d型及分裂覆冰导线的气弹模型

d型及分裂覆冰导线的气弹模型

覆冰导线/线路纵向摆动振动是由于电网表面覆冰后，电压参数发生了变化，从而在风中产生了急剧低频的自激振动。舞动在输电线路各种风致振动中表现最为显著,并可能使绝缘子和其他金具破坏、塔架局部损坏,严重时甚至导致倒塔断线,或使整条线路跳闸停电,造成巨大的经济损失。覆冰导线舞动早在19世纪初便成为电力线路设计所关心的问题,随后学者们为研究舞动机理和防治舞动现象进行了大量研究。迄今为止,在舞动理论研究方面,主要存在两种被学术界所普遍接受的导线舞动机理,即J.P.DenHartog的竖向舞动机理和O.Nigol的扭转舞动机理,前者适用于线路竖向和扭转自振频率相差较远时(主要指单根导线)出现的纯竖向舞动;而后者则适用于线路竖向和扭转自振频率较为接近时(主要包括各类分裂导线)发生的竖向-扭转耦合舞动。基于这两类机理,一些二自由度(竖向、扭转)和三自由度(竖向、水平和扭转)的导线舞动解析和有限元模型被提出。而关于舞动的现场实测和试验研究主要包括两方面的内容:①通过各类覆冰导线节段模型风洞试验获取其静态或动态气动力系数,用于验证各类覆冰断面的舞动稳定性和进行导线舞动响应理论计算;②通过实际覆冰线路或包裹有人造覆冰的试验线路的舞动现场观测和覆冰导线气弹模型风洞试验获取导线舞动响应实测数据,用于验证导线舞动机理和理论计算结果,检验防舞装置效果。本文制作了D形和新月形两种典型覆冰断面的导线节段模型,并通过弹簧将单根、二分裂或四分裂覆冰导线模型与支架相连,通过调整弹簧刚度、悬挂点位置和配重质量改变模型竖向和扭转自振频率,架设了竖向/扭转频率比可调的单根和分裂覆冰导线气弹模型。在风洞中转动模型至适当的初始风攻角,使其在不同的竖向/扭转自振频率比下产生纯竖向和扭转-竖向耦合两种形式的舞动,进行了单根和分裂覆冰导线气弹模型的舞动观测试验,通过加速度传感器记录了不同风速和攻角下各模型舞动的加速度响应时程,并通过时域积分将其转换为模型竖向位移和转角时程。1试验设备和内容1.1覆冰截面形状特点输电导线的覆冰形状受覆冰时气象条件的影响,在低温微风且雨量较少的天气,水滴与导线表面一触即凝,将形成典型的新月形覆冰;若气温相对较高,且雨量较大,水滴在导线表面无法立即凝固,且由于风经过导线壁面流动产生分离点使得冰形外周产生角点,形成近似D形的覆冰截面形状。本次实验制作了上述两种典型覆冰导线节段模型,覆冰断面及风攻角定义如图1所示。导线和覆冰模型均采用有机玻璃制作,为使模型端部与风洞外侧支架相连,模型节段长度略小于风洞宽度,约2.95m。以新月形覆冰断面为例,覆冰导线模型照片如图2所示。1.2导线模型和加速度测量试验于大连理工大学风洞试验室(DUT-1)进行,风洞试验段长18m,横断面宽3m,高2.5m。覆冰导线模型通过吊臂、弹簧和支架相连,模型固定于吊臂中心,两侧吊臂各通过上、下弹簧悬挂于支架上,通过弹簧和配重模拟线路的竖向和扭转运动动力特性,在风洞中构建了竖向-扭转二自由度覆冰导线气弹模型。为调整模型竖向/扭转自振频率比,弹簧悬挂点与吊臂中心的距离可自由调节,同时在吊臂两侧安放的配重质量及其距吊臂中心的位置同样可自由调节。为避免覆冰导线模型以外的装置对风洞中流场造成干扰,吊臂、弹簧和支架等均放置于风洞外侧,模型通过风洞两侧洞口与吊臂相连,洞口高400mm、宽120mm,通过预紧弹簧和调整配重质量,使模型在洞口处的初始位置位于洞口中心。模型示意图及照片如图3所示。试验所用导线节段模型包括D形覆冰单根导线、新月形覆冰单根导线和新月形覆冰二分裂和四分裂导线。对于分裂导线,先按照初始位置将其固定于端板,再将端板和吊臂连接(见图3(b)),使各分裂导线同步运动并绕分裂导线中心转动。分裂导线间距均为400mm,二分裂导线采用平行布置,各导线在覆冰偏心扭矩下初始向下偏转15°,如图4所示,分裂导线转角定义与单根导线相同。试验所用测量设备为LC0119型加速度传感器,其灵敏度为500mV/g,量程10g,频率范围为0.7~10000Hz,分辨率4×10-5g,重量12g,技术指标符合本次试验要求。传感器安装位置为吊臂两侧,距吊臂中点距离相等,总计传感器数量为4个。试验中对于每种导线模型,进一步通过弹簧悬挂点位置和配重的调节,将其分为竖向/扭转自振频率接近(fy≈fθ)和扭转频率高于竖向频率(fy<<fθ)两种工况。对于每一种工况,不断调整风攻角α直至模型产生明显的大幅度舞动现象,通过加速度传感仪记录其加速度时程。试验各工况系统参数和动力特性见表1。2覆冰导线模型的位移响应试验所得直接结果为吊臂两端共4个加速度传感仪测得的导线舞动加速度响应时程,但通常对舞动研究而言,实测和理论计算结果均以位移表示,因而为了更为直观的表达试验结果,便于与其他研究成果进行比较,为今后的研究提供参照,同时为了得到覆冰导线模型舞动时的扭转响应,本文通过时域积分方法,将试验所得加速度信号转化为位移信号。值得注意的是,在对原始信号进行2次时域积分后,积分初始条件尤其是初始速度v(0)对积分结果将造成较大的影响,不恰当的v(0)取值将使积分结果与实际位移产生严重偏差。在没有测得初始速度数据的情况下,可以通过迭代算法来确定初始速度,或是使用高通滤波器对信号进行处理来消除初始速度偏差造成的影响。舞动加速度信号转化为位移信号的过程和结果如图5所示。将模型4个加速度传感器位置处的位移响应时程平均化,即为覆冰导线模型舞动位移响应,而相应转角时程为:式中:y(t)L、y(t)R分别为处于来流上游和下游的各两个加速度传感器位置处竖向位移平均值;L为上、下游加速度传感器间距。3振动位移和转向响应3.1d形单导线气弹模型通过调整风攻角α,D形单根覆冰导线在两种竖向/扭转自振频率比下均出现大幅度舞动现象。舞动竖向位移和转角响应见图6。可见当fy<<fθ时,舞动时仅存在竖向位移,扭转响应可忽略(通常小于0.3°);当fy≈fθ时,模型舞动同时存在显著的竖向位移和扭转响应。值得注意的是,两种工况下产生明显舞动的风攻角基本一致,均为约90°和145°。另外,当风攻角α=145°且fy≈fθ时,其扭转响应极大,此时随着导线舞动扭转响应逐渐增大直至基本平稳,其竖向位移响应将经历先增大再缩小最后稳定至一定振幅的过程,竖向与扭转响应之间存在明显的能量交换。由此可见,超过一定幅度的扭转响应由于使来流风攻角在舞动过程中显著变化,将对导线舞动竖向响应产生较大的影响。图7为D形单导线气弹模型在不同风速下的最大竖向位移和转角响应,此处最大位移响应指舞动过程中单个周期内模型从最低点至最高点的位移极值,最大转角亦同。当风攻角为90°时,由于当fy≈fθ时舞动扭转响应较小,因而两种工况下舞动最大竖向位移随风速变化关系较为接近。另外90°风攻角和fy≈fθ工况下,风速为7m/s时,舞动响应随风速变化曲线的竖向位移和转角最大值分别发生向上和向下的突起;而在本试验其他工况中,舞动竖向位移和扭转响应均随风速增大而增大。而当风攻角为135°时,扭转响应较大,此时导线在fy<<fθ时的竖向位移响应在各风速下均大于fy≈fθ的情况下。3.2风攻角稳定性尽管对新月形覆冰单根导线的静态气动力风洞试验结果结合J.P.DenHartog及O.Nigol的舞动理论表明,存在气动不稳定的风攻角范围使其发生舞动,但在新月形覆冰单根导线的气弹模型试验中,在两种不同竖向/扭转自振频率比下,反复调整风攻角,均未发现大幅度的舞动现象。其原因可能为覆冰导线静态气动力系数并不完全适用于动态舞动过程。3.3导线-扭转耦合不同于新月形覆冰单根导线,新月形二分裂及四分裂导线气弹模型在竖向/扭转自振频率比接近时均可以观测到显著的大幅度舞动现象。可见分裂导线对气流扰动产生的气动参数变化以及分裂导线气动扭矩相对于单根导线的差异对导线舞动有重要影响。对于新月形二分裂导线,当fy≈fθ,风攻角为180°时产生了竖向-扭转耦合舞动,其位移响应见图8。且当风速较低时(<6m/s),竖向振幅持续增大直至稳定舞动;当风速较高时(>7m/s),随着扭转响应的增大,竖向振幅将在增大至峰值后经历明显的缩小并重新增大直至稳定的过程,其稳定振幅小于其增大阶段舞动峰值。图9为新月形二分裂导线不同风速下的竖向位移和扭转响应最大值,可见在试验风速范围内,两者均随风速增大而增大。值得注意的是,当改变弹簧悬挂点位置,使模型自振频率fy<<fθ,当前攻角下舞动不再发生,同时在其他风攻角也没有观测到大幅度舞动现象。3.4模型竖向位移和扭转响应分析新月形四分裂导线同样能在fy≈fθ时观测到舞动的发生,其对应攻角约为-8°。相比二分裂导线,新月形四分裂导线舞动过程中扭转响应相对较小。图10为风速6m/s时模型竖向位移和扭转的响应时程。由于此工况下模型舞动幅度较大,当风速超过7m/s时在极短时间内,舞动尚未达到稳定状态导线节段便与风洞侧壁发生碰撞,因而无法获取新月形四分裂导线气弹模型在不同风速下的最大竖向位移和转角响应。与二分裂导线相同,当调整模型使fy<<fθ时,舞动不再发生。可见分裂导线扭转、竖向自振频率较为接近这一特性是其产生舞动现象的重要因素。3.5rtol扰动机理从试验现象发现,单根D型导线可产生单纯的竖向舞动,并且竖向-扭转耦合舞动时风攻角与纯竖向舞动接近,说明J.P.DenHartog的舞动机理起主导作用,舞动产生的原因是导线升力系数对攻角的导数为负值且其绝对值超过了阻力系数,系统竖向气动阻尼为负,不断从来流中获取能量,使得导线竖向失稳舞动。而新月形分裂导线仅能在fy≈fθ时产生竖向-扭转耦合舞动,无法产生纯竖向舞动,说明O.Nigol的舞动机理是其舞动主要原因,系统扭转气动阻尼为负,激发扭转失稳,而竖向运动受耦合激励同样产生大幅度运动。4试验结果分析本文针对D形覆冰单根导线、新月形覆冰单根导线、二分裂及四分裂导线共4种覆冰导线节段气弹模型,在不同竖向/扭转自振频率比之下,在风洞中进行了舞动观测试验,重现了纯竖向舞动和竖向-扭转耦合舞动,通过加速度传感器获取了模型舞动响应时程。试验结果可为今后的输电导线舞动研究提供参考,试验主要结论如下:(1)D形覆冰单根导线、新月形覆冰二分裂及四分裂导线气弹模型均能在风洞中观测到明显的大幅度舞动现象,新月形覆冰单根导线则未能观测到明显的舞动现象。(2)D形覆冰单根导线在竖向/扭转自