風(fēng)作用下塔線耦聯(lián)體系導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變?cè)囼?yàn)研究

0風(fēng)荷載作用下風(fēng)致作用機(jī)理研究近年來(lái)，中國(guó)強(qiáng)風(fēng)暴和冰害天氣頻繁，對(duì)供電線路造成重大威脅，供電線路破壞對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)和人民生活產(chǎn)生了重大影響。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)輸電線路復(fù)雜的動(dòng)力作用是導(dǎo)致輸電塔線耦聯(lián)體系破壞的重要原因之一。對(duì)輸電線風(fēng)致振動(dòng)和風(fēng)荷載傳遞機(jī)理的研究,尤其是導(dǎo)線在風(fēng)作用下動(dòng)張力的產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律的研究顯得尤為關(guān)鍵。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在輸電線振動(dòng)方面做了較多的工作,并取得了一些有意義的研究成果。理論研究方面,Irvine和Griffin研究揭示了懸索在動(dòng)力激勵(lì)時(shí)索的變形和張力的變化具有類似于共振現(xiàn)象的特點(diǎn);Wu,Georgakis和Berlioza分別用不同的方法討論了懸索在端部荷載激勵(lì)作用下的響應(yīng);孔德怡等利用有限元方法,對(duì)無(wú)防振措施下輸電線微風(fēng)振動(dòng)進(jìn)行了研究,探討了微風(fēng)激勵(lì)力與輸電線自阻尼的有限元實(shí)現(xiàn)和動(dòng)彎應(yīng)變沿輸電線的分布規(guī)律。汪大海等將順風(fēng)向風(fēng)荷載對(duì)導(dǎo)線的動(dòng)張力作用分解成平均風(fēng)的非線性的靜力作用和在平均風(fēng)偏位置處的脈動(dòng)風(fēng)的線性動(dòng)力作用,建立了兩自由度導(dǎo)線動(dòng)張力模型。試驗(yàn)研究方面,Castanheta研究了輸電線的風(fēng)致振動(dòng)以確定在風(fēng)荷載作用下導(dǎo)線作用在輸電塔上的最大作用力;Loredo-Souza等設(shè)計(jì)出一種新型輸電線模型用于大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)中研究輸電線的動(dòng)力特性;趙桂峰和謝強(qiáng)等通過(guò)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得了絕緣子處的應(yīng)變,得到了導(dǎo)線特有的非線性振動(dòng)特征。顧明等對(duì)兩種典型覆冰導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)并得到了兩種覆冰導(dǎo)線截面氣動(dòng)力系數(shù)等動(dòng)力特性及其隨風(fēng)向角的變化規(guī)律。輸電導(dǎo)線本身有明顯的非線性特性,在風(fēng)致作用下有復(fù)雜的風(fēng)振響應(yīng)。雖然上述的理論研究初步揭示了導(dǎo)線非線性振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式,但并未從理論上完全解決,給出具體的非線性動(dòng)力學(xué)行為,國(guó)內(nèi)外也無(wú)統(tǒng)一的、精確而普適的分析方法。同時(shí)以往的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)仍處于現(xiàn)象學(xué)的研究階段,研究對(duì)象主要集中在導(dǎo)線的氣動(dòng)阻尼、風(fēng)場(chǎng)的紊流度等對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)的影響,并沒(méi)有揭示在風(fēng)荷載作用下,導(dǎo)線動(dòng)張力的產(chǎn)生機(jī)理和傳遞規(guī)律。本文以1000kV特高壓輸電線路為工程背景,在同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行了5塔4線的塔線耦聯(lián)體系完全氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)。首次采用光纖布拉格光柵傳感器,測(cè)得了導(dǎo)線在不同風(fēng)攻角、流場(chǎng)和風(fēng)速情況下不同位置的動(dòng)應(yīng)變。對(duì)導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),分析了導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變的時(shí)程曲線、功率譜分布以及導(dǎo)線不同位置之間動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的相互關(guān)系,總結(jié)得出了風(fēng)致作用下導(dǎo)線張力的傳遞規(guī)律和導(dǎo)線動(dòng)力響應(yīng)的主要特性。1試驗(yàn)介紹1.1acsr-400/40導(dǎo)線模型本次試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,風(fēng)場(chǎng)模擬和模型設(shè)計(jì)都符合規(guī)范的規(guī)定和相似理論的要求。導(dǎo)線原型為1000kV雙回路單相8分裂的架設(shè)方式,采用8×ACSR-630/40的型號(hào),分裂導(dǎo)線的間距為400mm。在整個(gè)檔距中通過(guò)米字形阻尼間隔棒不均勻檔距地隔開(kāi),導(dǎo)線弧垂24m。根據(jù)TJ-3風(fēng)洞試驗(yàn)室的大小,按照Davenport等提出的等代模型理論,將導(dǎo)線跨度按照1:120來(lái)設(shè)計(jì)。導(dǎo)線采用0.1mm的不銹鋼絲模擬導(dǎo)線模型的拉伸剛度,外徑的氣動(dòng)外形按照縮尺比采用1.2mm和1.8mm直徑的外包塑料軟管分別模擬導(dǎo)線不覆冰工況和10mm覆冰工況,導(dǎo)線跨度4.25m。風(fēng)洞試驗(yàn)中導(dǎo)線模型相似參數(shù)如表1所示。1.2數(shù)采測(cè)試系統(tǒng)本次風(fēng)洞試驗(yàn)首次采用了光纖布拉格光柵(FBG)傳感器測(cè)試導(dǎo)線的動(dòng)應(yīng)變。FBG傳感器是目前較為成熟的光纖傳感器之一,其利用FBG中心反射波長(zhǎng)的漂移與外部溫度和應(yīng)變線性相關(guān)的特性實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的測(cè)量,具有尺寸小、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度和測(cè)試精度高等優(yōu)點(diǎn),特別適合直徑小、柔度大、試驗(yàn)過(guò)程迎風(fēng)面幾何尺寸不宜受干擾的導(dǎo)線模型的動(dòng)張力測(cè)量。數(shù)采設(shè)備為光纖光柵解調(diào)儀,具有4個(gè)光學(xué)通道,每通道波長(zhǎng)范圍1510～1590nm,重復(fù)性1pm,采樣頻率1kHz,測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。由于試驗(yàn)中用于模擬導(dǎo)線的鋼絲直徑只有0.1mm,試驗(yàn)中使用502膠將光柵傳感器與導(dǎo)線緊密粘結(jié),以保證數(shù)據(jù)的有效性和準(zhǔn)確性,導(dǎo)線和光柵外模擬導(dǎo)線氣動(dòng)外形的塑料套管也起到了保護(hù)光柵的作用,如圖2所示。本次試驗(yàn)主要測(cè)試對(duì)象是五塔四線體系中間兩跨導(dǎo)線的動(dòng)應(yīng)變,在導(dǎo)線上共有20個(gè)光柵傳感器,分別布置在相鄰兩跨、不同高度的導(dǎo)線處,測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示,風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖4。1.3導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變的模擬根據(jù)輸電線路原型的設(shè)計(jì)條件和試驗(yàn)的技術(shù)條件,選擇導(dǎo)線不覆冰和10mm覆冰兩種情況研究導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變。限于試驗(yàn)室的場(chǎng)地條件,研究了90°風(fēng)攻角和60°風(fēng)攻角的情況。試驗(yàn)工況如表2所示。2結(jié)果表明，絲帶動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)的結(jié)果2.1風(fēng)攻角工況下的動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)未覆冰紊流場(chǎng)工況下,導(dǎo)線上測(cè)得的動(dòng)應(yīng)變分布情況如圖5所示,其中測(cè)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)對(duì)應(yīng)測(cè)試位置如圖3所示。圖5(a)為90°風(fēng)攻角時(shí)的測(cè)試結(jié)果,圖5(b)為90°風(fēng)攻角時(shí)的測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變隨著風(fēng)速的增大而增大,而且風(fēng)速越大,應(yīng)變?cè)黾拥姆狄苍酱?。?dǎo)線不同位置處的動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)也略有差別,跨中部位的動(dòng)應(yīng)變均值大于導(dǎo)線端部靠近絕緣子處的動(dòng)應(yīng)變。圖6所示為4m/s風(fēng)速,風(fēng)攻角為90°和60°時(shí)導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變均值的比較?？梢钥闯?在同一風(fēng)速下,90°風(fēng)攻角工況下的導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變均值比60°風(fēng)攻角工況時(shí)大5%左右。同時(shí),在前兩種風(fēng)攻角情況下,比較導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的功率譜,如圖7所示。在90°風(fēng)攻角時(shí),低頻區(qū)域中,風(fēng)荷載和導(dǎo)線面外振型對(duì)應(yīng)頻率處的能量峰值較高,而面內(nèi)振型對(duì)應(yīng)頻率處的能量分布較平緩;在60°風(fēng)攻角時(shí),導(dǎo)線跨中部位在面外和面內(nèi)振型對(duì)應(yīng)的頻率處均出現(xiàn)了較高的能量峰值?？梢?jiàn),雖然在90°風(fēng)攻角情況下導(dǎo)線的應(yīng)變要大于60°風(fēng)攻角的情況,但在60°風(fēng)攻角情況下,導(dǎo)線在面內(nèi)和面外同時(shí)發(fā)生較大變形,振動(dòng)的幅度大致為同一數(shù)量級(jí)。2.2動(dòng)力響應(yīng)分析圖8所示為紊流場(chǎng)90°風(fēng)攻角4m/s風(fēng)速導(dǎo)線跨中和端部動(dòng)應(yīng)變的實(shí)測(cè)結(jié)果。因動(dòng)應(yīng)變或位移的功率譜能夠反映結(jié)構(gòu)應(yīng)變能在頻域的分布情況,故圖9給出了歸一化后導(dǎo)線跨中、端部動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)和輸電塔頂位移響應(yīng)的功率譜曲線比較。根據(jù)實(shí)測(cè),輸電塔的自振頻率為18Hz,導(dǎo)線的前幾階頻率在2.5～8.5Hz范圍內(nèi)。從圖中可以看出:導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的功率譜大致相同,在3.5～8.5Hz附近導(dǎo)線的自振頻率激起了輸電塔在此頻率區(qū)域的振動(dòng),而在12Hz和18Hz附近輸電塔的自振頻率激起了導(dǎo)線的振動(dòng),且在18Hz左右導(dǎo)線端部和跨中的能量峰值較輸電塔的高。圖9不僅反映了導(dǎo)線在低頻區(qū)域自身的振動(dòng)特性,而且在高頻處出現(xiàn)了塔線體系的自振頻率,充分體現(xiàn)了塔線耦聯(lián)體系在風(fēng)致作用下各自特性發(fā)生耦合的現(xiàn)象。通過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),導(dǎo)線在輸電塔自振頻率區(qū)域的能量會(huì)因輸電塔的振動(dòng)而被激起和放大,對(duì)導(dǎo)線固有的特性有了較大的改變。在導(dǎo)線的不同位置,其動(dòng)應(yīng)變頻率能量分布不盡相同。與塔線耦聯(lián)體系的位移響應(yīng)功率譜相比,無(wú)論是在1Hz左右的風(fēng)荷載頻率區(qū)域和5Hz左右的導(dǎo)線前幾階自振頻率區(qū)域,還是在13Hz和17Hz輸電塔線自振頻率附近,導(dǎo)線端部的能量分布曲線介于導(dǎo)線跨中能量分布曲線和塔線耦聯(lián)體系能量分布曲線之間。說(shuō)明導(dǎo)線的端部通過(guò)絕緣子和輸電塔直接相連,在風(fēng)致作用下,其風(fēng)振響應(yīng)與輸電塔的響應(yīng)更為接近,在輸電塔能量和導(dǎo)線跨中能量的相互傳遞過(guò)程中,導(dǎo)線端部可以近似的看做為其中間部位,充當(dāng)了能量傳遞的角色。2.3導(dǎo)線覆冰前后受拉覆冰過(guò)濾作用的分布特性圖10所示為不同風(fēng)速下模擬覆冰導(dǎo)線跨中、端部動(dòng)應(yīng)變以及輸電塔頂部位移響應(yīng)的功率譜比較結(jié)果?？梢钥闯?輸電線路覆冰后,輸電塔線體系的頻率有所降低,且在導(dǎo)線頻率和輸電塔頻率之間的區(qū)域出現(xiàn)了較高的能量分布。同時(shí),導(dǎo)線覆冰后塔線不同部位處的自振特性區(qū)別也更為明顯。導(dǎo)線端部的自振特性已逐漸趨于輸電塔結(jié)構(gòu)的特性,體現(xiàn)了塔線之間緊密的相互作用和耦合關(guān)系;跨中導(dǎo)線前幾階自振頻率有所降低外,仍較好地保持導(dǎo)線的自振特性,說(shuō)明導(dǎo)線的跨中部分更能體現(xiàn)導(dǎo)線在風(fēng)致作用下的響應(yīng),從整體上更能把握覆冰導(dǎo)線的振動(dòng)規(guī)律。2.4動(dòng)力特性分析圖11為紊流場(chǎng)90°風(fēng)攻角4.0m/s風(fēng)速下動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)功率譜比較。在塔線耦聯(lián)體系中,覆冰導(dǎo)線和不覆冰導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)的功率譜曲線有較大差別。不覆冰導(dǎo)線的功率譜能量主要分布在1～4Hz的導(dǎo)線第一階自振頻率和18Hz的輸電塔一階自振頻率附近,在振型對(duì)應(yīng)頻率處有明顯的峰值;而覆冰導(dǎo)線的功率譜能量集中分布在4～7Hz附近,主要為導(dǎo)線面外一階、二階振型對(duì)應(yīng)的頻率區(qū)域,在6.74Hz出現(xiàn)了較高的能量峰值。從圖11還可以看出:導(dǎo)線覆冰后在其軸向抗拉剛度變化不大的情況下,迎風(fēng)面積增大改變了導(dǎo)線的自振特性,表現(xiàn)在相對(duì)于面內(nèi)一階振型對(duì)應(yīng)頻率的能量分布,導(dǎo)線在面外一階、二階振型對(duì)應(yīng)頻率處出現(xiàn)了能量峰值,說(shuō)明此時(shí)覆冰導(dǎo)線在風(fēng)致作用下順風(fēng)向的變形較大,表現(xiàn)出了更強(qiáng)的非線性,同時(shí),順風(fēng)向的振動(dòng)為導(dǎo)線振動(dòng)做出了主要貢獻(xiàn),也反映了導(dǎo)線覆冰后振動(dòng)的主要特征。圖12(a)和(b)所示分別為模擬覆冰導(dǎo)線跨中應(yīng)變和輸電塔頂順線路方向和垂直線路方向位移響應(yīng)的功率譜比較。由圖12(a)可知,導(dǎo)線覆冰后,輸電塔弱軸方向(即順線路方向)位移響應(yīng)的功率譜曲線變化不大,弱軸方向的自振頻率僅從16.15Hz降低為15.2Hz。而由圖12(b)可知,輸電塔位移響應(yīng)的功率譜能量分布的差別在強(qiáng)軸方向(即垂直線路方向),導(dǎo)線覆冰后,主要能量集中分布在導(dǎo)線前幾階頻率處,而且面外振型對(duì)應(yīng)的頻率區(qū)域(3.9Hz)出現(xiàn)了明顯的能量峰值。由圖12說(shuō)明,覆冰輸電塔線在順線路方向和垂直線路方向動(dòng)力特性的改變是不同的。在即順線路方向,覆冰增加了導(dǎo)線的質(zhì)量,從而只稍微改變了塔線體系中輸電塔結(jié)構(gòu)在弱軸(順線路方向)的自振頻率;而在垂直線路方向,覆冰增加了導(dǎo)線的迎風(fēng)面積,輸電塔結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)頻譜中,輸電塔能量分布更多地受到導(dǎo)線面外振動(dòng)的作用和垂直線路方向非線性響應(yīng)的影響,使得輸電塔線體系在風(fēng)致作用下,塔線相互耦合的作用更加明顯。3風(fēng)致作用本文通過(guò)氣彈模型試驗(yàn)?zāi)M導(dǎo)線風(fēng)致振動(dòng),并對(duì)光纖光柵傳感器測(cè)得的導(dǎo)線動(dòng)應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行研究和分析,可得出結(jié)論如下:a)在90°風(fēng)攻角情況下導(dǎo)線的應(yīng)變要大于60°風(fēng)攻角的情況,