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输电线路覆冰导线舞动及其对塔线体系力学特性影响的研究

王少华  
【摘要】: 覆冰导线舞动对输电线路安全运行造成了严重危害,国内外学者对覆冰导线舞动机理及防护已进行了大量的研究工作。但是目前对舞动机理的研究多采用传统方法,对目标模型进行简化处理。本文在国内外研究成果基础上,全面考虑影响导线舞动的因素,就其发生机理以及对塔线体系影响进行研究。本文的研究有助于更深入地认识覆冰导线舞动机理及其对输电线路力学特性的影响,对“西电东送、南北互供、全国联网”和超、特高压输电线路的建设和运行具有一定的参考意义。 本文首先应用“悬链曲线”理论和“抛物线”理论分别对架空输电线路导线的静力特性进行分析,在此基础上研究了均匀覆冰条件下,风、气温等气象条件对导线静力特性的影响。在“悬链曲线”方法基础上,采用VC++6.0编制了“架空输电线静力特性分析软件”。根据湖北中山口大跨越的实际参数,计算了不同气象条件下其导线张力大小,并分析了气温、覆冰厚度、风速对导线张力的影响。结果表明,冰冻环境下,导线张力和形状的变化大小主要取决于覆冰的变化。 根据不均匀覆冰特性,研究了耐张段内不均匀覆冰与不同期脱冰条件下杆塔的不平衡张力。对于各档不均匀覆冰输电线路,当重冰档在耐张段两端时,靠近耐张杆塔的直线杆塔承受的不平衡张力最大;对于各档不同期脱冰线路,当轻冰档位于耐张段中央时,轻冰档的弧垂减小量最大。因此,对于新建的塔线需根据其气象条件对铁塔关键部位进行加固处理。 基于流体力学理论,提出了典型覆冰导线——新月形覆冰导线气动特性分析模型的建立方法以及数值模拟方法,并利用该模型与方法计算了覆冰导线周围的空气流场,以及不同覆冰厚度的导线在不同迎风攻角下的升力系数、阻力系数及扭矩系数,得到了覆冰厚度、风速对不对称覆冰导线空气动力参数的影响规律。本方法计算得到的影响规律与现有文献中的影响规律基本一致,验证了本文方法的正确性。从而实现了流体计算代替风洞试验获取覆冰导线的空气动力参数的方法,避免了大量的试验工作,节省了人力和物力。 针对传统的单自由度模型忽略扭转方向和水平方向振动、不能获取导线舞动的时程曲线与轨迹的不足,建立了考虑覆冰导线垂直、水平及扭转方向的耦合振动条件下的覆冰导线舞动的三自由度力学分析模型。采用解析法与Simulink仿真相结合的方法对三自由度模型控制方程进行求解,该方法不仅解决了三自由度控制方程的求解问题,还能够直接得到导线舞动轨迹与时程曲线。以湖北中山口大跨越姚双线为例,分析其舞动时程曲线及舞动轨迹。结果表明,当舞动达稳定状态时,垂直方向和水平方向振动波形近似为简谐波。横向振动和扭转振动的频率相一致。从舞动轨迹可以看出,舞动以垂直运动为主,水平方向的振幅较小,舞动轨迹近似斜椭圆。 在目前导线张力计算方法基础上,推导了在一个舞动周期内导线水平张力变化量与竖向张力变化量最大值的计算公式,并分析了两个方向的张力变化量最大值与舞动参数及导线参数之间的关系。采用该公式可以估算出舞动发生时导线的水平、垂直方向的最大张力值,为输电塔架等支撑结构的安全设计提供估算方法。从振动平衡方程出发,推导了以振动位移为约束、频率为随机变量的铁塔振动问题的安全边界方程,进而提出了铁塔振动的可靠性设计方法。


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