输电线路覆冰灾害防治

DynamicsModelandSimulationofIcedTransmission-line’s

GallopingandAnti-gallopingDevices

输电线路在冰/风灾害下的动力学模型、防灾机理

及其数值仿真

武汉大学：肖晓晖SchoolofMechanicalEngineering,WuhanUniversityOutline2314导线覆冰的成灾实例覆冰导线舞动的机理及动力学模型5防灾机理-防舞措施的优化配置及评估研究基础-成果及仿真软件应用实例1.覆冰及舞动成灾实例倒塔覆冰的不规则脱落录像1录像2故障类型故障原因故障后果绝缘子串冰闪事故绝缘子覆冰或被冰凌桥结后,绝缘下降,泄露距离缩短;融冰时,绝缘子表面的局部电阻不同形成闪烙事故,闪烙发展的过程中持续的电弧烧伤绝缘子,引起绝缘子的绝缘强度降低.导线舞动不均匀覆冰或冰、风荷载的联合作用使导线产生自激振荡和低频大幅度的舞动金具损坏、导线断股、断线、绝缘子损坏、电气间隙减少造成相间闪络、短路跳闸、杆塔倾斜或倒塌等不均匀覆脱冰事故相邻档的不均匀覆冰或线路不同期脱冰产生张力差金具损坏、导线和绝缘子损坏、导线舞动、杆塔破坏等1.覆冰及舞动成灾实例锦州,丹东,沈阳鞍山,辽阳四平邯郸,邢台塘沽荆门,宜昌,恩施,利川,石首常德芜湖,淮南平凉、庆阳、天水安康建国以来的导线舞动概况云南贵州我国覆冰导线舞动发生的特点舞动在东北、西北、华中、华东、西南、京津塘等地区都曾经出现；舞动多发生在冬季雨雪天气，伴随有大风，且风向与导线走向呈垂直趋势；从统计数据可看出，建国后至80年之前，导线舞动发生的次数只有80年代后至今的大约一半不到，这表明导线舞动发生的频率在增加高压输电线路的增加气候条件的变化结构物风致振动舞动驰振(Galloping)-Dancing微风振动颤振(涡致振动)导线舞动：指风对非圆截面导线所产生的一种低频(约为0．1～3Hz)、大振幅的导线自激振动。是一种由流体诱发的随机的结构物非线性振动，是一种流-固耦合振动危害：舞动振幅可达导线直径的5～300倍，峰峰值可达10多m，以致引起相问闪络、断路，支承线夹损坏甚至断股断线，是输电线路的重大灾害之一2.覆冰舞动机理及动力学模型影响因素覆冰冰型、冰厚、攻角风激励风速、风向、风向和线路的交角导线的结构参数导线的型号、综合弹性系数、金具及金具在线路上的布置参数档距、最大弧垂（或平均运行张力）防舞装置的结构参数及其在线路上的安装配置参数2.覆冰舞动机理及动力学模型2.覆冰舞动机理及动力学模型三自由度模型（集中质量模型）：一个档距内的输电导线分别从横向振动与扭转振动的角度简化为集中于档距中点的等效集中质量（转动惯量）模型。覆冰导线在风激励作用下，形成一个垂直、水平、扭转振动三自由度力学系统TwotypesofgallopingVerticalgallopingmechanism-DenHartoggalloping If,Negativedamping-self-excitedvibration

Torsionalgallopingmechanism-O.NigelgallopingGallopingDynamicModel横向(垂直向)激发模式扭转激发模式偏心惯性耦合激发模式导线单元的升力对于攻角具有较大的负斜率，此时其所受的升力与振动方向相同，导线单元在运动中吸收能量变为不稳定状态，在一定条件下，任何微小的风扰动都有可能引起大振幅的振动扭转阻尼为负并且大于导线的固有扭转阻尼时，若此时的扭转频率接近于垂直向的谐振舞动频率，则纯的扭转不稳定性可能诱发垂直向的舞动。在偏心质量位于背风面，横向振动和扭转振动可能分别稳定，但由于偏心惯性作用会引起攻角变化，从而使相应的升力对横向振动形成正反馈，加剧横向振动，并逐渐积聚能量，最后形成大幅度的舞动。2.覆冰舞动机理及动力学模型(Denhartog舞动)(Nigol舞动)

DenHartog与Nigol模式只是两种不同的激发模式，在不同的条件下出现：当ｙ向自激条件首先达到，便出现DenHartog舞动；反之，如扭振自激条件先达到，便可能出现Nigol舞动一条具体线路究竟出现哪一种舞动模式取决于系统固有特性参数及冰、风条件。不仅不同线路可能产生不同的舞动，而且同一线路也可能在今年出现这种舞动模式，而明年出现另一种舞动模式3.防灾技术的研究Anti-Galloping设计阶段线路走向提高线路抗覆冰灾害的能力融冰各类防舞装置-防舞器第一类（有关空气动力学方面的措施）：在导线上悬挂具有一定外形的装置，使之能在横向风时消除空气动力的不稳定。第二类：外加重物在导线上，以避免原系统内部的共振。这种效应对稳定的振动系统可以带来显著的影响，但不可能完全适应各种不同的架空线路在不同的气候条件第三类：人为地提高系统的阻尼能力，使振动导线能够吸收更多的由风力引起的机械能防舞器应兼有失谐、荷重功能，具有吸收能量的特性。当第一个振动开始时，线路上能量较小，并能被小而轻的措施吸收，但当舞动已经在导线上正式形成，情况则完全不同。所以，不论采用何种防舞器，何种布置方案，都应该具有大量吸收能量的特性，使导线消耗的能量大于其获取的能量，同时使垂直振动频率和扭转振动频率较难耦合，起到抑制舞动的作用3.防灾技术的研究常用防舞器3.防灾技术的研究间隔棒失谐摆间隔棒CurrentAnti-GallopingApproachesInter-phasespacerPreventflashoverReducegallopingmotionsCurrentAnti-GallopingApproachesAirflowspoilerDisrupttheuniformityoficeformation&cross-section ModifytheaerodynamicsloadsalongthelinewithalternatingprofilesCurrentAnti-GallopingApproachesDetuningPendulumSeparatethetorsionaloscillationfrequencyfromtheverticalnaturalfrequencyDetuningpendulumsinstalledonatriplebundleconductorTwinbundleconductor

Singleconductor

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

AdaptiveDevices在武汉大学(原武汉水利电力大学)在架空高压输电线舞动的机理分析、仿真模拟以及防治方面进行了长期具体的理论与实践研究，完成多项重大课题的研究成果先后六次获国家、省部级科技进步奖1995年，获电力工业部科技进步一等奖1997年，获国家科技进步一等奖2002年，获中国电力科学技术三等奖2002年，获安徽省科学技术三等奖2006年，获河南省电力公司科学技术进步二等奖2006年，获湖北省科学技术进步二等奖4.现有研究基础–已有成果课题研究组具有优良的实验室和试验设备，雄厚的科研实力和合理的人员梯队，课题组有教授3人，副教授3人，博士5人国内第一本舞动专著，国际国内期刊郭应龙著，输电导线舞动，武汉：武汉水利电力大学出版社，1998郭应龙，李国兴，尤传永著输电导线舞动，北京：中国电力出版社，2003XiaohuiXiao（肖晓晖）etal.SimulationofAnti-GallopingDevicesforPowerTransmissionLine[C],inProc.ofthe4thIEEEConf.onAut.Sci.andEng.,WashingDC,USA,Aug,2008XiaohuiXiao（肖晓晖）etal.DynamicsSimulationandExperimentalstudyofInspectionRobotforHigh-voltageTransmission-line[J].JournalofCenterSouthUniversityofTechnology,Vol.12,No.6,Dec.2005,p:726-731肖晓晖等，输电导线舞动的计算机仿真，水利电力机械，1998年第2期肖晓晖，郭应龙，压重防舞器配置方案有效性的仿真计算，电力建设，1998年第6期郭应龙，肖晓晖，输电导线舞动的计算机仿真，武汉大学学报，2002年第1期郭应龙，扰流器防舞机理的理论研究，武汉水利电力大学学报，1996第1期郭应龙，输电导线舞动研究，武汉水利电力大学学报，1995第5期郭应龙，恽俐丽等，三分裂输电导线舞动的有限元分析与计算，水利电力机械，1996年第4期4.现有研究基础–已有成果用户界面模块建模模块选择分析类型确定阻尼系数确定刚度系数总步数、步长对应不同攻角的升力与扭矩的施加

……结果的保存绘制舞动轨迹频域特性分析相间绝缘性分析……导线的类型档距与高差风速覆冰厚度与类型防舞装置的选择布置方案的确定布置位置防舞装置的物理参数……选择单元类型不同材质的密度杨氏模量悬链状导线建模覆冰建模添加不同防舞装置……求解模块后处理模块4.现有研究基础-计算机仿真分析软件仿真模型导线：采用有限元法，建立悬链线结构的柔性体模型杆塔：采用有限元法，建立杆塔模型覆冰：根据覆冰形状、质量和质心位置，建立集中质量模型空气动力学参数积累试验数据，建立数据库Fluent仿真得到三个空气动力系数边界条件与载荷运行APDL语言提高分析效率基于虚拟现实技术的后处理系统4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件在建立导线模型时，各相导线初始位置相对固定，每根导线分别在一个单独的平面建立模型；对单相导线，根据悬链线法计算导线上各节点的坐标其中，x——架空线任意点P至架空线最低点的水平距离，m；y——架空线任意点P对其最低点的高度，m；H——架空线最低点的水平张力，N；σ——架空线的水平应力，N/mm2；ω——架空线单位长度的自重力，N/m；

g——架空线的自重比载，MPa/m；

S——架空线的截面积，mm2。4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件（1）导线和杆塔模型4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件根据计算出来的坐标值建立节点，连接各节点得导线单元导线在实际运行中，力学特性与柔索类似；考虑扭转刚度ANSYS中的Beam188单元4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件杆塔选用三维梁单元4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件（2）覆冰模型4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件用覆冰质心处的质量单元模拟mass21单元新月形覆冰形状:阴影部分所示为新月形覆冰的截面积将覆冰质量单元与对应的导线单元进行完全刚性连接，即将二者的自由度完全耦合起来4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件（3）边界条件与载荷4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件边界条件导线两端的悬挂点与杆塔耦合载荷重力风载荷：与攻角、空气动力系数、运动引起的攻角变化等有关4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件空气动力系数需要大量的实验研究，在目前国内外的研究中，为得到空气动力系数而进行的风洞实验由于工作量大、难度大，很少有人进行全面的研究。在研究中，采用郭应龙老师《输电线路舞动》一书中风洞系数，根据其数据拟合出升力系数曲线、阻力系数曲线、扭转系数曲线如下图。4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件风载荷：覆冰导线受到升力FL、阻力FD和扭矩：其中：ρ——气流密度，kg/m3；

D——导线圆截面直径，m；

CL、CD、CM——升力、阻力、扭矩系数。4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件虚拟现实技术进行后处理复杂的舞动模型以及大量通过计算机程序得到的结果不容易理解，而通过虚拟现实技术可把结果转换为三维图像；通过虚拟现实技术模拟舞动情况以及检测防舞装置的有效性，可降低实验费用和实验周期

建立虚拟现实场景：从仿真软件读取输电导线各节点的三维坐标数据，映射到虚拟现实场景中虚拟场景：结合虚拟现实建模语言VRML(VirtualRealityModelingLanguage)和3DSMAX人机交互功能：采用Java语言作为虚拟现实的控制语言，实现4.现有研究基础

-计算机仿真分析软件5.应用实例-

仿真实例垂向舞动峰峰值达到了5.2m，频率为0.15HZ；水平方向峰峰值达到2.9m，频率0.3HZ；扭转频率与垂直水平运动差别更大，频率为3.7HZ5.应用实例-

仿真实例防舞措施：同时考虑1、2阶波形，