大跨越特高强度输电线微风振动与疲劳寿命影响因素研究

摘要

大跨越特高强度输电线是目前我国电力输送的重要载体，具有输送容量大、输送距离远的特点。在风雨动力荷载作用下，大跨越特高强度输电线极易发生振动。根据振动的频率和振幅的大小，可以分为高频低幅的微风振动、中频中幅的次档距振动、低频高幅的舞动，其中以微风振动最为常见。输电线微风振动会导致输电线线夹附近线股的疲劳断裂和防振金具的损伤和脱落，造成经济损失。因此大跨越特高强度输电线微风振动问题和输电线疲劳问题成为输电线工程的热点问题。
　　本文选用近年来在大跨越输电线路上使用率逐渐增加的特高强度钢芯铝绞线(AACSR/EST-640/290)为研究对象。以能量平衡法为基础，利用 MATLAB和 Miner线性累积损伤理论来分析大跨越特高强度输电线的微风振动和疲劳寿命的影响因素。主要研究内容如下：
　　⑴对经典的Slethei风能输入曲线和Diana&Falco风能输入曲线进行对比分析，结合国内外的实际使用情况，选取Slethei风能输入曲线作为本文的风能输入曲线；对比分析输电线自阻尼的测试和理论表达式，择优选取能够考虑输电线张力、频率、振幅等影响因素的M.L.Lu输电线自阻尼理论表达式来计算输电线自阻尼；根据波的能量原理推导出能够考虑安装位置的防振锤耗能表达式；根据摄动法求解阻尼线的初始形态，利用近、远场消耗原理，推导阻尼线的耗能表达式。结合能量平衡原理建立输电线系统的能量平衡方程。
　　⑵研究了大跨越特高强度输电线微风振动特性。以1000m档距AACSR/EST-640/290型输电线工程为例，利用能量平衡方程求得的波腹处最大振幅来估算悬挂点动弯应变。通过改变能量平衡方程中张力、地形、防振锤、阻尼线等参数，利用MATLAB绘制出对应的幅频曲线和动弯应变曲线，分析各因素对大跨越特高强度输电线微风振动的影响。分析表明平坦开阔的地形下的输电线微风振动强度最大；大跨越特高强度的输电线的运行张力建议为15％~25%UTS；不考虑输电线的抗弯刚度时，输电线的微风振动强度计算结果偏于保守；档距对裸导线的微风振动影响可以忽略不计，但是对于安装等量防振锤的导线，档距越大输电线振动强度越大；防振锤的安装个数和安装位置对大跨越输电线的微风振动强度影响较大，对于1000m档距的大跨越输电线，建议防振锤个数为4个；阻尼线的长度在1000m的档距下建议不超过12m，且应该采取单花边长度逐渐减小的方式进行安装。根据各影响因素的分析结果，结合风速概率分布，针对该大跨越实例，给出新的建议性的防振方案，该防振方案在防振锤的安装个数、位置和阻尼线的安装长度方面都与我国的相关规定有较大的出入，新的防振方案经济性更好。
　　⑶基于Miner线性损伤累积理论，结合风速、风向联合概率分布，推导输电线微风振动疲劳寿命。以疲劳寿命为评价指标，研究了各个影响因素的敏感性，得出输电线的张力、地形和防振锤对输电线疲劳寿命的影响敏感性较高以及存在最佳抗弯刚度的结论，为大跨越输电线路的防振设计控制因素的选择提供理论基础。
　　本文的成果能够为大跨越特高强度输电线微风振动机理的分析和防振方案设计提供理论参考，为减少大跨越特高强度输电线微风振动危害提供更有效的解决之道。

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引言

1 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究目的及意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 大跨越特高强度输电线微风振动模型研究

2.1 概述

2.2 输电线系统物理模型的建立

2.3 风的输入功率

2.4 输电线自阻尼功率

2.5 防振锤耗能功率

2.6 阻尼线耗能功率

2.7 能量平衡方程的建立

2.8 本章小结

3 基于能量平衡法的大跨越输电线微风振动影响因素分析

3.1 工程概况

3.2 裸导线的微风振动分析

3.3 输电线-防振锤体系微风振动分析

3.4 输电线-阻尼线体系微风振动分析

3.5 输电线-防振锤-阻尼线体系微风振动分析

3.6 本章小结

4 输电线疲劳寿命估计及影响因素分析

4.1 风速、风向概率分布

4.2 Miner疲劳损伤理论与寿命估计

4.3 Miner疲劳损伤理论下的疲劳寿命影响因素分析

4.4 本章小结

5结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

后记

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著