特高壓架空輸電線微風(fēng)振動(dòng)有限元分析

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1、特高壓架空輸電線微風(fēng)振動(dòng)有限元分析第26卷第8期振動(dòng)與沖擊JOURNALOFVIBRAT1ONANDSHOCK特高壓架空輸電線微風(fēng)振動(dòng)有限元分析孔德怡，李黎，龍曉鴻,梁政平(1?華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢430074;2,中國電力工程顧問集團(tuán)公司,北京100011)摘要對(duì)于1000kV特高壓架空輸電線路，有別于傳統(tǒng)的能量平衡法(EBM),研究了利用有限元方法(FEM)分析微風(fēng)振動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù).其中利用索單元模擬輸電線;基于能量等效原理,將輸電線磁滯阻尼等效成為粘滯阻尼,將風(fēng)輸入功率等效成為微風(fēng)激勵(lì)力作用于有限元節(jié)點(diǎn).并根據(jù)振

2、幅和曲率的關(guān)系推導(dǎo)了輸電線動(dòng)彎應(yīng)變幅值沿輸電線的分布規(guī)律?通過對(duì)比計(jì)算，有限元法分析結(jié)果與傳統(tǒng)的能量平衡法結(jié)果基木吻合，而H由于有限元法考慮了輸電線質(zhì)量，剛度的影響，其結(jié)果更為真實(shí)可信.最后利用有限元法分析了微風(fēng)振動(dòng)的影響因素，為接下來微風(fēng)振動(dòng)的防護(hù)分析打下基礎(chǔ).關(guān)鍵詞:架空輸電線，微風(fēng)振動(dòng)，有限元法，白阻尼,特高壓中圖分類號(hào):TM726.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A我國能源分布的不均衡導(dǎo)致了在中東部經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)電力瓶頸問題愈發(fā)的突出.高壓輸電作為調(diào)節(jié)電力分配的有效手段得到了廣泛的應(yīng)用.隨著建設(shè)里程的增加，輸電線在風(fēng)荷載下發(fā)生斷線的事故屢有發(fā)生

3、，由此帶來停電，倒塔事故造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至人員傷亡”.風(fēng)的作用下，輸電線的微風(fēng)振動(dòng)發(fā)生得最為頻繁，持續(xù)時(shí)問一般達(dá)數(shù)小時(shí)，有時(shí)可達(dá)數(shù)H不止.由此導(dǎo)致電線疲勞斷股以及金具，桿塔構(gòu)件的損壞;而且限制了導(dǎo)線的使用應(yīng)力值.隨著我國特高壓工程的建設(shè)，送電線路所采用的導(dǎo)線的截面,張力，懸掛點(diǎn)高度以及檔距都在不斷的增大,微風(fēng)振動(dòng)問題更趨突出，加強(qiáng)微風(fēng)振動(dòng)的研究更為迫切.本文有別于傳統(tǒng)的能量平衡法，利用有限元法求解輸電線在均勻風(fēng)場(chǎng)屮的微風(fēng)振動(dòng).1能量平衡原理為了研究架空輸電線的微風(fēng)振動(dòng)情況，目前國內(nèi)外普遍利用能量平衡原理?該原理認(rèn)為對(duì)于輸電線體

4、系，一方而由風(fēng)輸入給輸電線系統(tǒng)能量;另一方面又在系統(tǒng)內(nèi)將能量消耗掉.當(dāng)輸入的能量與消耗的能量達(dá)到平衡時(shí)，就可確定輸電線某階頻率下的穩(wěn)定振幅，繼而確定在這個(gè)振型下的輸電線懸掛線夾出口處的動(dòng)彎應(yīng)變.從而進(jìn)一步?jīng)Q定是否需要額外的防振措施.能量平衡法雖然理論簡(jiǎn)單,但是無法精確考慮輸電線,防振器的剛度，質(zhì)量分布對(duì)振動(dòng)的影響,這給輸電線的運(yùn)行帶來了隱患?本文以下通過精確的有限元建模,進(jìn)行基于有限元法的輸電線微風(fēng)振動(dòng)分析?其結(jié)果不僅能得到能量平衡法的驗(yàn)證，而且考慮了輸電線剛度和質(zhì)量的影響，為今后利用防振錘等防振器進(jìn)行微風(fēng)振動(dòng)的消能減振分析打下基礎(chǔ)

5、.收稿口期：2006—10—30修改稿收到日期:2006—12一11第一作者孔德怡男，博±,1982年牛2振動(dòng)方程與有限元模型輸電線可以認(rèn)為是張緊的小剛度梁，其振動(dòng)方程如式(1).因?yàn)殇摻g線為股狀較接結(jié)構(gòu)，股與股Z間存在著相對(duì)滑移，所以其抗彎剛度EI變化很大,--般在16Nm?577Nm范圍內(nèi)取值?而實(shí)際輸電線的跨距可達(dá)幾百米，忽略電線剛度，利用弦振動(dòng)模型模擬輸電線誤差很小J.為了方便分析，我們?cè)谝韵路治鲋袑⑤旊娋€簡(jiǎn)化成延長(zhǎng)度方向幾何特性與材料特性不變的細(xì)長(zhǎng)實(shí)心圓柱體,并且忽略其抗彎剛度?這樣我們就可以寫出電線在橫向風(fēng)力作用下的振動(dòng)

6、方程式(2).圖1輸電線振動(dòng)微元受力分析E1以eg?y+mOt+edt一0t:p()(l)以；，mdt+edt一dt=p()(2)zzj,/,/其中m為電線單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,Y為電線微風(fēng)振動(dòng)位移,c為電線阻尼系數(shù)，為電線平均運(yùn)行張力，P⑴為微風(fēng)激勵(lì)力?只要解決微風(fēng)激勵(lì)P⑴和電線阻尼系數(shù)C,就可以求解出電線微風(fēng)振動(dòng)位移Y.采用索單元來模擬僅能抗拉，不能抗壓和抵抗彎矩的輸電線，其單元?jiǎng)偠染仃嚭蛻?yīng)力剛度矩陣如下：第8期孔徳怡等:特高壓架空輸電線微風(fēng)振動(dòng)有限元分析65TAE矗了ISo—L—CIO00CIO0000000C20000o—C200

7、0C100000C1000000C200C200]f0010010011OOflOOJ000o-cooo—c000ocoooc其中A為輸電線橫截面積,F為單元初始預(yù)張力和其他單元軸向力之和,E為彈性系數(shù),為單元長(zhǎng)度，c為拉壓剛度系數(shù),c為應(yīng)力剛度系數(shù).當(dāng)單元收拉時(shí),c,c為1.0,當(dāng)單元收壓吋,C,C取0.0.3微風(fēng)激勵(lì)力對(duì)于剛性圓柱體，在穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)中,氣流在圓柱體背而形成穩(wěn)定的卡門渦街，在圓柱體上形成一上升力F,并認(rèn)為該幅值是隨時(shí)間成正弦變化，即Fsintot.假設(shè)圓柱體垂直振動(dòng)位移Y為：丫=一AoCOS(tot—)(3)上式中的

8、為上升力與位移之間的相位差,A.為單振幅，為振動(dòng)圓頻率,右側(cè)的負(fù)號(hào)是按力和加速度方向相同而選定的?在半個(gè)周期T/2內(nèi)，風(fēng)輸入功率(W/m)的平均值可以寫成：P={Fysinwtd[-Acos(—)])d=F[Jcsinin(—]=丟F