覆冰拉线直流输电塔驰振结构动力特性分析.pdf

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1、第31卷第5／6期东北电力大学学报Vo1．31．No．5／62011年l2月JournalOfNortheastDianliUniversit~yDec．，2011文章编号：1005—2992(2011)05／06—0041—04覆冰拉线直流输电塔驰振结构动力特性分析祝贺，姜武超2，米江(1．东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林132012；2．吉林市供电公司，吉林吉林132011；3．四川电力公司超特高压运行检修公司，四川南昌615000)摘要：针对覆冰作用下拉线直流输电塔的风振形态，分析了拉线直流塔覆冰下产生驰振的原因，建立了

2、覆冰拉线驰振数学模型和直流输电塔结构振动方程，利用实测风速数据在软件中完成了拉线直流塔驰振动力特性分析，仿真结果贴近实际，研究成果可为拉线直流塔结构防灾减灾工作提供参考。关键词：覆冰；拉线；直流输电塔；驰振；动力特性中图分类号：TM723文献标识码：A由于高压直流输电在远距离大容量输电和电力系统联网方面具有明显的优点，直流输电工程已成为我国“十二五”电网规划的重要组成部分。直流输电线路担负着传导电流、输送电能的重要任务，其安全性与可靠性受到全社会的日益关注。而直流输电塔终于作为输电线路的重要组成部分，承担导地线及相应风、冰、地震

3、载荷。因此，塔结构的稳定程度直接影响输电安全。在特殊地形下，采用拉线直流塔不可避免，在外载荷作用下，必须考虑拉线和塔身相互作用以及拉线非线性影响下的结构振动。动力风载荷使塔线结构产生振动，而结构的振动反过来又使结构上的风力随结构振动速度变化而变化。这种由结构的运行而产生的附加动载荷称为空气动力阻尼力，当空气动力阻尼力为负值并与结构本身阻力相抵消时，由于在结构振动中产生负阻尼引起振动的发散，即结构的驰振，结构的驰振是一种动力失稳式振动，将导致结构破坏。作为特殊情况，覆冰是拉线直流塔产生驰振的诱因之一。覆冰情况下，拉线直流塔除受风激

4、励会产生强迫振动以外，还可能由于结构本身振动而引起风来流的方向和大小改变，从而引起塔结构和拉线界面的平均升力系数和阻力系数变化，在一定风向和临界风速下，空气动力产生的负阻尼大于正阻尼，拉线直流塔将产生大幅度振动，严重时将发生结构破坏性失稳。国内外关于输电线路的驰振研究都集中在导线和塔结构的独立研究，未涉及拉线与塔结构的塔线体系¨。为此本文首先分析拉线直流塔产生驰振的原因，继而建立覆冰拉线驰振数学模型和直流输电塔结构振动数学模型，最后通过算例研究拉线覆冰直流塔驰振动力特性。(cr)1驰振判别依据；，D：L＼I如图1，风来流相对于结

5、构的攻角为，由于阻力}系数和升力系数都与风向有关，因此阻力和升力分别表示为：fY收稿日期：201l—O8—18图l驰振判别示意图作者简介：祝贺(1978一)，男，黑龙江省讷河市人，东北电力大学建筑工程学院讲师，博士，主要研究方向：电网防灾减灾42东北电力大学学报第31卷』Fo()=o·5p；c。()，(1)tFL(Ot)=0．5pv2rBCL(0c)，在Y方向这些力的投影合力为：F(0[)=一FD()sina—F￡(0[)COSOt=—v2BC(0c)，(2)式中：=VrCO$()，C()=一[CL()+cD()tana]sec

6、a．单自由度系统的运动微分方程为：m++ky=Fy(Ot)，(3)将Fy()在0c=0附近展开，有：CDL()：c(o)+(1(4)由(2)式得：()删=一[Cu㈩+()or0]l，㈤上=，(6)因此式(3)可写成：嘶(o)一0．SpvB[cD(0)+()JY，(7)将上式改写成：m+c+=(0)，(8)c⋯[吣()删]'式中：第一项c为结构阻尼系数，第二项为空气动力阻尼系数。当阻尼系数c=0时，振动随时间减弱，结构稳定；当C<0时，振动将逐渐无限增大，出现结构失稳现象，因此c’=0是判断结构稳定状态的临界值。因为是正值，结构失

7、稳情况下，空气动力阻尼系数必须小于零，因此有：()+cD(0)<0，(10)E式作为判别结构驰振发生的必要条件。、2覆冰拉线驰振数学模型分析拉线覆冰引发驰振响应的基本假设：(1)假设垂直于风力方向上的运动产生气动力；(2)拉线覆冰后的截面在一段长度内保持不变]。计算模型见图2。拉线在覆冰情况下，将形成不规则截面，可能产生驰振，由式(9)，令C=0，得到驰振的临界风速、质量参数、空气动力参数分别为：r=一‘1=(I—)J删¨由式(4)和式(6)，将dCDL()展开：c。i()+j∑=2(詈)南，(2)图2拉线覆冰驰振模型第5／6期

8、祝贺等：覆冰拉线直流输电塔驰振结构动力特性分析43式中，i为奇数项，为偶数项。将上式代入式(3)和式(6)，得拉线运动方程为：+)+Y=0，2一[(舌)+荟2m(舌)南]，(134)=设产生驰振的拉线阻尼系数为c。，其余拉线阻尼系数为c、c。、⋯、c，塔结构阻尼