覆冰四分裂导线舞动与新型防舞器的数值模拟研究

摘要

输电导线覆冰后在持续的风作用下会产生一种低频、大幅度自激振动，称为舞动。舞动对输电系统的安全运行将造成极大的危害，会导致断线、金具破坏和倒塔等恶性事故，故对覆冰导线舞动特性及其防治研究具有极其重要的理论意义和工程实用价值。
　　 本论文首先针对覆冰四分裂导线的空气动力系数测量设计了风洞试验方案，测试了不同厚度扇形覆冰四分裂导线在不同风速下各子导线的升力系数、阻力系数和扭矩系数随风攻角变化的曲线。试验结果表明，覆冰四分裂导线迎风侧子导线的尾流对背风侧子导线的空气动力系数的影响明显；不同风速下的空气动力系曲线差别很小；覆冰厚度对覆冰导线空气动力系数的影响明显。和已有的新月形覆冰四分裂导线空气动力系数比较发现，不同冰型的气动系数差异明显。
　　 研究并获得了利用大型通用有限元软件ABAQUS模拟覆冰导线舞动的数值方法。通过欧拉梁单元的自由度释放和设置材料为不可压缩，得到模拟覆冰导线的具有扭转自由度的索单元；进一步利用用户单元子程序UEL自定义模拟覆冰导线所受的阻力、升力和扭矩等空气动力载荷的气动载荷单元，用以施加随时间变化的空气动力载荷。通过覆冰单导线与覆冰双分裂导线的舞动算例验证了方法的正确性。
　　 利用模拟覆冰导线舞动的数值方法研究了各种参数对孤立档覆冰四分裂导线舞动的影响规律。考虑子导线尾流效应时覆冰四分裂导线舞动模拟结果表明，考虑子导线尾流对空气动力系数影响时得到的导线舞动幅值明显大于不考虑尾流效应时的幅值。对不同风速、不同冰型、不同覆冰厚度、不同初始凝冰角和不同档距下孤立档覆冰四分裂导线的舞动模拟结果表明，相同参数条件下，覆冰四分裂导线舞动的幅值随风速和冰厚的增大而增大；扇形覆冰四分裂导线的舞动幅值明显大于新月型覆冰四分裂导线的舞动幅值；当风攻角位于升力曲线的负斜率区域时，覆冰导线会发生舞动，但由于初始攻角的不同，舞动的振幅和运动轨迹有较大的差别；随着档距增大，覆冰导线的舞动幅值也随之增大，舞动模式更加复杂，且档距越大越易于发生舞动。此外，采用数值方法模拟研究了随机风场中覆冰四分裂导线的舞动特性，结果表明，一定档距范围内，考虑风场的随机性获得的孤立档覆冰导线的舞动特性与稳定风场中获得的特性基本一致。
　　 针对不同档距和不同档数的四分裂导线线路段，分别模拟研究了在稳定风场与随机风场中连续档覆冰四分裂导线的舞动现象。结果表明，连续档覆冰四分裂导线的舞动模式与孤立档存在明显差异；连续档覆冰四分裂导线在随机风场中的舞动模式比稳定风场中的更加复杂，特别是在大档距情况下考虑风的随机性是十分必要的。
　　 基于覆冰分裂导线的舞动特征，提出一种新型分裂导线防舞器，该防舞器具有质量轻、制造简单、成本低、防风雪等优点。研究了该新型防舞器的防舞机理，并给出其参数优化设计准则，即在一定的配重质量下，应减小弹簧质量系统的阻尼比并使弹簧质量系统的固有频率尽量接近导线的舞动频率。建立了该新型防舞器的数值模型，研究了模拟安装防舞器后覆冰四分裂导线动力响应过程的方法。讨论了根据覆冰四分裂导线舞动模式和响应特性设计防舞器安装位置和参数的方法。分别数值模拟研究了稳定风场与随机风场中防舞器对孤立档与连续档覆冰四分裂导线舞动的抑制过程。结果表明，只要合理设计防舞器的安装位置和参数，该新型防舞器能够达到很好的防舞效果，该防舞器具有开发价值和工程应用前景。