风作用下塔线耦联体系导线动应变试验研究

风作用下塔线耦联体系导线动应变试验研究

0风荷载作用下风致作用机理研究近年来，中国强风暴和冰害天气频繁，对供电线路造成重大威胁，供电线路破坏对社会、经济生产和人民生活产生了重大影响。现场调查和分析研究发现强风暴对输电线路复杂的动力作用是导致输电塔线耦联体系破坏的重要原因之一。对输电线风致振动和风荷载传递机理的研究,尤其是导线在风作用下动张力的产生机理和变化规律的研究显得尤为关键。近年来国内外学者在输电线振动方面做了较多的工作,并取得了一些有意义的研究成果。理论研究方面,Irvine和Griffin研究揭示了悬索在动力激励时索的变形和张力的变化具有类似于共振现象的特点;Wu,Georgakis和Berlioza分别用不同的方法讨论了悬索在端部荷载激励作用下的响应;孔德怡等利用有限元方法,对无防振措施下输电线微风振动进行了研究,探讨了微风激励力与输电线自阻尼的有限元实现和动弯应变沿输电线的分布规律。汪大海等将顺风向风荷载对导线的动张力作用分解成平均风的非线性的静力作用和在平均风偏位置处的脉动风的线性动力作用,建立了两自由度导线动张力模型。试验研究方面,Castanheta研究了输电线的风致振动以确定在风荷载作用下导线作用在输电塔上的最大作用力;Loredo-Souza等设计出一种新型输电线模型用于大气边界层风洞试验中研究输电线的动力特性;赵桂峰和谢强等通过气弹模型风洞试验测得了绝缘子处的应变,得到了导线特有的非线性振动特征。顾明等对两种典型覆冰导线进行了风洞试验,发现并得到了两种覆冰导线截面气动力系数等动力特性及其随风向角的变化规律。输电导线本身有明显的非线性特性,在风致作用下有复杂的风振响应。虽然上述的理论研究初步揭示了导线非线性振动的运动形式,但并未从理论上完全解决,给出具体的非线性动力学行为,国内外也无统一的、精确而普适的分析方法。同时以往的现场实测和风洞试验仍处于现象学的研究阶段,研究对象主要集中在导线的气动阻尼、风场的紊流度等对其动力响应的影响,并没有揭示在风荷载作用下,导线动张力的产生机理和传递规律。本文以1000kV特高压输电线路为工程背景,在同济大学TJ-3风洞试验室进行了5塔4线的塔线耦联体系完全气弹模型风洞试验。首次采用光纤布拉格光栅传感器,测得了导线在不同风攻角、流场和风速情况下不同位置的动应变。对导线动应变响应的变化规律进行了统计,分析了导线动应变的时程曲线、功率谱分布以及导线不同位置之间动应变响应的相互关系,总结得出了风致作用下导线张力的传递规律和导线动力响应的主要特性。1试验介绍1.1acsr-400/40导线模型本次试验在同济大学TJ-3风洞实验室进行,风场模拟和模型设计都符合规范的规定和相似理论的要求。导线原型为1000kV双回路单相8分裂的架设方式,采用8×ACSR-630/40的型号,分裂导线的间距为400mm。在整个档距中通过米字形阻尼间隔棒不均匀档距地隔开,导线弧垂24m。根据TJ-3风洞试验室的大小,按照Davenport等提出的等代模型理论,将导线跨度按照1:120来设计。导线采用0.1mm的不锈钢丝模拟导线模型的拉伸刚度,外径的气动外形按照缩尺比采用1.2mm和1.8mm直径的外包塑料软管分别模拟导线不覆冰工况和10mm覆冰工况,导线跨度4.25m。风洞试验中导线模型相似参数如表1所示。1.2数采测试系统本次风洞试验首次采用了光纤布拉格光栅(FBG)传感器测试导线的动应变。FBG传感器是目前较为成熟的光纤传感器之一,其利用FBG中心反射波长的漂移与外部温度和应变线性相关的特性实现温度和应变的测量,具有尺寸小、质量轻、抗电磁干扰、动态响应快、灵敏度和测试精度高等优点,特别适合直径小、柔度大、试验过程迎风面几何尺寸不宜受干扰的导线模型的动张力测量。数采设备为光纤光栅解调仪,具有4个光学通道,每通道波长范围1510～1590nm,重复性1pm,采样频率1kHz,测试系统如图1所示。由于试验中用于模拟导线的钢丝直径只有0.1mm,试验中使用502胶将光栅传感器与导线紧密粘结,以保证数据的有效性和准确性,导线和光栅外模拟导线气动外形的塑料套管也起到了保护光栅的作用,如图2所示。本次试验主要测试对象是五塔四线体系中间两跨导线的动应变,在导线上共有20个光栅传感器,分别布置在相邻两跨、不同高度的导线处,测点布置如图3所示,风洞试验测试现场见图4。1.3导线动应变的模拟根据输电线路原型的设计条件和试验的技术条件,选择导线不覆冰和10mm覆冰两种情况研究导线动应变。限于试验室的场地条件,研究了90°风攻角和60°风攻角的情况。试验工况如表2所示。2结果表明，丝带动态压缩试验的结果2.1风攻角工况下的动应变响应未覆冰紊流场工况下,导线上测得的动应变分布情况如图5所示,其中测点数字编号对应测试位置如图3所示。图5(a)为90°风攻角时的测试结果,图5(b)为90°风攻角时的测试结果。可以看出:导线动应变随着风速的增大而增大,而且风速越大,应变增加的幅值也越大。导线不同位置处的动应变响应也略有差别,跨中部位的动应变均值大于导线端部靠近绝缘子处的动应变。图6所示为4m/s风速,风攻角为90°和60°时导线动应变均值的比较。可以看出:在同一风速下,90°风攻角工况下的导线动应变均值比60°风攻角工况时大5%左右。同时,在前两种风攻角情况下,比较导线动应变响应的功率谱,如图7所示。在90°风攻角时,低频区域中,风荷载和导线面外振型对应频率处的能量峰值较高,而面内振型对应频率处的能量分布较平缓;在60°风攻角时,导线跨中部位在面外和面内振型对应的频率处均出现了较高的能量峰值。可见,虽然在90°风攻角情况下导线的应变要大于60°风攻角的情况,但在60°风攻角情况下,导线在面内和面外同时发生较大变形,振动的幅度大致为同一数量级。2.2动力响应分析图8所示为紊流场90°风攻角4m/s风速导线跨中和端部动应变的实测结果。因动应变或位移的功率谱能够反映结构应变能在频域的分布情况,故图9给出了归一化后导线跨中、端部动应变响应和输电塔顶位移响应的功率谱曲线比较。根据实测,输电塔的自振频率为18Hz,导线的前几阶频率在2.5～8.5Hz范围内。从图中可以看出:导线动应变响应的功率谱大致相同,在3.5～8.5Hz附近导线的自振频率激起了输电塔在此频率区域的振动,而在12Hz和18Hz附近输电塔的自振频率激起了导线的振动,且在18Hz左右导线端部和跨中的能量峰值较输电塔的高。图9不仅反映了导线在低频区域自身的振动特性,而且在高频处出现了塔线体系的自振频率,充分体现了塔线耦联体系在风致作用下各自特性发生耦合的现象。通过进一步分析发现,导线在输电塔自振频率区域的能量会因输电塔的振动而被激起和放大,对导线固有的特性有了较大的改变。在导线的不同位置,其动应变频率能量分布不尽相同。与塔线耦联体系的位移响应功率谱相比,无论是在1Hz左右的风荷载频率区域和5Hz左右的导线前几阶自振频率区域,还是在13Hz和17Hz输电塔线自振频率附近,导线端部的能量分布曲线介于导线跨中能量分布曲线和塔线耦联体系能量分布曲线之间。说明导线的端部通过绝缘子和输电塔直接相连,在风致作用下,其风振响应与输电塔的响应更为接近,在输电塔能量和导线跨中能量的相互传递过程中,导线端部可以近似的看做为其中间部位,充当了能量传递的角色。2.3导线覆冰前后受拉覆冰过滤作用的分布特性图10所示为不同风速下模拟覆冰导线跨中、端部动应变以及输电塔顶部位移响应的功率谱比较结果。可以看出,输电线路覆冰后,输电塔线体系的频率有所降低,且在导线频率和输电塔频率之间的区域出现了较高的能量分布。同时,导线覆冰后塔线不同部位处的自振特性区别也更为明显。导线端部的自振特性已逐渐趋于输电塔结构的特性,体现了塔线之间紧密的相互作用和耦合关系;跨中导线前几阶自振频率有所降低外,仍较好地保持导线的自振特性,说明导线的跨中部分更能体现导线在风致作用下的响应,从整体上更能把握覆冰导线的振动规律。2.4动力特性分析图11为紊流场90°风攻角4.0m/s风速下动应变响应功率谱比较。在塔线耦联体系中,覆冰导线和不覆冰导线动应变响应的功率谱曲线有较大差别。不覆冰导线的功率谱能量主要分布在1～4Hz的导线第一阶自振频率和18Hz的输电塔一阶自振频率附近,在振型对应频率处有明显的峰值;而覆冰导线的功率谱能量集中分布在4～7Hz附近,主要为导线面外一阶、二阶振型对应的频率区域,在6.74Hz出现了较高的能量峰值。从图11还可以看出:导线覆冰后在其轴向抗拉刚度变化不大的情况下,迎风面积增大改变了导线的自振特性,表现在相对于面内一阶振型对应频率的能量分布,导线在面外一阶、二阶振型对应频率处出现了能量峰值,说明此时覆冰导线在风致作用下顺风向的变形较大,表现出了更强的非线性,同时,顺风向的振动为导线振动做出了主要贡献,也反映了导线覆冰后振动的主要特征。图12(a)和(b)所示分别为模拟覆冰导线跨中应变和输电塔顶顺线路方向和垂直线路方向位移响应的功率谱比较。由图12(a)可知,导线覆冰后,输电塔弱轴方向(即顺线路方向)位移响应的功率谱曲线变化不大,弱轴方向的自振频率仅从16.15Hz降低为15.2Hz。而由图12(b)可知,输电塔位移响应的功率谱能量分布的差别在强轴方向(即垂直线路方向),导线覆冰后,主要能量集中分布在导线前几阶频率处,而且面外振型对应的频率区域(3.9Hz)出现了明显的能量峰值。由图12说明,覆冰输电塔线在顺线路方向和垂直线路方向动力特性的改变是不同的。在即顺线路方向,覆冰增加了导线的质量,从而只稍微改变了塔线体系中输电塔结构在弱轴(顺线路方向)的自振频率;而在垂直线路方向,覆冰增加了导线的迎风面积,输电塔结构位移响应频谱中,输电塔能量分布更多地受到导线面外振动的作用和垂直线路方向非线性响应的影响,使得输电塔线体系在风致作用下,塔线相互耦合的作用更加明显。3风致作用本文通过气弹模型试验模拟导线风致振动,并对光纤光栅传感器测得的导线动应变响应进行研究和分析,可得出结论如下:a)在90°风攻角情况下导线的应变要大于60°风攻角的情况,