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(机械电子工程专业论文)酒杯塔塔线耦合体系覆冰导线舞动分析.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n j i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e a n a l y s i s f o rg a l l o p i n go fi c e d co n d u c t o ro nc u p t y p e t o w e r - l i n e c o u p l i n gs y s t e m b y w a n g l e i s u p e r v i s o r s h u y i n gh a o j a n u a r y 2 0 1 3 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得叁盗墨墨盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:2 舞签字日期:汐肛年3 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解叁盗墨兰盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权叁盗墨兰太望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编,以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名:王磊签字日期:如b 年3 月5 日导师签名:啼| 投袭签字日期:功f 3 年;月 摘要输电导线表面覆冰后横截面的形状将不再是圆形,此时在风载荷的作用下输电导线将会发生舞动现象,舞动是一种低频率大振幅的自激振动,会对电力系统造成严重危害。本文利用a n s y s 有限元软件建立输电塔、绝缘子和输电导线的有限元模型,基于塔线耦合体系模型对输电导线的舞动过程进行模拟仿真,研究不同档距、不同风速下输电塔各相导线的舞动规律以及输电塔在导线舞动过程中的动力响应情况,为防舞问题的研究和实际工程应用提供理论依据。利用a n s y s 有限元软件建立酒杯塔塔线耦合体系有限元模型,分别对输电塔模型及塔线耦合体系模型进行模态分析,探究其动力特性,为后文的覆冰导线舞动分析打下基础,对空气动力载荷做了详细说明,并通过算例验证了本文有限元程序的正确性。采用有限元分析的方法模拟覆冰导线的舞动过程,结合m a t l a b 软件对导线的舞动成分进行频谱分析,研究了不同档距、不同风速下输电塔各相导线的舞动频率、舞动形态及舞动幅值情况,对防舞问题的研究具有指导意义。研究在导线舞动过程中输电塔的应力状态变化及受力变形情况,发现在导线舞动过程中输电塔的应力值会大幅增加,有可能引起输电塔杆件屈服失效,输电塔的持续往复变形可能造成杆件疲劳失效,最终导致倒塔事故,研究结果说明了覆冰导线舞动对输电塔的破坏方式。关键词:塔线耦合体系覆冰导线舞动非线性振动输电塔受力变形 a b s t r a c tt h ei c e d t r a n s m i s s i o nl i n e sa r eo f t e ni ng a l l o p i n gu n d e rt h ee x c i t a t i o no ft h ew i n dl o a d g a l l o p i n gi sf lk i n do fv i b r a t i o nw i t hl o wf r e q u e n c ya n dl a r g ea m p l i t u d e ,w h i c hc a nd a m a g et h ep o w e rs y s t e ms e r i o u s l y i nt h i sp a p e rt h et o w e r - l i n ec o u p l i n gs y s t e mf i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e da n dt h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h e dw a su s e dt os t u d yt h eg a l l o p i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft r a n s m i s s i o nl i n e sa n dt h ei n f l u e n c e so nf o r c ea n dd e f o r m a t i o no fc u pt y p et o w e rf o rg a l l o p i n go ft r a n s m i s s i o nl i n e s ,w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r o b l e mo fp r e v e n t i n gg a l l o p i n ga n da c t u a lp r o j e c t c u pt y p et o w e r l i n ec o u p l i n gs y s t e mf i n i t em o d e lw a se s t a b l i s h e di na n s y s ,a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cw a ss t u d i e db ym o d a la n a l y s i so nt r a n s m i s s i o nt o w e ra n dt o w e r l i n ec o u p l i n gs y s t e m ,w h i c hl a y st h ef o u n d a t i o nf o rg a l l o p i n ga n a l y s i so fi c e dt r a n s m i s s i o nl i n e s t h em e t h o do ff i n i t ee l e m e n tw a su s e dt oa n a l y z et h eg a l l o p i n go fi c e dt r a n s m i s s i o nl i n e sa n ds p e c t r u ma n a l y s i sw a sd o n et os t u d yt h eg a l l o p i n gl a w , t h eg a l l o p i n gs h a p ea n dt h eg a l l o p i n ga m p l i t u d eo fe a c hp h a s et r a n s m i s s i o nl i n e so fd i f f e r e n ts p a nw i t hd i f f e r e n tw i n ds p e e d ,w h i c hi sm e a n i n g f u lf o rt h ep r o b l e mo fp r e v e n tg a l l o p i n g t h es t r e s s ,f o r c ea n dd e f o r m a t i o no ft h et r a n s m i s s i o nt o w e rw e r es t u d i e di nt h ep r o c e s so ft r a n s m i s s i o n 。l i n e sg a l l o p i n g ,f i n d i n gt h es t r e s sv a l u ei n c r e a s es i g n i f i c a n t l y ,w h i c hm a yc a u s et h et o w e ry i e l df a i l u r e 。t h el o n gt i m er e c i p r o c a t i n gm o t i o no ft h et r a n s m i s s i o nt o w e rm a yc a u s et h ef a t i g u ef a i l u r ea n de v e nt h et r a n s m i s s i o nt o w e rc o l l a p s e t h er e s u l te x p l a i n st h ed a m a g em o d e st h a tt r a n s m i s s i o nl i n e sg a l l o p i n gt ot r a n s m i s s i o nt o w e r k e yw o r d s :t o w e r - l i n ec o u p l i n gs y s t e m ,i c e da n dd e f o r m a t i o no ft r a n s m i s s i o nt o w e rc o n d u c t o rg a l l o p i n g ,n o n l i n e a rv i b r a t i o n ,f o r c e 目录第一章绪论11 1 研究背景及意义11 2 国内外研究现状21 2 1 导线舞动机理及实验的研究21 2 2 防舞问题的研究31 2 3 导线舞动对输电塔的影响研究31 2 4 国内外研究存在的问题:31 3 本文研究内容及创新点41 3 1 研究内容41 3 2 创新点4第二章塔线耦合体系有限元建模及动力特性分析62 1 有限元分析方法62 1 1 模态分析62 1 2 瞬态动力学分析62 2 塔线耦合体系有限元建模72 2 1 输电塔有限元模型72 2 2 导线有限元模型82 2 3 绝缘子有限元模型92 3 输电塔动力特性分析92 4 塔线耦合体系动力特性分析】l2 5 气动载荷分析1 42 5 1 算例1 ,1 52 5 2 算例2 t ,1 62 6 本章小节1 6第三章塔线耦合体系下覆冰导线舞动分析1 83 1 档距1 0 0 m 时导线舞动分析1 83 1 1 风速1 4 m s 时导线舞动分析1 83 1 2 风速1 6 m s 时导线舞动分析2 03 1 3 风速1 8 m s 时导线舞动分析2 33 2 档距2 0 0 m 时导线舞动分析:2 81 3 2 1 风速1 4 m s 时导线舞动分析2 83 2 2 风速1 8 m s 时导线舞动分析3 03 2 3 风速2 0 m s 时导线舞动分析3 33 3 档距4 0 0 m 时导线舞动分析,3 73 3 1 风速1 4 m s 时导线舞动分析3 73 3 2 风速1 8 m s 时导线舞动分析3 93 3 3 风速2 0 m s 时导线舞动分析4 23 4 本章小节4 6第四章塔线耦合体系下酒杯塔力学特性分析4 74 1 塔线耦合体系静力极限覆冰分析4 74 2 导线舞动过程中输电塔应力分析4 94 3 导线舞动过程中输电塔受力变形分析5 14 ,3 。l 档距l o o m 时输电塔受力变形。5 24 3 2 档距2 0 0 m 时输电塔受力变形5 64 3 3 档距4 0 0 m 时输电塔受力变形6 04 4 本章小节6 4第五章总结与展望6 55 1 全文总结,6 55 2 问题与展望:6 6参考文献6 7发表论文和科研情况说明7 0致谢7 1 第一章绪论1 1 研究背景及意义第一章绪论覆冰输电导线的舞动问题,是指非圆形截面的覆冰导线在风载荷的激励下,发生的一种低频率、大幅值的自激振动,其会对电力系统造成严重的危害。覆冰导线的舞动机理与如何防止导线舞动的发生一直是国内外专家研究的课题之一,早在2 0 世纪3 0 年代,美国就发现了导线在覆冰后会发生舞动的情况,我国从2 0 世纪5 0 年代开始对导线的舞动情况进行观测和记录,从1 9 5 7 年至今,我国输电线路发生舞动次数超过8 0 次,其中内蒙、荆门、湖南等地均发生过导线舞动事件1 2 - 5 1 其中影响范围最大和影响程度最深的一次为2 0 0 8 年南方冰灾。2 0 0 8 年1 月开始,我国华东及华中的很多地区遭受了大范围长时间的冰冻天气,导致浙江、湖北、安徽等多地的电网发生了断线、倒塔等事故,图1 _ 1 为倒塌的输电塔,由此造成的经济损失多达1 0 0 亿元,灾后重新建设和改造所需的费用资金更是多达3 9 0 亿元。在这些事故中,其中有很多是由于覆冰导线长时间大幅值的舞动所引起,导线的舞动会使输电塔承受很大的往复拉、压和扭力,长时间后会造成输电塔螺栓松动、一些杆件疲劳失效,同时导线大幅值的舞动也会使导线对输电塔作用的张力增大,可能会使输电塔的杆件发生屈服失效1 6 j ,在这场冰灾中,由于杆塔倒塌和输电线路的破坏,使l1 亿人口的电力供应被中断,对人民的正常生活及安全产生了极大危害。因此,对导线舞动机理的研究以及对防舞抑舞问题的研宄是十分必要的。对保证输电塔线体系的安全可靠运行以及人民群众的生命及财产安全具有重要意义。图卜l 输电塔倒塌图 第一章绪论1 2 国内外研究现状1 2 1 导线舞动机理及实验的研究美国的d e nh a r t o g 在1 9 3 2 年发表了著名的邓哈托舞动机理,他认为,覆冰导线之所以发生舞动是因为其覆冰后所受气动力的不稳定性。该理论的数学表达式为:a c l a a + c d 卜。,一一一一一二f尸_ _ 曩_ _ 裹产。葛_ 胃尸_ _ _ 曩f _ o 曩孽i “h # - _ 焉( f ) 中相面内( g ) 中相面外图3 2 5 档距4 0 0 m 风速1 8 m s 时各相导线主要形态通过图3 2 5 可以发现,中相导线和右相导线在舞动过程中面内和面外的形态均为2个半波,所以中相导线和右相导线在舞动时面内和面外的最大幅值应出现在左右两跨中点处。左相导线在舞动过程中的面内形态为2 个半波,面外的主要形态为1 个半波和2个半波,所阻左相导线在舞动时面内的最大幅值应出现在左右两跨中点处,面外的最大幅值时应出现在导线两跨的中点处或连接两跨导线的绝缘子处。时程曲线如图3 2 6 所示。燃;龋;a ) 左相左跨中点面内b ) 左相绝缘予处埘外 第三章塔线耦合体系下覆冰导线舞动分析s i 【d ) ,椭阜跨c i - 点e “】内( e ) 右相 跨中“l 自1 外01 0 02 0 0 。:幽中相置跨中点而内图3 2 6 档距4 0 0 m 风速1 8 m s 时各相导线时程曲线3 3 3 风速2 0 m s 时导线舞动分析通过非线性动力学分析,发现左右两相导线具有相同的舞动规律所以下文只取左相导线及中相导线进行分析研究,导线的频谱图和相图如图3 2 7 所示。j 厕洲嘲;瓣m m 黼1e | ( a ) 左相面内频谱( b ) 左相面外频谱( c ) 左相扭转频谱 第2 章塔线耦舍体系下覆冰导线舞动分析,。、f 。;i 。,。tyc m ld ) 左相面内相圈,厂:、ff、l 。j上:一,e ) 左相面外相囤胛9嵴“f 酱j。一。巡,? 互夕0 ( f ) 左相扭转相图s 蹶;搠;睡;e | i | ( g ) 中相面内频谱( h ) 中相面外频谱( i ) 中相扭转频谱厂。、m s。二,i mjo ( _ 10 【i )j ) 中相而内相图( k ) 中相面外相图( 1 ) 中相扭转相图图3 2 7 档距4 0 0 m 风速2 0 m s 时各相导线的频谱图和相图通过频谱分析和相图可发现当风速为2 0 r n s 时中相导线在面内、面外及扭转方向都只有一个频率成分,所以其在舞动过程中对应的形态只有一个。而左相导线在面内方向有一个频率成分,在面外及扭转方向则主要有两个频率成分所以左相导线在舞动过程中面内对应的形态有一个,面外对应的形态主要有两个,如图3 2 8 所示。ol l m k 一i ,1 l ,( a ) 左相面内( b ) 左相面外一阶蠡”k= 搿:zrf 第三章塔线耦合体系下覆冰导线舞动分析:- _ _ 一h 一,p _ _ 。p - _ 暴严可产- 鼍嚣( d ) 中相面内( e ) 中相面外图3 2 8 档距4 0 0 m 风速2 0 m s 时备相导线主要形态通过图3 2 8 可以发现,左相导线在舞动过程中的面内形态为2 个半波,面外的主要形态为1 个半波和2 个半波所以左相导线在舞动时面内的最大幅值应出现在左右两跨中点处,面外的最大幅值时应出现在导线两跨的中点处或连接两跨导线的绝缘子处。中相导线在舞动过程中面内和面外的形态均为2 个半波,所以中相导线在舞动时面内和面外的最大幅值应出现在左右两跨中点处。时程曲线如图3 2 9 所示。nmna ) 左栩左跨中点而内( b ) 左相绝缘子处面外( c ) 左相左跨中点面外们堆蹄- ” 衙内f o ) 巾相赶跨巾点面外阁:l _ 2 9 梢距4 0 0 mj 札建2 0 m s 时备柑导线时程蛐线i 眦雌唧葡川獬一m一i i 删啊岬i m“。一州i j j 眦哪啊啪j j ? 五一。一一。-删一 帮。二章塔线耦合体系f 韫冰导线舞动分析表33 档距4 0 0 m 时备相导线在不同风速下的舞动形态和幅值固有频率( h z ) 及模态备相导线在不同风速下的舞动形态、频率( h z ) 和幅值( m )左右相中相风速1 4 m s风速1 6 m s风速1 8 m su oo2 0q 一左相02 8在相02 6左相02 8j02 0面日了o2 9册o2 9右相02 8右相02 6右相02 8内q 护。帮。中相02 8中相02 6中相02 8守q 如。左相一02 8左相0 1 4左相0 1 5厂、口0o2 0o 一0 1 0右相02 802 8面0 2 0七。外。护o3 0哦。中相02 8右相一02 6右相0 】5中相一02 6o2 8q 南。咐。中相o2 8左相03 0左相0 1 7左相0 1 5扭。喝。右相一03 0转( 刁0 2 5口刁o2 5中相一03 0右相一03 0右相0 1 5中相03 0中相一02 8左右相左右跨中左右相左右跨中左右相左右跨中面内幅值点1 4 l( m )中相左右跨中点中相左右跨中点中相左右跨中点左右相左右跨中左相左右跨中点左右相左右跨中面外幅值点5 l点1 40( m )左右_ f l | 绝缘于处左相绝缘于处左右相绝缘于处中相左右跨中点右相左右跨中点中相左右跨中点右相绝缘子处中相左台跨中点 第三章塔线耦合体系下覆冰导线舞动分析表3 - 3 为档距4 0 0 m 时各相导线在不同风速下的舞动形态和幅值,可以看出随着风速的增大,各相导线的舞动幅值随之增大。中相导线的面内、面外形态和左右两相导线的面内形态均不随风速的增大而改变,始终为2 个半波,相对应的最大幅值均出现在左右两跨中点处。而左右两相导线的面外形态随风速的增大发生改变,当风速1 4 m s 时,左右相导线的面外形态相同,为两个半波;当风速增大到1 8 m s 时,左相导线的面外形态为1 个半波和2 个半波相结合,而右相导线的面外形态还是2 个半波,此时左相导线在1 个半波和2 个半波形态的叠加下,其两跨中点的面外幅值和绝缘子处的面外幅值都明显大于右相导线和中相导线;当风速增大到2 0 r n s 时,发现左右两相导线的面外形态都变为1 个半波和2 个半波相结合,其面外的最大幅值出现在左右两跨的中点处,且大于中相导线面外的最大幅值。从表3 3 中可以看出,与档距l o o m 和2 0 0 m 情况相同,输电导线面外的舞动出现了两个同相半波的波形,当风速为1 4 r n s 和1 6 m s 时,各相导线的面内、面外舞动相同波形的频率相同,但略小于各相导线的扭转频率,当风速增大到1 8 m s 时,各相导线的面内、面外和扭转舞动相同波形的频率趋于相同,说明了各相导线发生了1 :l :1 内共振。3 4 本章小节本章基于输电塔线耦合体系有限元模型,对覆冰导线进行非线性动力学分析,研究了在不同档距、不同风速下覆冰导线舞动的规律。通过分析发现:风速越大,导线舞动的幅值越大。中相导线面内、面外的舞动形态以及左右两相导线面内的舞动形态不会随着档距和风速的变化而变化,始终为2 个半波,所以中相导线面内、面外的最大舞动幅值和左右两相导线面内的最大舞动幅值始终出现在两跨中点处。左右两相导线的面外舞动形态会随着档距和风速的不同而改变,当档距l o o m 时,在风速为1 4 m s 和1 6 m s 时,左右两相导线的面外舞动形态为2 个半波,在风速为1 8 m s 时,左右两相导线的面外舞动形态变为1 个半波和2 个半波相结合;当档距2 0 0 m 时,左右两相导线的面外舞动形态始终为1 个半波、2 个半波和3 个半波相结合;当档距4 0 0 m 时,在风速为1 4 m s 时,左右两相导线的面外舞动形态为2 个半波,在风速为1 8 m s 时,左相导线的面外形态为1 个半波和2 个半波相结合,右相导线的面外形态为2 个半波,在风速为2 0 m s 时,左右两相导线的面外舞动形态变为1 个半波和2 个半波相结合。充分研究覆冰导线的舞动规律及特点可以为防舞抑舞问题的研究起到指导作用 4 4 1 ,本章研究了不同档距、不同风速下塔线耦合体系中各相导线的舞动规律,具有重要的实际意义。 第四章塔线耦合体系下酒杯塔力学特性分析第四章塔线耦合体系下酒杯塔力学特性分析本章首先研宄r 导线覆冰时输电塔的极限承载能力,分析出不同档距情况下的极限覆冰厚度和屈服覆冰厚度,然后对导线舞动过程中输电塔的应力状态进行丫分析,得出输电塔最大应力随档距及风速的变化关系。最后,本章分析了在导线舞动过程中输电塔可能出现的受力及变形情况。41 塔线耦合体系静力极限覆冰分析采用第二章中所建立的输电塔有限元模型,为了计算输电塔线耦合体系的极限覆冰荷载和屈服覆冰载荷,采用荷载增量法对输电塔进行静力极限承载能力分析。首先施加输电塔的重力荷载,进行自重下分析然后在此基础上将覆冰导线的等效载荷施加到输电塔上,导线覆冰情况下的荷载计算公式为g = n l 、,9 十2 7 7 3 b ( d + 6 ,1 0 。,1 4 s ,其中一为每相导线子导线根数,。为垂直档距,n 为单位长度导线所受的重力,b 为覆冰厚度,d 为导线外直径。先将l m m 覆冰厚度产生的载荷施加到输电塔上,再以每i m m为增量施加载荷,直到_ 朴i s y s 计算程序不收敛为止,此刻所施加的载荷即为铁塔的极艰承载力,换算成覆冰厚度即为极限覆冰厚度h “。图4 1 为档距4 0 0 m 时,输电塔边横担处的载荷与位移曲线。恻a 精位咎( m )罔4 1 档距4 0 0 m 时边横担位移载荷曲线一z y 一攥暖g 爨捌 e e ) 蟛譬蝌肇 第四章塔线耦台体系下酒杯塔力学特性分析从图4 1 中可以看出,当覆冰载荷小于2 3 r a m 时,边横担处的位移与载荷呈线性变化关系,表明输电塔并没有进入塑性阶段或产生塑性变形,当覆冰厚度大于2 3 r a m 小于3 8 r a m 时,位移载荷曲线进入非线性阶段,位移增长的速度明显大于覆冰厚度增加的速度,说明输电塔已经产生塑性变形,进入屈服阶段。图4 - 2 为当覆冰厚度达到2 3 m m 时,输电塔的应力云图,可以看出当覆冰厚度达到2 3 m m 时,输电塔横担处的应力值达到了3 4 5 m p a ,进入r 屈服状态,此时的覆冰厚度即认为是屈服覆冰厚度。当覆冰厚度大干3 8 r a m 时,a n s y s 计算程序不收敛,说明模型刚度发生奇异,进入了载荷极限状态,所以认为极限的覆冰厚度约为3 8 m m 。8 ,1 5 u 4 0 92 3 , ,( a ) 输电塔整体应力图( b ) 边横担应力图图。p 2 档距4 0 0 m 导线覆冰厚度2 3 m m 时输电塔应力图通过计算可知,档距为1 0 0 m 时的极限覆冰厚度约为9 7 m m ,屈服覆冰厚度为6 7 m m 档距为2 0 0 m 时的极限覆冰厚度约为5 5 m m ,屈服覆冰厚度约为4 2 m m ,档距为3 0 0 m 时的极限覆冰厚度约为4 2 r a m ,屈服覆冰厚度约为3 l m m ,挡距为4 0 0 m 时的极限覆冰厚度约为3 9 r a m ,屈服覆冰厚度约为2 3 n u n 。通过图4 - 3 图4 - 4 可以看出随着档距的增大导线的极限覆冰厚度和屈服覆冰厚度逐渐下降。i鞠电曙挂e ( m )i 封1 不同 :! j 距h 竹极限檀张唆8642一e e 一譬* e g 第四章塔线耦台体系下酒杯塔力学特性分析,1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0m 黻( m )圈4 4 不同档距下的屈服覆冰厚度4 2 导线舞动过程中输电塔应力分析当档距为1 0 0 m 导线覆冰厚度1 2 m m 时,模拟导线在1 4 r i f f s 风速下的舞动过程图4 - 5 为导线舞动过程中铁塔所受最大应力交昔出现的4 个位置,位置1 为下曲臂处,位置2 为中横担与边横担过渡处,位置3 为边横担处,位置4 为上、下曲臂连接处。可见在导线周期性舞动过程中,输电塔的应力分布也发生周期性变化,且最大应力均集中在输电塔塔头部位,其中应力最大值出现在位置3 处,即边横担处。上述这些位置在持续承受较大的交变载荷情况下,容易造成铁塔连接螺栓松脱、杆件疲劳失效等,进而引起倒塔事故,此分析结果与2 0 0 8 年冰灾倒塔事故现场调查情况实例相符合。因此为防止这种酒杯型输电塔因导线舞动引起的倒塌事故,应主要定期检查塔头位置的各个杆件,防止螺栓松动等问题。4 、羹眶蘸释w= 挈骅”h ) 中横担,边横扭过渡处应山图蚰0 e v 倒芭芳群譬哩;“n u n n n_ _ 匝_ 一口口口 第四章塔线耦台体系下酒杯塔力学特性分析 c ) 边横担处应力图( d ) 上、下曲臂连接处应力匣 图45 导线舞动过程中输电塔所受最大应力位置图 经有限元分析计算,发现档距分别为l o o m 、2 0 0 m 和4 0 0 m 时,导线在各个风速下 舞动过程中,输电塔的最大应力交替出现的位置和图4 5 所示位置相同,其中最人应力 都出现在边横担处,其数值如表4 1 所示。 表4 - l 导线覆冰厚度1 2 r a m 时不同档距不同风速下输电塔最大应力值 输电塔边横担应力值 1 4 m s1 8 m s2 0 m s x ( 静止状态) 2 0 1m p 5 34m p 。6 23m p 。 3 6ln1 4 5m p 1 7 0m 已 1 9 3m p 。 6 89m p 从表4 1 中可以看出,住导线舞动过程中,输电塔所受到的最大应力值会大幅增加, 且应力值随着档距和风速的增大而增大。当档距为i o o m ,风速2 0 m s 时,边横担处的 最大麻力值时是静力状态下应力值的3 6 倍,当档距为2 0 0 m ,风速2 0 m s 时,边横担处 的最大应力值时是静力状态下应力值的54 倍,当档距为4 0 0 m ,风速2 0 m s 时,边横担 处的最大应力值叫是静力状态f 应力值的4 4 倍,此时输电塔的最大应力值己经达到 3 0 1 m p 。,快接近村料的屈服强度,可以看出在静力分析下计算得出的极限覆冰厚度和屈 ;”m”*“ -习口_口=口_ 第四章塔线耦台体系下酒杯塔力学特性分析服覆冰厚度没有考虑导线舞动的影响,当考虑导线舞动时,即使覆冰厚度没有达到静力计算得出的屈服覆冰厚度,输电塔的应力也可能达到输电塔材料的屈服极限。下文模拟档距4 0 0 m ,导线的覆冰厚度2 0 m m ,在风速2 0 r i d s 工况下的舞动情况,如图4 - 6 所示,当l8 44 s 时,输电塔边横担的最大应力值已经达到3 4 5m p 。,即达到输电塔材料的屈服强度。前面静力分析中得到4 0 0 m 档距下的屈服覆冰厚度为2 3 m m ,而当覆诛厚度达到2 0 r a m 时,导线在舞动过程中输电塔的最大应力已达到材料屈服极限,在长时间交变应力的作用下,输电塔杆件会产生屈服失效,从而引发倒塔事故,上述分析说明了在静力状态下安全的输电塔线体系在导线舞动过程中可能引发事故的原因-星:8 麓2 9 :垦撼;i虽。2 3 。0 。e + + 。0 ,9冒:;。0 7 e + + 。0 ;a ) 输电塔应力图( b ) 边横担应力幽图4 - 6 导线舞动过程中输电塔应力图4 3 导线舞动过程中输电塔受力变形分析输电导线在舞动过程中对输电塔的作用通过绝缘子来传递,如图4 - 7 所示,且张力值随着导线偏离平衡位置的位移而变化且两者同步,下文通过分析各种工况下各相导线的舞动规律来研宄输电塔在导线舞动过程中的受力及变形情况。广可了_ 1,? ,几人赫蝴jj ? 、e 日鼬r中目蝼子左啐畸眺兰子右h 17 输电塔塔头和绝缘r 示意h州删,曲一。,m5 i 歌舱= !。乩丑:盟一攀嚣l l j | 第四章塔线耦台体系下酒杯塔力学特性分析4 3 1 档距l o o m 时输电塔受力变形当风速为1 4 m s 时,各相导线面内、面外舞动的形态都为2 个半波,其中各相导线左有两跨的面内及面外舞动幅值及相位均相同,如图4 - 8 ( a ) 至4 - 8 ( d ) 所示,因此各相导线通过绝缘予传递到输电塔上沿导线方向的分力几乎为零,如图4 - 8 ( e ) 所示,左右两相导线面内舞动相位差接近1 8 0 度即反相位,如图4 8 ( c ) 所示,在任一时刻左右两相导线作用在塔上沿竖直方向分力大小上存在很大差异,如图4 8 ( f ) 及图4 - 9 ( a )所示,输电塔在这两个力的作用下产生压弯组合变形。由于输电塔与中相两个绝缘子连接处距输电塔平面中心距离较近,其所受竖直方向分力的不平衡对输电塔的侧弯作用不明显。通过图4 8 ( g ) 可以看出,输电塔与各相绝缘子连接处所受水平方向的台力值在某些时n 4 , 于零,即合力方向与水平风方向相同,在某些时刻大于零,即合力方向与水平风方向相反,其受力如图4 - 9 ( b ) 所示,且在同一时刻如5 9 8 秒时水平力引起的侧弯及竖直力不平衡引起输电塔侧弯的方向相同,即两者的侧弯不会相互抵消。a ) 面内舞动时程曲线( b ) 面外舞动时程曲线 孰鎏鲁:篱c ) 陆内舞动瞬时形态图d ) 面外舞动瞬时形态图毗_ _ 口口l _乡j 一l 一啤砖一 第凹章塔线耦台体系下酒杯塔力学特性分析阱翟啪睇翟枷“酱啪e ) 输电塔受沿导线方向分力( f ) 输电塔受蛏直方向分力( g 输电塔受水平方向分力图48 档距l o o m 风速1 4 m s 时导线舞动情况和输电塔受力醋b ) 水平力不平衡引起输电塔侧弯图49 输电塔受力示意图通过观察在导线舞动过程中输电塔的受力变形情况,发现输电塔会产生顺风向的侧弯以及逆风向的侧弯变形,且顺风向的侧弯变形远大于逆风向的侧弯变形,如图4 1 0所示。? 0 0 6 1 3 4罂懿囊一e 3 0 1 2 2 6 0 3 6 8 0 2旨戮:- o 0 0 3 7 2 8罂懿, 0 0 7 4 蓁5虽。0 2 2 。3 翁6冒0 。2 9 8 ,2 ia ) 顺风向侧弯( 1 逆风向侧弯图4 一l o 档距1 0 0 m 风速1 4 m s 时输电塔侧弯变形图当风速增大到1 8 m s 时,同一相导线的左右两跨舞动幅值基本相同,但存在较大的相位差,如图4 - 1 l ( a ) 至4 一l l ( f ) 所示,因此各相导线通过绝缘子传递到输电塔上沿导线方向的分力不为零,且呈周期性变化,如图4 1 l ( g ) 所示,因此输电塔会产生沿慧蛤,0一羚令。一,、穗0 ,“一拎,n ,”:| j u 。l辫耋一嚣婀嬲心一i 解脊爵一对西蔚 第四章塔线耦合体系下酒杯塔力学特性分析导线方向的变形:且中相右侧的绝缘子作用在横担姓的力的方向与其它绝缘子作用力的方向总是相反致使横担发生了扭转变形。左右两相导线面内舞动存在一定相位差,如图4 1 】( e ) 所示,导致在同一时刻左右两相导线作用在输电塔上沿竖直方向分力的大小存在很大差异,如罔4 - l l ( h ) 所示,输电塔在这两个力的作用下产生压弯组台变形。通过图4 1 l ( 1 ) 可以看出,输电塔与各拥绝缘子连接处所受水平方向的台j 值住某些时刻小于零,即台力方向与水平风方向相同,在某些时刻大于零,即合力方向与水平风方向相反。2s ”5 5 25 ”,n( a ) 中相面内舞动时程曲线( b ) 左右相面内舞动时程曲线mc ) 中相面外舞动时程曲线日s 0 羲i醛e ) 面内舞动瞬时形态图( d )
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