输电线路脱冰跳跃及驰振特征研究

摘要

输电线路脱冰跳跃是指冰区输电线路的覆冰在温度等自然条件下脱落引起导线的上下振动，工程中称为“冰跳”。冰跳过程中各相导线之间及导地线之间的间隙可能小于相应的绝缘间隙，从而导致闪络、烧伤甚至烧断导线等电气事故。输电线路的驰振包括分裂导线的尾流诱发驰振和覆冰导线的舞动，可能导致线路跳闸、碰线、导线与金具的破坏，甚至发生断线和倒塔等严重事故。为了保证线路的安全运行，研究输电线路脱冰跳跃和驰振特征具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　本论文提出了一种输电线路最大脱冰跳跃高度的理论算法。通过建立五档连续档输电线路简化模型，分析导线脱冰前后的能量关系、运动过程中的应力弧垂关系、几何和平衡方程，推导出五档连续档输电线路在中间档导线脱冰后最大冰跳高度的简化理论算法，并在此基础上推导出任意连续档输电线路任一档脱冰后最大冰跳高度的理论算法。针对典型线路，将该方法与现有设计规程方法、理论简化算法和数值模拟方法的结果进行比较，研究了不同参数条件下该理论方法的适用性，结果表明，本文理论算法计算结果与数值模拟结果十分接近，比现有的设计规程方法和简化理论方法具有更高的精度，比有限元数值模拟方法更快捷方便，适用于工程设计。
　　同时考虑气动力及电磁力随子导线间距的变化，研究了分裂导线尾流诱发驰振数值模拟方法，并模拟研究了双分裂导线尾流诱发驰振特征。利用FLUENT流体动力学软件模拟得到了不同风速下双分裂导线背风侧子导线气动系数随两子导线相对位置的变化规律，结果表明，两子导线的相对位置对背风侧子导线气动特性影响明显。在此基础上，编写了同时考虑气动力及电磁力随子导线间距变化的ABAQUS用户单元子程序，对典型线路的尾流诱发驰振模拟研究表明，考虑电磁力作用，双分裂导线更易发生尾流诱发驰振；随着电流强度的增大，驰振运动过程中两子导线的最小间距逐渐减小。进一步模拟研究了双分裂导线在不同参数条件下的尾流诱发驰振特征，结果表明：尾流诱发驰振运动过程中，两子导线的运动轨迹接近水平椭圆，发生了次档距振动，且两子导线运动的相位差接近180°，与实际观测结果一致；间隔棒等间距排布比非等间距排布时更容易发生尾流诱发驰振；档距越大，越容易发生尾流诱发驰振，大档距导线在特定风速下甚至可能发生碰线；尾流诱发驰振发生在一定的风速范围内，当风速超出该临界范围，导线不会发生尾流诱发驰振现象；风速较低时，双分裂导线尾流诱发驰振以次档距振动为主，随着风速增大，主振动模式可能表现为整档振动。
　　利用ABAQUS的网格梁截面定义，给出了一种考虑导线覆冰偏心作用的舞动数值模拟方法。该方法可以准确描述覆冰导线的截面形状，并可对导线和覆冰赋予不同的材料参数。利用该方法模拟了新月形覆冰四分裂和八分裂导线的舞动过程，与传统的圆截面等效方法相比，考虑覆冰偏心作用后，覆冰四分裂导线的位移和扭转角振幅明显增大，运动轨迹及振动形态更为复杂；与覆冰四分裂导线相比，覆冰八分裂导线的扭转刚度更大，覆冰偏心作用对其舞动特征影响较小。此外，该方法还可以给出舞动过程中导线和覆冰截面的应力分布，可进一步用于舞动过程中导线强度和覆冰破坏分析。
　　覆冰分裂导线的气动特性随风攻角和子导线间距变化，为此，同时考虑气动力、电磁力和覆冰偏心的作用，对覆冰双分裂导线的舞动特征进行了深入研究。利用FLUENT流体动力学软件模拟得到了覆冰双分裂导线气动系数随风攻角及两子导线间相对位置的变化规律，结果表明，相对位置和风攻角对两子导线气动系数影响明显。进一步采用ABAQUS有限元软件模拟研究了不同参数条件下覆冰双分裂导线的舞动特征。结果表明：随着电流强度的增大，覆冰双分裂导线的振动幅值减小，电磁力对覆冰分裂导线的舞动具有一定的抑制作用，且在研究的电流强度范围内，导线发生了碰线现象；导线间隔棒等间距排布比非等间距排布时的振幅更大，且更易发生碰线现象；初始风攻角对导线的舞动轨迹、振幅、振动形态以及子导线间距影响明显；档距越大，导线振动形态越复杂，发生碰线现象的可能性越大。
　　本论文的研究成果为冰区输电线路的绝缘设计提供了冰跳高度的理论计算方法，为分裂导线尾流诱发驰振和舞动防治技术的开发奠定了基础。

目录

1 绪 论

1.2 输电线路脱冰跳跃研究现状

1.3 分裂导线尾流诱发驰振研究现状

1.1 课题研究背景及意义

1.4 覆冰分裂导线舞动研究现状

1.5 本论文主要研究内容和创新点

2 输电线路脱冰跳跃高度理论算法

2.1 引言

2.2 脱冰跳跃高度理论简化计算方法

2.3 脱冰跳跃高度工程简化实用公式

2.4 脱冰跳跃高度理论算法

2.5 本章小结

3 脱冰跳跃高度理论算法验证及其适用性

3.1 引言

3.2 导线脱冰动力响应数值模拟方法

3.3 冰跳高度理论算法的数值验证

3.4 冰跳高度理论算法的适用性

3.5 本章小结

4 双分裂导线尾流诱发驰振特征研究

4.1 引言

4.2 分裂导线气动特性数值模拟方法

4.3 双分裂导线气动特性数值模拟

4.4 分裂导线尾流诱发驰振数值模拟方法

4.5 典型线路段有限元模型及其模态分析

4.6 不同参数对尾流驰振特性的影响

4.7本章小结

5 考虑覆冰偏心作用的舞动数值模拟方法

5.1 引言

5.2 考虑覆冰偏心作用的导线舞动数值模拟方法

5.3 覆冰偏心对导线舞动的影响

5.4 本章小结

6 覆冰双分裂导线舞动特征研究

6.1 引言

6.2 覆冰双分裂导线气动特性

6.3 舞动模拟过程中气动载荷确定方法

6.4 典型线路段有限元模型及其模态分析

6.5 不同参数对覆冰双分裂导线舞动特性的影响

6.6 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目