扇形覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)特性數(shù)值模擬分析

陳友慧，楊繼業(yè)，馬 強(qiáng)，鄢 闖，李冬雪

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

扇形覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)特性數(shù)值模擬分析

陳友慧，楊繼業(yè)，馬 強(qiáng)，鄢 闖，李冬雪

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

以基于輸電線路檔間舞動(dòng)為正弦半波的假設(shè)，考慮氣動(dòng)力與導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的速度耦合，利用D’Alembert原理建立的扇形覆冰輸電導(dǎo)線三自由度舞動(dòng)方程，并依據(jù)工程實(shí)例中的相關(guān)參數(shù)，使用MATLAB軟件對(duì)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究導(dǎo)線起舞的風(fēng)速條件下，不同攻角對(duì)扇形覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)特性的影響。結(jié)果表明，利用水平、垂直及軸向3個(gè)方向上的舞動(dòng)振幅判斷輸電導(dǎo)線舞動(dòng)臨界條件與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，符合Nigol舞動(dòng)機(jī)理。

輸電線路；導(dǎo)線舞動(dòng)；攻角；數(shù)值模擬

1 背景概述

隨著人們對(duì)電力的需求越來(lái)越大，對(duì)輸電塔線體系的輸電容量要求也日益增大，輸電線作為電力輸送的主要載體將會(huì)跨越更多高海拔及氣象條件極為惡劣的山區(qū)與平原地帶。導(dǎo)線覆冰是造成導(dǎo)線舞動(dòng)的必要條件，半液態(tài)的雨點(diǎn)凝集在導(dǎo)線迎風(fēng)面偏上方，形成導(dǎo)線偏心結(jié)冰。由于導(dǎo)線偏心結(jié)冰改變了導(dǎo)線的幾何形狀，使導(dǎo)線的一側(cè)形成一個(gè)翼面[1]。在氣候條件較為特殊的地區(qū)，就可能在輸電導(dǎo)線的迎風(fēng)面結(jié)冰，而輸電線結(jié)冰截面形狀的不同，使導(dǎo)線的受力情況變得復(fù)雜多變，從而使導(dǎo)線在一定的風(fēng)速和攻角條件下，發(fā)生大幅、低頻的自激振動(dòng)，即發(fā)生舞動(dòng)。

根據(jù)大量的氣象觀測(cè)資料以及試驗(yàn)結(jié)果可以得知，霜淞和雨淞這兩類覆冰的附著力比較大，而輸電導(dǎo)線所形成的覆冰形狀大多以扇形和新月形為主。在氣溫很低，雨量較小，雨淞細(xì)化，風(fēng)速適中的氣象條件下會(huì)使輸電導(dǎo)線形成新月形覆冰；而在氣溫較低，雨量較大，雨淞較粗，風(fēng)速較大的時(shí)候，則會(huì)使輸電導(dǎo)線形成扇形覆冰。我國(guó)湖北地區(qū)形成的導(dǎo)線偏心覆冰厚度一般為15～20 mm，最為嚴(yán)重的則會(huì)達(dá)到38～48 mm。由于覆冰的隨機(jī)性和多樣性，以及相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)量精度和手段有限、存在費(fèi)用高、試驗(yàn)周期較長(zhǎng)問(wèn)題，同時(shí)由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際問(wèn)題等效性等方面的局限性，無(wú)法滿足實(shí)際工程多樣性需求的獲取。在20世紀(jì)80年代以后，隨著流體力學(xué)算法的進(jìn)步，很多輸電導(dǎo)線舞動(dòng)問(wèn)題可以通過(guò)數(shù)值仿真模擬分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。華中科技大學(xué)對(duì)輸電覆冰導(dǎo)線的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了一系列試驗(yàn)[2-3]。隨著風(fēng)速的增加舞動(dòng)趨勢(shì)越來(lái)越大，導(dǎo)線舞動(dòng)的持續(xù)時(shí)間取決于大氣條件的變化和導(dǎo)線覆冰的脫落情況。當(dāng)風(fēng)向改變、風(fēng)速降低或氣溫回升使覆冰融化脫落時(shí)，舞動(dòng)也停止[4]。為了滿足扇形覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)計(jì)算與仿真的需要，本文根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)、牛頓定律和D’Alembert原理，依據(jù)覆冰導(dǎo)線的動(dòng)力學(xué)模型，使用MATLAB軟件對(duì)覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，在起舞風(fēng)速條件下，對(duì)不同攻角及檔距對(duì)覆冰導(dǎo)線三相位移平面圖進(jìn)行數(shù)值分析，研究覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)特性，為覆冰導(dǎo)線制定有效的防舞措施提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

2 扇形覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的振子模型動(dòng)離散化

輸電導(dǎo)線的覆冰特性與風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、導(dǎo)線走向及海拔高度等諸多因素有關(guān)，Makkonen[5]根據(jù)降水率、氣溫、導(dǎo)線半徑、風(fēng)速、風(fēng)攻角以及覆冰所需要的時(shí)間建立覆冰模型，得到在氣溫0 ℃左右時(shí)導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生最大的覆冰荷載；Masoud[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的分析得出，在潮濕條件下輸電導(dǎo)線的結(jié)冰率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在干燥條件下的結(jié)冰率。為此本文根據(jù)扇形覆冰的形成條件，在考慮輸電導(dǎo)線自重及其覆冰重量條件下，假設(shè)覆冰內(nèi)邊緣圓心角140°，外邊緣圓心角120°。根據(jù)三自由度基本動(dòng)力學(xué)方程，在考慮覆冰質(zhì)量以及輸電導(dǎo)線自重條件下，由風(fēng)荷載對(duì)導(dǎo)線產(chǎn)生空氣動(dòng)力的氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力以及扭轉(zhuǎn)動(dòng)力，導(dǎo)線的不平衡張力和由偏心覆冰質(zhì)量所引起的慣力矩、重力矩以及空氣動(dòng)力矩等，對(duì)覆冰導(dǎo)線的振子模型進(jìn)行無(wú)量綱化，依據(jù)微分變換法及MATLAB程序?qū)?dǎo)線的舞動(dòng)方程進(jìn)行離散，求出舞動(dòng)方程的數(shù)值解。

3 扇形覆冰導(dǎo)線在起舞條件下攻角對(duì)舞動(dòng)的影響

本文根據(jù)編寫的MATLAB程序得到覆冰導(dǎo)線在起舞風(fēng)速條件下發(fā)生舞動(dòng)時(shí)的時(shí)程曲線圖。根據(jù)湖北大跨越輸電線路的工程數(shù)據(jù)，在偏心覆冰條件下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到10 m/s時(shí)，導(dǎo)線就會(huì)發(fā)生舞動(dòng)。故在數(shù)值模擬中，分別模擬攻角α為105°、125°、145°時(shí)，覆冰導(dǎo)線中心點(diǎn)的三相位移平面圖軌跡，如圖1所示。

(a)α=105°

(b)α=125°

(c)α=145°圖1 3種攻角條件下覆冰導(dǎo)線三相位移平面圖

根據(jù)分析結(jié)果可知，輸電導(dǎo)線在偏心覆冰條件下發(fā)生舞動(dòng)后，隨著風(fēng)速越來(lái)越大，導(dǎo)線的振動(dòng)會(huì)越來(lái)越弱，3個(gè)方向上的位移隨著時(shí)間的增加而增大；當(dāng)達(dá)到某一個(gè)最大值時(shí)，隨著時(shí)間的增加而減小，最后趨近于某一個(gè)最小值，在其附近作小幅振動(dòng)，這符合自激振動(dòng)的原理。無(wú)論風(fēng)速多大，位移最后都會(huì)趨于某一個(gè)值，不會(huì)無(wú)限增加，主要是因?yàn)閷?dǎo)線的振動(dòng)是非線性運(yùn)動(dòng)，即使失穩(wěn)，也會(huì)在某一個(gè)極限值時(shí)穩(wěn)定下來(lái)，只有對(duì)線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)一旦失穩(wěn)，振幅會(huì)一直增加。因此導(dǎo)線的攻角越大，振動(dòng)就會(huì)越來(lái)越激烈，此時(shí)在理論上，倘若繼續(xù)增大攻角，就會(huì)使導(dǎo)線發(fā)生失速顫振。為此，根據(jù)數(shù)值模擬分析可以得到，當(dāng)α達(dá)到145°時(shí)，覆冰導(dǎo)線開始舞動(dòng)，與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果相符合。

4 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)的防舞措施

根據(jù)目前所了解到的舞動(dòng)機(jī)理和現(xiàn)象，大多采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與試驗(yàn)研究相結(jié)合以及由定性向定量逐步深化的方法進(jìn)行探究，目前已經(jīng)取得了一些比較顯著的成績(jī)，也摸索到了一些比較有效的防舞措施以及計(jì)算方法，但是對(duì)于扇形覆冰導(dǎo)線防舞措施的制定還有待于進(jìn)一步研究與確定。

湖北大跨越的實(shí)測(cè)冰型為扇形，針對(duì)導(dǎo)線的初始攻角進(jìn)行了理論推導(dǎo)以及數(shù)值仿真模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)防舞工作的思路及發(fā)展進(jìn)行拓展。風(fēng)向與導(dǎo)線的成角大小會(huì)對(duì)覆冰導(dǎo)線的冰截面形狀產(chǎn)生相應(yīng)的影響，當(dāng)?shù)氐挠暄┣闆r同樣會(huì)影響輸電導(dǎo)線的舞動(dòng)，所以在技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)允許的情況下，盡可能避開強(qiáng)風(fēng)舞動(dòng)地區(qū)，在線路走向上則應(yīng)該盡可能減小冬季風(fēng)向與線路走向的夾角，從改變與調(diào)整輸電導(dǎo)線的系統(tǒng)參數(shù)出發(fā)，更廣泛地應(yīng)用覆冰在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)線的運(yùn)行維護(hù)工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)實(shí)測(cè)冰型對(duì)湖北大跨越輸電線路進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)改變導(dǎo)線的風(fēng)攻角，對(duì)導(dǎo)線的舞動(dòng)情況進(jìn)行分析，得出在理論上得到的起舞條件與實(shí)測(cè)的舞動(dòng)條件更為接近，使用這種動(dòng)力學(xué)模型對(duì)覆冰導(dǎo)線的舞動(dòng)進(jìn)行數(shù)值分析是可行的，為此還可以從導(dǎo)線直徑等方面對(duì)覆冰導(dǎo)線進(jìn)行理論研究。

[1] 郎振國(guó)，劉 良，徐寶臣.通遼地區(qū)輸電線路發(fā)生覆冰舞動(dòng)原因及對(duì)策[J].東北電力技術(shù),2006,27 (11):48-52.

[2] 李萬(wàn)平，楊新詳，張立志.覆冰導(dǎo)線群氣動(dòng)力特性分析[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，1995,13(14):427-428.

[3] 李萬(wàn)平，黃 河，何 锃.特大覆冰導(dǎo)線氣動(dòng)特性測(cè)試[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(8):84-86.

[4] 張忠瑞，王 飛，張 巍.遼寧電網(wǎng)輸電線路舞動(dòng)的氣象影響分析[J].東北電力技術(shù),2012,33(4): 26-31.

[5] Makkonen L. Modeling power line icing in freezing precipitation[C].7th International Workshop on Atmospheric Icing of Structures. Montreal,1996.

[6] Masoud F,Konstantin S. Statistical Analysis of Field Data for Precipitation lcing Accretion on Overhead Power Lines[J]. IEEE Transactions On Power Delivery,2005,20(2):1 080-1 087.

Numerical Analysis of Galloping Character of Fan-Shaped Ice Cover Conductor

CHEN Youhui, YANG Jiye, MA Qiang, YAN Chuang, LI Dongxue

(State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute, Shenyang，Liaoning 110015, China)

The hypothesis of half sine wave of cable galloping in span is adopted. For the problem of fan-shaped ice cover conductor galloping, this paper presents a flabelliform cable galloping model of three degree-of-freedom based on D’Alembert Principle which considers the velocity coupling between air force and the cable torsional vibration. According to the relevant parameters in the project example, it uses the software Matlab for numerical simulation. To explore the flabelliform cable galloping characteristic of the wire on the condition of the wind speed of the wire dancing in different of the angle of attack.Judging the divergence critical condition of power transmission line used the dancing amplitude in horizontal, vertical and axial directions.It meets the galloping mechanism of Nigol. It’s proved this theory is feasible.

transmission line; galloping conductor; the angle of attack; numerical simulation

TM751

A

1004-7913(2017)08-0044-03

陳友慧(1987)，女，碩士，工程師，主要從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。

2017-03-01)