输电导线风偏精细化分析和等效静力风荷载研究

摘要

风偏指的是架空输电导线以及悬垂绝缘子串在风荷载作用下偏离竖直位置的现象。过于严重的风偏会引起闪络跳闸，导致线路停运，严重影响电网的正常、安全运行。输电线路设计风荷载计算方法、风偏计算方法不够合理是造成我国近年来风偏跳闸事故频发的重要原因之一。在电力系统加快推进特高压输电线路建设的大背景下，改进导线风偏响应和设计风荷载的计算方法，对保障我国电网的正常、安全、稳定运行有着重要意义。本文的主要研究内容如下:
　　1.风偏条件下输电导线的气动阻尼特性分析:考虑导线和风在水平向和竖向的相对运动以及风荷载作用下导线动力特性的变化，推导平均风偏条件下导线的广义气动阻尼矩阵计算式。结合算例，计算不同平均风速条件下导线的气动阻尼，重点研究导线气动阻尼的非比例性以及气动阻尼比随平均风速的变化规律，并与以往方法的计算结果进行对比。
　　2.输电导线动态风偏的频域计算方法和响应特性分析:在对气动阻尼计算方法进行改进的基础上，考虑导线的几何非线性，以其在平均风偏状态下的静力平衡构型和刚度作为计算初始条件，采用频域法计算导线的脉动风偏位移。通过时域法和频域法计算结果对比，验证频域计算方法的有效性。结合非线性静力分析方法和频域计算方法，计算不同基本风速工况下导线风偏平均响应和脉动响应，从各阶模态贡献、导线风偏响应谱特征以及脉动风偏响应占风偏总响应的比例等方面对导线脉动风偏响应特性进行分析。
　　3.结构参数变化对特高压输电线路风偏的影响:以曾发生风偏跳闸故障的某1000kV特高压交流试验示范工程线路为例，建立导线-绝缘子串精细化模型，结合非线性静力计算方法和频域计算方法，研究计算跨数、档距、支座高差、张力等因素对悬垂绝缘子串静、动力风偏响应特性的影响。从单摆模型的角度分析悬垂绝缘子串静力风偏响应随线路结构参数的变化规律，定性地验证单摆模型的合理性。通过与连续多跨有限元模型计算结果的对比，从原理上分析单摆模型计算误差的来源，并给出修正建议。
　　4.典型覆冰导线的风偏响应分析:以圆形、D形和新月形等三种典型截面覆冰导线为对象，研究覆冰导线的风偏响应特性。通过动力特性、气动阻尼以及静、动力风偏位移响应等方面的对比，研究覆冰厚度变化对圆截面覆冰导线风偏的影响。采用静力方法计算典型非圆截面覆冰导线的平均风偏位移，定性地分析非圆截面覆冰对导线风偏响应的不利影响。
　　5.多跨导线的等效静力风荷载及风荷载调整系数计算方法:采用准静力方法计算导线的脉动风致响应，考虑平均响应和背景响应的组合，分别采用荷载-响应相关法、阵风荷载包络线法和多目标等效方法计算其等效静力风荷载。以某1000kV特高压输电线路为例，计算对应于不同等效目标的等效静力风荷载。从等效静力风荷载的角度重新定义导线的风荷载调整系数，研究风荷载调整系数随导线档距、悬挂高度、地面粗糙度、基本风速等参数的变化规律，并与我国规范取值进行对比。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 输电导线的气动阻尼效应及风致动力响应计算

1．2．2 导线风偏计算方法及影响因素分析

1．2．3 输电导线风荷载计算方法

1．2．4 覆冰导线气动力及风偏分析

1．3 全文安排

第二章 风偏条件下输电导线的气动阻尼特性分析

2．1 输电导线风致响应的两阶段计算方法

2．2 导线与风的耦合作用

2．3 模态气动阻尼

2．4 计算实例

2．4．1 计算模型及工况

2．4．2 单跨导线计算结果与讨论

2．4．3 三跨导线计算结果与讨论

2．4．4 与以往计算方法的对比

2．5 结论

第三章 输电导线动态风偏的频域计算方法和响应特性分析

3．1 输电导线动态风偏分析方法

3．2 频域计算方法有效性验证

3．2．1 概况

3．2．2 单跨导线计算结果

3．2．3 三跨导线计算结果

3．3 输电导线脉动风偏响应特性分析

3．3．1 各阶模态对风偏脉动响应的贡献

3．3．2 导线风偏响应的频域特性

3．3．3 导线风偏响应的脉动度

3．4 结论

第四章 结构参数变化对特高压输电线路风偏的影响

4．1 特高压输电线路概况及模型建立

4．2 计算跨数对风偏响应计算结果的影响

4．2．1 工况设置

4．2．2 平均风偏响应对比

4．2．3 脉动风偏响应对比

4．2．4 与单摆模型计算结果的对比

4．3 线路结构参数变化对悬垂绝缘子串风偏响应的影响

4．3．1 档距

4．3．2 支座高差

4．3．3 导线张力

4．3．4 小结

4．4 基于修正的单摆模型的悬垂绝缘子串平均风偏角简化计算方法

4．5 结论

第五章 典型覆冰导线的风偏响应分析

5．1 圆截面覆冰导线的风偏响应特性

5．1．1 概况

5．1．2 计算结果与讨论

5．2 典型非圆截面覆冰导线的气动力和风偏响应分析

5．2．1 气动力特性风洞试验

5．2．2 风偏响应计算

5．3 结论

第六章 多跨导线的等效静力风荷载及风荷载调整系数计算方法

6．1 导线风致响应的准静力计算方法

6．2 等效静力风荷载理论

6．2．1 单目标等效静力风荷载

6．2．2 多目标等效静力风荷载

6．3 输电导线的风荷载调整系数

6．4 算例与讨论

6．4．1 以导线水平位移为等效目标的等效静力风荷载

6．4．2 以支座反力为等效目标的等效静力风荷载

6．4．3 风荷载调整系数

6．5 风荷载调整系数的影响因素分析

6．5．1 工况设置

6．5．2 计算结果与讨论

6．6 结论

第七章 结论与展望

7．1 本文创新点

7．2 本文工作总结

7．2．1 风偏条件下输电导线的气动阻尼特性分析

7．2．2 输电导线动态风偏的频域计算方法和响应特性分析

7．2．3 结构参数变化对特高压输电线路风偏的影响

7．2．4 典型覆冰导线的风偏响应分析

7．2．5 多跨导线的等效静力风荷载及风荷载调整系数计算方法

7．3 进一步研究展望

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间的科研成果