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1、特高壓架空輸電線微風(fēng)振動有限元分析第26卷第8期振動與沖擊JOURNALOFVIBRAT1ONANDSHOCK特高壓架空輸電線微風(fēng)振動有限元分析孔德怡，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)了輸電線動彎應(yīng)變幅值沿輸電線的分布規(guī)律?通過對比計(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)振動的影響因素，為接下來微風(fēng)振動的防護(hù)分析打下基礎(chǔ).關(guān)鍵詞:架空輸電線，微風(fēng)振動，有限元法，白阻尼,特高壓中圖分類號:TM726.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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)振動問題更趨突出，加強(qiáng)微風(fēng)振動的研究更為迫切.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)場屮的微風(fēng)振動.1能量平衡原理為了研究架空輸電線的微風(fēng)振動情況，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單,但是無法精確考慮輸電線,防振器的剛度，質(zhì)量分布對振動的影響,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，利用弦振動模型模擬輸電線誤差很小J.為了方便分析，我們在以下分析中將輸電線簡化成延長度方向幾何特性與材料特性不變的細(xì)長實(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
6、方程式(2).圖1輸電線振動微元受力分析E1以eg?y+mOt+edt一0t:p()(l)以；，mdt+edt一dt=p()(2)zzj,/,/其中m為電線單位長度的質(zhì)量,Y為電線微風(fēng)振動位移,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，其單元剛度矩陣和應(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)力對于剛性圓柱體，在穩(wěn)定的風(fēng)場中,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，為振動圓頻率,右側(cè)的負(fù)號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
