输电线路导线覆冰舞动机理的讨论与研究

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  摘 要:通过物体的流体将引起颤动、卡门涡和驰振三种振动。其中卡门涡、驰振是输电导线中两种常见的振动。其特性是由空气中对流的速度和导线的结构决定。驰振在输电导线中特称舞动。
  关键词:输电线路导线;舞动
  当流体流过物体的表面时会产生激励。则会导致物体振动。流体的速度、性质、流动方向、物体截面积形状等因素将影响激励的大小、性质。通过物体的流体将引起颤动、卡门涡和驰振三种振动。其中卡门涡、驰振是输电导线中两种常见的振动。其特性是由空气中对流的速度和导线的结构决定。驰振在输电导线中特称舞动。
  1 舞动概念和形态
  导线在风和覆冰的条件下、形成非圆截面的覆冰,进而形成大幅度和低频率的振荡,叫自激振动。通常在0.1~3HZ以内,振幅相当于对应导线直径的5~250倍左右。输电导线的覆冰横截面常为翼状形,在风和冰的激励作用下,会产生低阶大振幅的共振,若发生在架空高压输电线路上,则大跨越档距导线舞动的幅度有可能会达到数十米,正是因为覆冰导线振动起来像龙舞,所以称之为舞动。覆冰导线的舞动是一种频率低、振动幅度大,舞动形态不规则,一般表现为三种:(1)横向振动。(2)绕两端输电杆塔的固定点自由摆动,这个主要发生在大跨越档间的导线。(3)导线绕着覆冰输电线路的轴线的自我扭转振动。
  2 覆冰导线舞动形成因素
  覆冰输电导线舞动是流体耦合振动中较复杂的一种,影响导线舞动的因素很多,但常见的有以下三种:导线覆冰、风的激励和线路自身因素。
  1)导线覆冰。输电导線的舞动常发生在2~50mm覆冰厚度的导线上,导线覆冰形成有三个必备条件:a.空气湿度在85%以上;b.温度在-5~0℃之间;c.风速大于1m/s。2)风的激励。稳定的风激励也是形成舞动的必要因素,在冬季,冷暖气流的交汇,较强的风力,是导线舞动更易形成。江河、湖泊和平地等类似开阔地放和山谷、风口地区是比较容易发生舞动的地带,这是由于以往在风洞实验研究中发现垂直线路的风分量越大,对覆冰导线的激励效果越好,导线升力也越大,更易使系统失稳,而产生舞动。3)线路结构与参数。除了以上两个外界因素,输电线路本身的结构也容易导致导线舞动的发生,包括:导线的类型、横截面积和档距。a.分裂导线一般比单导线更容易发生舞动。b.截面大的导线更容易舞动。c.线路档距越长其扭转刚度越大,在风激励下的扭转角要小,也易形成翼型覆冰,同样升力也大和扭矩也越大,就增大了覆冰导线发生舞动的可能。
  3 覆冰导线舞动的机理
  3.1 横向驰振机理
  在冰和风激励下,圆截面的物体会激发频率为ωs的涡致振动,而非圆截面的结构物则会产生两种不同类型的振动:1)振动频率等于结构固有频率的驰振(流体流速较低时);2)频率偏离结构固有频率的失速颤振(流体流速较高时)。
  1)横向驰振稳定性。截面、参数一般都来源于结构物的风振,和真实覆冰导线的截面有差距。并且覆冰导线的风动参数还没有准确性,在上世纪八十年代末的湖北中山口大跨越导线舞动,有专家结合课题研究的需要,进行了部分椭圆覆冰断面和扇形的风动模拟试验,并得出了一部分风动参数。这个试验对有关研究工作有很重要的作用。另外,也有国外专家做了相关导线覆冰断面的试验,但由于覆冰的随机、复杂情况,这些参数对舞动的研究需要有很大差距。2)横向驰振响应。从驰振过程的反馈机制可以看出,驰振是一个能量的积聚过程。在驰振过程,由于风激励对导线产生能量,并且这个能量是不断变化的,并输入系统。在舞动的过程中能量不断增加,达到积累。这些除了一部分用于能量随时间的耗散,剩余的能量都将增大振动的幅度。3)激發模式-邓哈托舞动。该机理认为:覆冰的非圆截面被风吹向时,会有阻力和升力的合作作用于输电线路覆冰导线。当升力变化率负值小于阻力时,输电线路覆冰导线截面才是稳定的。
  3.2 扭转驰振机理
  扭振是这种类型的舞动一个关键因素,只要可以改变系统的扭振特性,即ωθ≠ωy,或者是扭振自激能够被抑制。这种舞动便可抑制,这就是尼戈尔模式。
  3.3 惯性耦合激发机理
  除了横向激发模式和扭转激发模式外,还存在第三种由于偏心惯性影响的惯性激发模式。由于在风激励下,惯性使攻角发生变化,木板向上运动,由相关的模型可知攻角θ会使升力F发生变化,由于升力与是同一个方向,将会增大对振动系统的干扰,并加剧横向振动,在这个过程中,不断积累能量,导致系统失稳而形成舞动。由于导线舞动情况的复杂,且由于环境中各个因素的不确定性,如风速、雨量、温度和不同的覆冰形状和厚度,使得舞动模式存在不确定性,同一地区不同时段或不同线路也可能出现不同模式的舞动。在上述的三种激发模式中,其中邓哈托模式和尼格尔模式的起舞条件不同,哪种模式的自激条件先达到,哪种舞动就先出现,上面的三种舞动激励是迄今为止最主要的研究成果。
  4 小结
  本章对物体振动的不同类型进行了说明,并阐述了导线舞动的基本概念,同时也对导线舞动形成的因素也做了重点分析。首先对物体振动的不同类型进行了说明,振动分为卡门涡、颤动和驰振三种,并对这三种振动的原理进行了分类说明;其次在由驰振的一种特殊形式引出了舞动的基本概念,也说明了导线舞动的三种形态及其主要的表现形式。再对舞动形成的主要因素做了详细的分类说明,主要由于输电线路由于雨雪天气的覆冰、风激励和输电线路自身的线路结构因素。最后对导线舞动的机理进行了重点分析。
  参考文献:
  [1] 甘凤林,李光辉.高压输电线路施工[M].北京.中国电力出版社.2008第一版.
  [2] 孟遂民,孔伟.架空输电线路设计[D].北京.中国电力出版社.2007年第一版.
  作者简介:彭永洪(1987-),研究方向:变电一次检修技术;马强(1981-),研究方向:变电二次检修技术;田兴瑞(1987-),研究方向:电气试验。
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