輸電塔線體系覆冰舞動現場實測與塔體破壞機理研究

《輸電塔線體系覆冰舞動現場實測與塔體破壞機理研究》是依託浙江大學，由樓文娟擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：輸電塔線體系覆冰舞動現場實測與塔體破壞機理研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：樓文娟
• 項目類別：面上項目

項目摘要

覆冰導線舞動導致輸電塔破壞是一個隨機和充滿不確定性的非線性動力過程，目前還沒有一種較好的數值模擬方法能夠完成覆冰導線舞動導致輸電塔破壞的全過程分析, 並且在有關多檔距舞動性態及其對塔的動力作用效應、塔體破壞機理等關鍵問題上還缺乏系統的科學實測工作和物理試驗研究。本項目基於國內首個舞動真型試驗線路開展多檔距輸電塔線體系覆冰舞動現場實測研究；通過系列風洞試驗，在風洞中再現塔線體系的舞動，研究覆冰分裂導線舞動的力學機制、導線動張力時頻特性以及塔線耦合作用；建立考慮多檔距舞動傳播和塔線耦合作用的舞動計算方法以及導線動張力理論模型；基於機率統計理論，建立塔線體系在覆冰導線舞動下的疲勞壽命和失效模式預測方法; 開發模擬覆冰導線舞動載入裝置，進行舞動導致塔體破壞的大比例模型試驗，揭示輸電塔動力損傷破壞的災變作用機理和失效模式。項目成果可為建立高壓輸電塔線體系抗舞設計理論和方法提供科學依據和技術支撐。

結題摘要

舞動是導線覆冰後在風荷載作用下產生的自激振動，對線路危害極大。本項目採用現場實測、理論分析、風洞試驗和大比例子結構舞動破壞試驗等多種手段對覆冰導線舞動特性以及導致輸電塔破壞的作用機理展開全面研究。現場實測方面，通過在試驗線路上安裝人工覆冰，實現了真型覆冰線路在自然風荷載作用下的起舞，結合單目、紅外夜視儀測試技術和瞬時風信號採集技術構建了一套完整的覆冰導線舞動監測體系。理論分析方面，首次推導了基於矩陣攝動法的三自由度體系舞動特徵值一階攝動解析表達，提出了六類不同作用的氣動力類型，可有效研究舞動機理；建立了考慮豎直向、水平向和扭轉向三維非線性耦合效應的連續體覆冰分裂導線舞動方程，並根據Galerkin積分和Routh-Hurwitz穩定性判據準則標識系統在參數空間中的穩定域和非穩定域，在此基礎上，創新地基於規範形理論求解了以風速、初始風攻角以及豎向阻尼比為分岔參數的擴張系統Hopf分岔規範性，研究了雙參數同時變化對導線舞動回響的影響。基於完全拉格朗日格式，分別建立了單導線、分裂導線及塔線耦合體系非線性有限元模型，研究了不同流場下絕緣子串、導線的動張力變化規律及風場湍流對舞動的影響機制。風洞試驗方面，設計了能分別測量分裂導線各子導線氣動力參數測力試驗的裝置，並就新月形、D形覆冰單導線和二、四、六、八分裂導線開展了導線氣動力參數風洞試驗，系統全面地研究了湍流度、導線分裂數、覆冰初凝角、覆冰形狀及其厚度等因素對導線氣動力特徵參數的影響；創新研製開發了風洞內支架式三自由度頻率可調的彈簧懸掛裝置，針對D形覆冰六分裂、八分裂導線節段氣彈模型舞動風洞試驗，研究了導線舞動特性、氣動阻尼與其氣動特性、自振特性及風速之間的關係；基於特徵值攝動法提出了覆冰分裂導線三自由度耦合的舞動穩定性判斷條件式，解釋了無法用Den Hartog或Nigol單自由度穩定性判斷條件式說明的舞動現象。舞動破壞試驗方面，以冰災中橫擔嚴重破壞的轉角耐張塔為研究對象，設計製作了彈性邊界條件下的大比例輸電塔節段模型和能夠模擬不同覆冰參數的導線模型，研製了頻率、振幅可調的舞動試驗載入裝置，分別進行了重覆冰靜力載入和舞動動力載入試驗。結合舞動破壞試驗在試驗室條件下進行了覆冰塔線體系舞動事故的反演，並預測了輸電塔構件在導線舞動作用下的疲勞壽命，在此基礎上考察了舞動作用下桿塔破壞演變機理。