覆冰输电线路分裂导线舞动的建模与数值模拟

针对以往在覆冰分裂导线舞动的理论模型中缺少对分裂导线扭转刚度进行分析的问题,提出了一种改进的舞动分析模型.将分裂导线等效为单导线,在现有的对单导线舞动建模研究的基础上,采用假设模态法,利用Hamilton变分原理建立了覆冰导线在垂直、水平和扭转方向的动力学模型.考虑到分裂导线和单导线在扭转刚度上的不同,引入了一种分裂导线扭转刚度的计算方法,推导出分裂导线固有频率的计算公式,并将它们应用到所建模型中,使模型能够分析覆冰分裂导线的舞动,用经典Runge-Kutta法对模型进行求解,从而实现了对覆冰分裂导线的数值模拟.以中山口大跨越分裂导线舞动作为实例,由所建立的模型得到的数值模拟结果与实际观测值基本一致,从而验证了模型和数值模拟方法的准确性.     

覆冰导线舞动数值仿真分析

利用ABAQUS有限元分析软件,通过欧拉梁单元的自由度释放和设置材料为不可压缩,模拟得到具有扭转自由度的覆冰导线的索单元,进一步利用用户自定义单元模拟覆冰导线所受的阻力、升力和扭矩空气动力载荷,分析了覆冰导线的舞动现象,并通过覆冰单导线与覆冰双分裂导线舞动模拟算例验证了方法的正确性。模拟研究了覆冰初始攻角、线路档距和导线初始张力等因素对覆冰导线舞动的影响规律。所得结果对覆冰导线舞动和防舞技术的研究具有一定的参考价值。     

基于曲梁理论的覆冰分裂导线舞动非线性动力分析

基于空间曲梁理论的应变-位移关系，建立了具有三个平动自由度和一个转角自由度的覆冰分裂导线舞动分析混合模型. 考虑覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性，利用虚功原理建立覆冰分裂导线的非线性动力学方程. 采用振型叠加法将方程变换到振型空间中，并使用时间积分算法求解. 然后通过数值计算对单元无关性进行了检验，分析单元数量对覆冰导线前六阶频率的影响；此外研究了模态收敛性，分析模态截断对舞动响应的影响；最后分析了气动力对结构频率的影响. 研究结果表明，气动力对分裂导线的扭转频率有较大的影响，这准确地反映了输电线路的动态特性；另外，覆冰分裂导线混合模型用于输电线的舞动分析时具有可靠的精度，说明该混合模型可以预测输电线路的实际舞动响应，便于后续控制设计的实施.     

覆冰四分裂导线舞动数值模拟方法

 覆冰四分裂导线舞动问题严重威胁超高压线路的安全运行,研究舞动理论可有效推动防舞技术的发展。采用具有3 个平动自由度和1 个扭转自由度的两节点索单元模拟分裂导线各子导线,利用空间梁单元模拟间隔棒,建立可考虑子导线尾流效应的舞动分析有限元模型。采用对加速度中心差分、速度向后差分的时间积分法对舞动进行非线性数值求解,利用Matlab 编制相应的计算程序,运用该方法对典型算例的舞动进行数值模拟。通过数值模拟分析比较了考虑子导线尾流影响和不考虑子导线尾流影响情况下导线的舞动。结果表明：该方法可有效模拟覆冰四分裂导线的舞动特性,编写的求解程序具有较高的计算精度和效率,可为舞动防治技术的研究提供参考。     

架空输电线路分裂导线扭转刚度计算新方法

针对以往在架空输电线路分裂导线扭转刚度研究中存在计算误差较大的问题,提出了一种计算分裂导线扭转刚度的新方法.首先通过分析分裂导线扭转运动所引起的子导线长度变化,推导了子导线在扭转时的实际张力计算公式;然后针对一个档距的任意分裂导线进行力学分析,除了考虑到以往研究中所涉及的一些影响因素之外,还特别考虑了线路弧垂和线路两端高度差的影响,最终导出了分裂导线扭转刚度的一般计算公式.所推导的计算公式较清楚地描述了各种参数对扭转刚度的影响规律,并且通过确定这些参数能够直接计算得到扭转刚度数值.通过与实测值的比较表明,对于不同的分裂数、档距长度等参数的分裂导线,其扭转刚度计算结果均有较高的精度,证明了该计算公式的有效性和适应性.本研究为进一步分析和防治架空输电线路分裂导线舞动提供了新的手段.     

架空输电线舞动的临界风速研究

结合舞动自身特性,研究了输电导线舞动的单自由度模型,给出了建立单自由度模型的一般方法,采用精确的相对风速表达式研究了舞动的单自由度模型,推导了起舞的临界风速解析表达式,分析了影响舞动临界风速的因素.结果表明:影响临界风速的因素有单位长度上覆冰导线的质量、阻尼、初始攻角、气动力系数、空气的密度以及覆冰导线的有效受风长度,其中空气密度是常量,为预防和抑制导线舞动提供参考.     

覆冰单导线舞动非线性数值模拟

为研究覆冰导线的舞动响应,针对覆冰导线所受空气动力的非线性和导线大幅运动的几何非线性,采用具有3个平动自由度和1个扭转自由度的两节点索单元,建立了考虑空气动力荷载与位移和速度耦合的舞动分析有限元模型。采用对加速度中心差分、对速度向后差分的时间积分法对舞动进行非线性数值求解。利用MATLAB编制了相应的计算程序。通过对算例的舞动数值模拟验证了该方法与程序的正确性;且具有较高的计算精度及效率;并利用该方法研究了风速对舞动的影响。研究结果表明在初始攻角不变的情况下,随着风速增大,导线的振幅不断增大;但导线竖向振幅增幅较大,水平向振幅增加较小;当风速增大到一定程度,竖向振幅增加开始变得不明显,振幅最终趋于稳定值。     

多模态耦合的覆冰导线风致舞动分析

深入研究覆冰导线在风致作用下发生的舞动具有重要意义.覆冰输电导线是一个三维连续体,存在面内-面外-扭转多阶模态耦合,因此详细分析覆冰导线发生舞动时各阶模态在耦合作用下的舞动特性是有必要的.本文提出覆冰导线面内-面外-扭转多阶模态耦合的非线性动力分析模型,通过Lyapunov理论对覆冰导线稳定性进行判断,分析了在稳定风场中不同风速下,覆冰导线各阶模态舞动情况.进一步考虑了覆冰导线所在风场的随机性,为提高脉动风场的模拟效率,采用基于Hermite插值改进Cholesky分解的脉动风场模拟方法,分析脉动风下覆冰导线各阶模态舞动特性,并与稳定风场中覆冰导线各阶模态的振动进行比较.     

覆冰四分裂导线的气动特性与舞动特性

针对覆冰四分裂导线气动特性、舞动特性研究的缺乏,进行了覆冰四分裂导线风洞试验,并系统地研究了覆冰四分裂导线的舞动特性。首先进行了覆冰四分裂导线风洞试验,得到了覆冰四分裂导线的气动力系数,接着采用等效替代法得到了覆冰四分裂导线中心轴处的等效气动力系数,再结合Den-Hartog横向驰振机理分析了覆冰四分裂导线等效气动力系数的稳定区。基于Hamilton原理,推导了二自由度覆冰导线的舞动方程,并求得了气动力系数的三次拟合曲线一般表达式。根据风洞试验得到的气动力系数,系统地研究了覆冰四分裂导线的舞动特性。结果表明:由于尾流效应的存在,相同材料的子导线的气动力系数却存在明显的差异,因此考虑覆冰四分裂导线中某一根子导线的舞动特性并不能反映覆冰四分裂导线整体的舞动特性;覆冰四分裂导线开始振动时主要以z轴方向的位移为主,随后y轴方向的位移慢慢增加,振动稳定后y轴方向的位移远大于z轴方向的位移,点的运动轨迹近视为椭圆。研究结果有助于防舞、抑舞技术的开发。     

导线倾角与覆冰过程扭转因素对覆冰形状特性影响研究

输电导线覆冰严重威胁电网运行安全,准确预测导线覆冰形状和增长趋势,可以有效预防次生灾害的发生.已有输电导线覆冰增长预测模型较少考虑覆冰偏心扭转对导线表面覆冰形状的影响.为此,综合考虑覆冰偏心、风速等对导线的耦合扭转特性,建立输电导线动态扭转覆冰预测模型.基于预测模型对导线表面覆冰形状进行预测模拟并与文献实验数据对比,验证了模型的有效性.利用预测模型,进一步讨论导线倾角及温度、风速和MVD（水滴中值直径）对冰形和扭转速度的影响.研究发现,导线迎风面覆冰厚度随着倾斜角度的增加,分层现象逐渐明显.与水平布置（零倾角）导线对比,倾斜角度为60°时,导线覆冰面积分别增加18.26%（覆冰125 min）、26.30%（覆冰245 min）,扭转角度分别增加10.4°（覆冰125 min）、16.2°（覆冰245 min）,冰形呈“沟壑”状.     

考虑电磁力影响的四分裂导线舞动

导线舞动是输电线路的一种低频、长时间的流固耦合现象。舞动通常会造成线路的严重破坏,特别是在高压多分裂导线架空输电线路,舞动现象会更加复杂。虽然现有研究已经提出了一些简化的导线舞动理论;但输电线路的舞动行为仍然需要进一步分析,这主要取决于线路运行工况的细化分析。采用精细有限元法计算了四分裂导线间的电磁力,得到了一种考虑电磁力影响的四分裂导线舞动数值模拟方法。此外,重点研究了电流强度对典型四分裂输电导线舞动特性的影响,包括舞动轨迹、频率、舞动模式和振幅。同时,进一步分析了在不同档距和风速下,考虑电磁力影响的四分裂输电导线舞动特征。结果表明,电磁力对线路的导线舞动行为有明显的影响。因此,有必要考虑导线舞动过程中的电磁力影响。     

覆冰地区分裂与扩径导线表面电场特性

输电线路覆冰对电力系统安全运行具有严重威胁,目前已经发展了多种防冰除冰方法,但每种方法都有其局限性,对于一些具有微气象、微地形特征的重覆冰地区尚未有较好的解决方法。文中考虑到扩径导线的特点和分裂导线输电线路的局限性,根据波阻抗和自然功率将分裂导线等效为单导线,并考虑电流的集肤效应,得到了等效的单根扩径导线,进而分析比较覆冰地区的分裂导线及其等效的单根扩径导线的表面电场特性。研究表明：等效前后导线截面面积相同且波阻抗一致时,扩径导线与分裂导线相比,不仅显著降低了子导线根数和输电线路的覆冰荷载,而且在扩径导线的半径等于分裂导线的等效单导线半径时,扩径导线的表面最大电场强度小于分裂导线。因此,在严重覆冰地区,采用分裂导线等效半径的扩径导线具有非常好的表面电场特性,且可显著降低冰风荷载,提高抗冰强度。     

准椭圆形覆冰导线气动力特性试验研究

通过刚性节段模型高频天平测力风洞试验,对圆形截面、裸导线截面及6种不同类型的准椭圆形覆冰导线气动力特性进行了研究,讨论了紊流度、风向角、覆冰饱满度、覆冰厚度等因素对导线气动力特性的影响以及准椭圆覆冰导线驰振稳定性的一般规律.结果表明,紊流度的增加使得模型力系数绝对值在一定范围内变小;覆冰形状和风向对导线气动力特性有很大影响;准椭圆形覆冰导线一定风向角范围内存在驰振可能.试验得到的数据和结论可以为这类覆冰导线的风致响应计算及破坏机制的分析提供基础数据.     

一种模拟覆冰双分裂导线舞动的数值方法

给出一种覆冰双分裂导线舞动的数值模拟方法。用Hamilton变分原理建立系统的动力学平衡方程,利用罚函数法引入子导线上间隔棒连接点的运动约束条件。采用Newmark法进行时间积分,Newton-Raphson迭代求解非线性方程,实现对双分裂导线舞动的数值模拟。数值模拟了垂直双分裂和水平双分裂覆冰导线的舞动,验证了方法的正确性。利用该方法能考虑由于迎风侧子导线尾流对背风侧子导线的影响而出现的作用在两子导线上的空气动力载荷不同的情况,为分裂导线舞动的深入研究提供了一种有效的途径。     

结冰分裂导线舞动短路分析

针对结冰分裂导线舞动短路问题,从功能的角度提出了一种分析方法.在正弦模态的假设下,根据功能关系导出了结冰分裂导线舞动振幅经历一个周期增量的表达式,由此导出了结冰分裂导线舞动短路判据.舞动振幅增量的表达式说明了作用在结冰分裂导线上的气动力的线性项与非线性项在舞动振幅不同阶段的作用.结果显示:当振幅较小时,气动力非线性项对应的功较小,振幅增长较慢;当振幅较大时,气动力非线性项对应的功成为气动力的功的主要部分,振幅增长较快.因此,在舞动短路分析中,必须考虑气动动力非线性.     

覆冰导线驰振时其极限环幅值反馈控制

首先推导了单档覆冰导线面内驰振运动方程,接着进行了风洞试验,得到了导线的三分力气动参数。利用多尺度法分析了导线的极限环,引入线性反馈控制函数、二次非线性反馈控制函数以及三次非线性反馈控制函数对导线驰振时所产生的极限环进行控制,最后通过具体的数值算例进行验证。结果分析表明：线性反馈控制函数与三次非线性控制函数皆能有效的控制导线的幅值,但二次非线性控制函数对导线的幅值不起控制效果。针对具体的覆冰导线,选取合适的反馈控制函数能使得导线发生驰振运动时的幅值大幅降低,能保证工程结构的稳定性和安全性。