覆冰六分裂導(dǎo)線舞動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)及起舞風(fēng)速研究

樓文娟　余江　姜雄　楊曉輝　盧明　邵穎彪

摘要：設(shè)計(jì)了風(fēng)洞內(nèi)支架式三自由度頻率可調(diào)的彈簧懸掛裝置，針對D形覆冰六分裂導(dǎo)線節(jié)段氣彈模型分別在3種典型風(fēng)攻角下進(jìn)行了5種豎/扭自振頻率比的變風(fēng)速舞動(dòng)試驗(yàn)，通過單目測試技術(shù)記錄了導(dǎo)線在均勻風(fēng)場作用下的三自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)程，并與三自由度舞動(dòng)響應(yīng)非線性求解計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證。分別基于試驗(yàn)實(shí)測和舞動(dòng)非線性計(jì)算判定了實(shí)際輸電線路的起舞風(fēng)速。試驗(yàn)結(jié)果表明：在Den Hartog系數(shù)為負(fù)值的風(fēng)攻角下導(dǎo)線以豎向舞動(dòng)為主，卻因Nigol系數(shù)正負(fù)不同在相同的豎/扭頻率比下表現(xiàn)出不同的舞動(dòng)規(guī)律，且當(dāng)豎/扭頻率比大于等于1和小于1時(shí)表現(xiàn)出兩種相反的舞動(dòng)特性，即導(dǎo)線豎向運(yùn)動(dòng)幅值隨風(fēng)速增大而增大亦或是導(dǎo)線舞動(dòng)失穩(wěn)風(fēng)速僅限于某一區(qū)間；在Nigol系數(shù)為負(fù)值而Den Hartog系數(shù)為正值的風(fēng)攻角下導(dǎo)線以扭轉(zhuǎn)舞動(dòng)為主且轉(zhuǎn)角幅值隨風(fēng)速增大而增大，當(dāng)豎/扭頻率比大于1時(shí)轉(zhuǎn)角幅值較大。

關(guān)鍵詞：風(fēng)致振動(dòng)；舞動(dòng)；覆冰導(dǎo)線；風(fēng)洞試驗(yàn)；起舞風(fēng)速

引言

輸電線路舞動(dòng)是由于導(dǎo)線表面覆冰后氣動(dòng)參數(shù)改變，從而在風(fēng)作用下引起的大幅度低頻率自激振動(dòng)。覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)形態(tài)大多以單個(gè)或多個(gè)半波的豎向舞動(dòng)為主。實(shí)際線路中的覆冰多存在偏心現(xiàn)象以及不同運(yùn)動(dòng)方向問的氣動(dòng)耦合效應(yīng)，故發(fā)生豎向舞動(dòng)的同時(shí)往往伴隨有較為顯著的水平向和扭轉(zhuǎn)向舞動(dòng)。導(dǎo)線舞動(dòng)嚴(yán)重時(shí)可造成電力供給中斷，甚至發(fā)生倒塔事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對覆冰多分裂導(dǎo)線超高壓線路的舞動(dòng)機(jī)理研究和起舞風(fēng)速判定十分必要。

迄今為止，對舞動(dòng)問題研究主要集中在舞動(dòng)機(jī)理、導(dǎo)線氣動(dòng)特性試驗(yàn)、舞動(dòng)試驗(yàn)、舞動(dòng)數(shù)值模擬及防舞措施等五個(gè)方面。就舞動(dòng)試驗(yàn)而言，輸電導(dǎo)線具有大檔距和小弧垂的特點(diǎn)，很難在風(fēng)洞中設(shè)計(jì)出滿足相似性原理的整檔導(dǎo)線的氣彈性模型，因此大多采用彈簧懸掛節(jié)段模型。國外學(xué)者Keutgen&lien（2000）采用支架彈簧系統(tǒng)在風(fēng)洞中激發(fā)了導(dǎo)線豎向-扭轉(zhuǎn)耦合舞動(dòng)和純豎向舞動(dòng)；Muharomad（2008）采用覆冰四分裂導(dǎo)線節(jié)段模型和拉索相結(jié)合的方式，提出了一種可在某種程度上考慮輸電線路幾何非線性特征的舞動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。國?nèi)學(xué)者樓文娟（2011）以新月形和D形覆冰為研究對象，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重現(xiàn)了起舞過程，對基于準(zhǔn)定常假定舞動(dòng)分析方法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。劉小會(huì)（2011）亦采用了近似的試驗(yàn)方法考察了單根和四分裂導(dǎo)線的舞動(dòng)響應(yīng)特性，并基于試驗(yàn)結(jié)果對舞動(dòng)數(shù)值模擬方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

然而已有的導(dǎo)線氣彈模型舞動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)多是針對特定氣動(dòng)力類型驗(yàn)證了準(zhǔn)定常假定、Den Hartog或Nigol舞動(dòng)機(jī)理，卻未能解釋與Den Hartog和Nigol舞動(dòng)機(jī)理不符的舞動(dòng)現(xiàn)象，且模型的豎向自振頻率多大于0.8 Hz（實(shí)際多分裂超高壓輸電線路低階自振頻率多小于此值），扭轉(zhuǎn)自振頻率的取值也只考慮了其遠(yuǎn)大于豎向自振頻率的工況，更少有文獻(xiàn)提及水平頻率的取值。鑒于此，本文作者制作了D形覆冰截面的六分裂導(dǎo)線節(jié)段模型，采用新設(shè)計(jì)的風(fēng)洞內(nèi)支架式三自由度頻率可調(diào)的彈簧懸掛裝置，針對三種典型的Den Hartog系數(shù)和Nigol系數(shù)的正負(fù)組合，準(zhǔn)確模擬并記錄了導(dǎo)線節(jié)段模型在均勻風(fēng)場作用下的三自由度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究了導(dǎo)線舞動(dòng)特性與氣動(dòng)特性、模型自振頻率及風(fēng)速之問的關(guān)系，同時(shí)對于給定的實(shí)際輸電線路還可以判定其起舞風(fēng)速。