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《华中科技大学》 2011年
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分裂导线的微风振动与次档距振荡研究

陈元坤  
【摘要】:随着我国电力输送容量的迅速增长,选择多分裂、大容量、远距离的输电线路已成为必然。而微风振动与次档距振荡对电力会具和导线的安全运行有着极大的威胁,且两种振动危害的发生频率在我国又非常高。作为重要生命线工程,输电系统的破坏会引起巨大的社会经济损失和其它次生灾害。但是目前工程界对分裂导线的设计主要采用的是依赖经验的折减系数法,该方法在我国尚缺乏理论研究的技术支撑,因此急需在此领域进行深入的理论与试验研究以确保大容量输电线路安全运行。 本文利用计算流体动力学(CFD)对分裂导线绕流的数值仿真,研究分裂导线的微风振动特性、分裂导线的风能输入功率以及分裂导线平均气动力特性;通过对能量平衡法改进研究,提高分裂导线微风振动的计算分析的精度;通过对导线振动试验研究,弄清间隔棒、防振锤等金具的消能减振特性;利用分裂导线平均气动特性的仿真结果,结合稳定性理论、非线性振动理论以及非线性有限元法,研究次档距振荡的机理与计算方法。具体研究内容如下: (1)首先利用计算流体动力学对固定单导线与分裂导线的绕流现象进行了数值仿真,验证了计算模型与求解模式的可靠性,并考虑了三维效应的影响。其次利用动网格技术研究了单导线与分裂导线的微风振动特性,分析了两者的异同点。再次在验证了单导线风能输入功率有效的基础上,通过对分裂导线中振动子导线绕流的数值模拟,得到了分裂导线中各子导线的风能输入功率Pw,并研究了子导线间的水平间距L、分裂导线倾角β以及湍流强度Iw等因素对Pw的影响。最后拟合得到了风能输入功率Pw的解析表达式,为分裂导线的微风振动响应的求解提供基础。 (2)依据IEEE微风振动试验标准,分别进行了单导线的振动试验与分裂导线的微风振动试验。通过单导线微风振动试验研究了导线的自阻尼特性与防振锤的耗能特性。通过双分裂导线、四分裂导线微风振动试验研究了分裂导线的振动特性,以及防振锤、阻尼线、间隔棒等防振会具对分裂导线的消振性能。 (3)利用传递矩阵法计算得到了分裂导线的振动频率与振型,并结合导线自阻尼功率、防振锤耗能功率计算方法以及数值仿真得到的多分裂导线风能输入功率,建立了精细计算分裂导线微风振动的改进能量平衡法。 (4)通过对分裂导线的CFD数值仿真获得了分裂导线的平均气动力系数曲线。基于准定常理论,分别建立了分裂导线次档距振荡的二自由度与四自由度的振子模型,对两种振子模型进行了稳定性分析,得到了次档距振荡发生的临界条件,分析了临界条件的各种影响因素。利用数值求解与平均法对两种振子模型的振动方程进行求解,得到了导线次档距振动响应,并两种振子模型的计算结果进行了比较,讨论了上游子导线振动自由度对次档距振荡的影响。 (5)建立了次档距振荡仿真分析的有限元模型,运用Newton-Raphson迭代法确定其动力分析的初始静力构形。根据分裂导线平均气动力系数曲线建立了分裂导线的气动力模型,利用Runge-Kutta显示积分法对动力方程的求解实现了对分裂导线次档距振荡的有限元仿真分析。最后计算研究了分裂导线倾角、间隔棒布置、风速等因素对次档距振荡响应的影响。 分裂导线的微风振动与次档距振荡研究的既有其重要的理论意义,又有其重要的经济价值。本文的研究能为分裂导线两种振动的防振设计提供有效的理论依据与合理的建议,为以后更深入研究提供基础。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM751

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