導(dǎo)線的動力響應(yīng),并在對暴風(fēng)雪下斷線的輸電線路現(xiàn)場實測中得到了驗證。從上述的主要研究來看,在塔線體系的風(fēng)洞試驗中尚未考慮覆冰工況,覆冰塔線耦聯(lián)體系也只是限于數(shù)值模擬和分析。由于覆冰會改變導(dǎo)線的自振特性和在風(fēng)作用下的振動形式,繼而會通過絕緣子影響輸電塔結(jié)構(gòu)的固有頻率和風(fēng)振響應(yīng),產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合作用,所以需要對塔線體系進(jìn)行整體分析和研究;同時在國內(nèi)外的輸電線路設(shè)計規(guī)范中,對覆冰工況有著更嚴(yán)格的規(guī)定,如對于直徑30mm、最大設(shè)計風(fēng)速為30m/s的輸電導(dǎo)線來說,假設(shè)該線路位于重冰區(qū),在中國《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中,取覆冰厚度30mm、設(shè)計風(fēng)速15m/s為覆冰工況,重覆冰導(dǎo)線的單位長度水平風(fēng)荷載將達(dá)到最大風(fēng)速設(shè)計工況水平風(fēng)荷載的3/4。由此可見,在覆冰工況下,輸電線路的風(fēng)振響應(yīng),尤其是輸電導(dǎo)線的自振特性和動張力變化對于輸電線路的安全設(shè)計尤為重要。本文以在建的1000kV特高壓雙回路八分裂輸電線路為背景,設(shè)計制作了覆冰輸電塔線的氣動彈性模型,在同濟(jì)大學(xué)TJ-3進(jìn)行了風(fēng)洞試驗。試驗研究了特高壓輸電塔與八分裂導(dǎo)線、地線、絕緣子覆冰后的風(fēng)致響應(yīng),比較了不覆冰和覆冰輸電塔線體系在風(fēng)作用下的響應(yīng)和風(fēng)致振動的特點;同時,試驗中采用了光纖布拉格光柵(fiberBragggrating,FBG)測得了覆冰導(dǎo)線和輸電塔在風(fēng)作用下的動應(yīng)變,分析了覆冰導(dǎo)線不同位置動應(yīng)變的變化情況,并探討了不同風(fēng)速和風(fēng)攻角對覆冰輸電導(dǎo)線和輸電塔結(jié)構(gòu)應(yīng)變的影響。1風(fēng)洞測試介紹1.1覆冰導(dǎo)線模型分析本次風(fēng)洞試驗輸電塔模型的原型為皖電東送淮南–上海輸變電工程送電線路中采用的直線自立塔,塔高為103.6m,呼高為57m。線路的水平檔距為510m,垂直檔距為720m。導(dǎo)線為雙回單相八分裂的架設(shè)方式。該塔的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為離地10m高處、100年一遇、10min平均最大風(fēng)速為27m/s;設(shè)計覆冰為10mm。此次試驗在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ-3風(fēng)洞進(jìn)行。該試驗室的尺寸為14m×15m×2m,鑒于場地大小的限制,此次風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票热缦?輸電塔氣動彈性模型的為1:60,按照Davenport等考慮試驗場地條件限制提出的導(dǎo)地線模型設(shè)計方法,將修正系數(shù)設(shè)為0.5,可得導(dǎo)、地線的幾何相似比為1:120。試驗風(fēng)速和實際風(fēng)速比為1:3,具體的模型設(shè)計相似參數(shù)如表1所示。八分裂導(dǎo)線采用LGJ-630/45的型號,根據(jù)覆冰工況的設(shè)計要求,10mm覆冰導(dǎo)線的直徑為53.6mm,質(zhì)量為3.29kg/m。試驗中為滿足導(dǎo)線抗拉強(qiáng)度相似的要求,采用直徑0.1mm的不銹鋼絲模擬導(dǎo)線的抗拉剛度,同時在不銹鋼絲外加直徑為1.8mm、壁厚為0.2mm的塑料套管模擬覆冰導(dǎo)線的氣動外形和質(zhì)量,模型導(dǎo)線的質(zhì)量為1.83g/m。為測試模擬導(dǎo)線的動應(yīng)變,將光柵傳感器與導(dǎo)線緊密粘結(jié),以保證數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性,覆冰導(dǎo)線的模擬和傳感器布置如圖1所示。實際工程中絕緣子原型為300kN合成絕緣子,本次試驗采用直徑為7mm的丙烯腈–丁二烯–苯乙烯共聚(acrylonitrilebutadienestyrene,ABS)塑料管模擬絕緣子的直徑和質(zhì)量。結(jié)構(gòu)體系中,絕緣子串的主要作用是連接導(dǎo)線與輸電塔,將導(dǎo)線的作用力傳遞到輸電塔上,因此,試驗中絕緣子串的模擬不考慮其剛度,將絕緣子串看作剛性桿,兩端鉸接。按照幾何縮尺比模擬絕緣子串的形狀和質(zhì)量。為了模擬邊界條件,試驗中采用五塔四線模型。位于兩端邊界的塔根據(jù)原線路中的塔設(shè)計出其等代模型塔來模擬,在設(shè)計時保證等代塔的前兩階頻率和振型與原型塔基本一致。表2給出了有限元軟件ABAQUS對原型塔和模型塔各階頻率分析的結(jié)果比較,從前三階振型對應(yīng)的頻率來看,模型還是較好地符合原型塔的結(jié)構(gòu)特性,試驗的設(shè)計是比較合理的。1.2風(fēng)洞試驗?zāi)M同濟(jì)大學(xué)TJ-3邊界層低速風(fēng)洞的風(fēng)速控制范圍為1.0~17.6m/s,連續(xù)可調(diào)。風(fēng)洞試驗中采用安裝尖劈、格柵和多排粗糙元,模擬了1:60比例良態(tài)氣候B類地貌風(fēng)場。覆冰五塔四線風(fēng)洞試驗實景和B類風(fēng)場模擬如圖2所示。圖3為紊流度剖面曲線,試驗中測得風(fēng)場的紊流度為0.17,符合規(guī)范的要求。2模型響應(yīng)測試結(jié)果及分析2.1阻尼比尼比變化用自由振動法進(jìn)行激振,用動態(tài)信號分析儀識別輸電塔結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比。表3給出了實測得到的輸電塔模型結(jié)構(gòu)自振特性。覆冰塔線在垂直線路方向的一階頻率為16.5Hz,在順線路方向為16Hz,相比不覆冰塔線,一階頻率分別降低了10.8%和11.1%。從識別的阻尼比來看,覆冰塔線較不覆冰的時候增大不少。在垂直線路方向,覆冰塔線的阻尼比為8.4%,同比增大了37.7%,在順線路方向,覆冰塔線的阻尼比尼比為4.7%,比不覆冰塔線的阻尼比增大了38.2%。在不考慮體系氣動阻尼的情況下,輸電塔線體系的阻尼由結(jié)構(gòu)阻尼、懸掛導(dǎo)線所產(chǎn)生的等效懸掛質(zhì)量擺阻尼以及導(dǎo)線振動所產(chǎn)生的非線性滯回阻尼3部分組成。結(jié)構(gòu)阻尼在整個體系阻尼中比例較小,一般認(rèn)為是不變的。懸掛質(zhì)量擺所產(chǎn)生的等效阻尼和導(dǎo)線非線性滯回阻尼與所懸掛導(dǎo)線的質(zhì)量有直接關(guān)系。覆冰以后,導(dǎo)線的質(zhì)量明顯增大,從而直接導(dǎo)致這兩項阻尼增大。與不覆冰塔線體系相比,覆冰塔線體系阻尼增大較為明顯。輸電塔線耦聯(lián)體系覆冰后,其垂直線路方向和順線路方向的一階頻率均有所下降,阻尼比增加明顯。說明覆冰不僅改變了輸電塔線耦聯(lián)體系的自振頻率,還影響了輸電塔結(jié)構(gòu)能量衰減趨勢的快慢。2.2覆冰塔線不同風(fēng)攻角對動應(yīng)變的影響試驗時量測系統(tǒng)采用微型高靈敏度壓電陶瓷加速度傳感器、激光位移計和光纖布拉格光柵,分別測試加速度、位移和應(yīng)變。塔線體系模型中共布置了40個測點,其中加速度測點6個、位移測點6個、動應(yīng)變測點28個。在氣彈模型風(fēng)洞試驗中首次運(yùn)用光纖布拉格光柵測得了覆冰導(dǎo)線和輸電塔在風(fēng)荷載作用下的動應(yīng)變。圖4給出了覆冰塔線塔頭頂部垂直線路方向和順線路方向加速度分別在紊流場和均勻流場各自響應(yīng)的比較。紊流場下垂直線路和順線路方向的加速度分別為均勻流場下的2.23倍和1.88倍。覆冰塔線耦聯(lián)體系在紊流場下的響應(yīng)明顯大于均勻流場下的響應(yīng),在覆冰工況的桿塔設(shè)計時,仍需合理科學(xué)地考慮脈動風(fēng)對覆冰塔線耦聯(lián)體系的作用。圖5給出了紊流場90°風(fēng)攻角下塔頭頂部垂直線路和順線路方向的加速度和位移響應(yīng)。覆冰塔線加速度響應(yīng)的峰值和均方根均略小于無覆冰塔線的響應(yīng)。從圖5(c)和圖5(d)來看,覆冰塔線塔頭無論在順線路還是垂直線路方向的位移響應(yīng)都大于不覆冰塔線,說明覆冰導(dǎo)線不僅使得自重增加,而且導(dǎo)線覆冰引起的迎風(fēng)面積的增加會使得塔線耦聯(lián)體系在風(fēng)荷載作用下發(fā)生更大的位移。圖6為無覆冰塔線和覆冰塔線在紊流場風(fēng)速為4m/s、風(fēng)攻角為90°的情況下的動應(yīng)變響應(yīng)。3S1和3S3分別為單跨導(dǎo)線左端部和跨中的動應(yīng)變響應(yīng)。導(dǎo)線覆冰后跨中應(yīng)變增幅減小,而端部應(yīng)變增幅明顯增大。值得注意的是,導(dǎo)線端部的應(yīng)變明顯增大,最大增幅達(dá)到了1.93倍,遠(yuǎn)大于由導(dǎo)線自重增大而引起的應(yīng)變增加,再次說明了覆冰不僅使導(dǎo)線自身重量增加,導(dǎo)線的迎風(fēng)面積增大還會引起導(dǎo)線端部張力的增大,2種荷載作用的相互疊加對輸電塔結(jié)構(gòu)覆冰情況下的抗風(fēng)十分不利。風(fēng)攻角對于覆冰塔線的影響也不容小視。圖7(a)和(b)為無覆冰塔線和覆冰塔線紊流場分別在90°風(fēng)攻角和60°風(fēng)攻角情況下塔腿動應(yīng)變響應(yīng)。在90°風(fēng)攻角情況下,覆冰塔線受壓側(cè)塔腿的應(yīng)變增速平緩;但在60°風(fēng)攻角且風(fēng)速較大情況下,受壓側(cè)塔腿應(yīng)變陡然增加,增幅達(dá)到2.1倍之多。對于設(shè)計人員來說,可考慮60°風(fēng)攻角覆冰組合工況對輸電塔線體系的影響。圖8分別給出了紊流場4m/s風(fēng)速情況下導(dǎo)線左端部和跨中處動應(yīng)變響應(yīng)的功率譜。由圖8可以看出,在導(dǎo)線端部,覆冰導(dǎo)線的頻譜豐富且含有較高的能量,相反,在跨中,覆冰導(dǎo)線動應(yīng)變功率譜能量明顯小于不覆冰時候,由此可知,導(dǎo)線覆冰后需關(guān)注導(dǎo)線端部處應(yīng)變的增加以及能量的變化和轉(zhuǎn)移。圖9給出了覆冰塔線紊流場風(fēng)速為4m/s、風(fēng)攻角為90°的情況下沿單跨覆冰導(dǎo)線不同位置動應(yīng)變功率譜。S6—S10依次為單跨導(dǎo)線從左到右的四等分點,其中S6、S10為導(dǎo)線兩端部,S8為導(dǎo)線跨中。從圖9可以看出:雖然在同根覆冰導(dǎo)線不同部位動應(yīng)變頻譜能量分布趨勢大致相同,但是跨中處導(dǎo)線的自振特性有別于其他部位,更多地表現(xiàn)出導(dǎo)線自身的特性,而其他部位尤其是導(dǎo)線端部,由于通過絕緣子連接到輸電塔結(jié)構(gòu),使得導(dǎo)線端部處的應(yīng)變表現(xiàn)出較豐富的頻譜特性。3覆冰塔線工況的影響本文通過風(fēng)洞試驗,對覆冰輸電塔線耦聯(lián)體系和覆冰輸電導(dǎo)線的自振特性及風(fēng)致振動特點進(jìn)行了研究,主要得出以下結(jié)論:1)輸電塔耦聯(lián)體系覆冰后