楊曉輝， 樓文娟， 陳貴寶， 呂中賓

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 鄭州，450052) (2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 杭州，310058) (3.上海交通大學(xué)電氣工程系 上海，200030) (4.國網(wǎng)河南省電力公司信陽供電公司 信陽，464000)

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導(dǎo)線舞動(dòng)對輸電桿塔作用的試驗(yàn)技術(shù)*

楊曉輝1，3， 樓文娟2， 陳貴寶4， 呂中賓1

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 鄭州，450052) (2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院 杭州，310058) (3.上海交通大學(xué)電氣工程系 上海，200030) (4.國網(wǎng)河南省電力公司信陽供電公司 信陽，464000)

基于輸電桿塔的實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及線路舞動(dòng)發(fā)生的不確定性，在實(shí)際輸電線路上開展桿塔的舞動(dòng)承載特性測試難度較大。以實(shí)際舞動(dòng)損壞的500 kV典型桿塔為原型，采用基于相似理論的結(jié)構(gòu)建模方法實(shí)現(xiàn)了輸電塔線體系的實(shí)驗(yàn)室節(jié)段建模，利用機(jī)械加載的方式實(shí)現(xiàn)舞動(dòng)載荷的模擬，并在此基礎(chǔ)上搭建了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電桿塔的舞動(dòng)響應(yīng)特性測試。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)，分別進(jìn)行了舞動(dòng)幅值、頻率變化對輸電桿塔動(dòng)態(tài)承載特性的影響分析。結(jié)果表明,該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)旊姉U塔的舞動(dòng)承載特性進(jìn)行模擬分析。

輸電線路; 舞動(dòng); 桿塔; 相似理論; 結(jié)構(gòu)建模; 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性; 試驗(yàn)技術(shù)

引 言

輸電線路長時(shí)間舞動(dòng)除造成電氣跳閘、線路停電外，還容易造成導(dǎo)線、桿塔受損等難以直接恢復(fù)的機(jī)械性破壞，在增加線路運(yùn)行維護(hù)成本的同時(shí)，對電網(wǎng)供電的可靠性也帶來了很大影響[1]。通過對近10年來全國范圍內(nèi)舞動(dòng)所造成的桿塔損壞事故統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，舞動(dòng)造成機(jī)械損壞的輸電桿塔數(shù)量巨大、個(gè)別嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)了倒塔現(xiàn)象[2]。

自20世紀(jì)30年代觀測到輸電線路舞動(dòng)以來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者便對其開展了深入研究，從舞動(dòng)發(fā)生機(jī)理及其成因、舞動(dòng)特性分析到防舞動(dòng)措施研究等[3-7]，對輸電線路舞動(dòng)防治工作起到了一定的促進(jìn)作用，但對于輸電桿塔的舞動(dòng)承載特性及其受損原因鮮有涉及。在舞動(dòng)問題的研究中經(jīng)常將輸電桿塔簡化為導(dǎo)線的固定支座，忽略了輸電桿塔的影響。目前，關(guān)于輸電桿塔的振動(dòng)特性及其安全性能分析主要依靠數(shù)值分析[8-9]，造成這一局面的主要原因有：a．桿塔結(jié)構(gòu)高大、聯(lián)接復(fù)雜，開展實(shí)際輸電桿塔的舞動(dòng)承載特性測試時(shí)，需要布置的測點(diǎn)數(shù)量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜；b．實(shí)際線路舞動(dòng)的發(fā)生具有一定的偶然性和隨機(jī)性，無法預(yù)測具體某個(gè)線路段何時(shí)會(huì)發(fā)生舞動(dòng)。綜合考慮這些因素，利用實(shí)際輸電線路桿塔開展舞動(dòng)承載特性的研究不具有可行性。

基于相似理論的結(jié)構(gòu)建模方法，主要是通過相似定理和固定邊界條件的方法來對“原型”進(jìn)行建模，在保持“模型”和“原型”相似的前提下，由模型試驗(yàn)結(jié)果推算出原型結(jié)構(gòu)的相應(yīng)結(jié)果，這一建模和問題求解方法在工程結(jié)構(gòu)方面得到了廣泛應(yīng)用[10]。考慮到輸電桿塔的構(gòu)件材料為各向同性的鋼材、導(dǎo)線舞動(dòng)同樣滿足牛頓運(yùn)動(dòng)方程，可以采用結(jié)構(gòu)相似的建模方法來對輸電桿塔的舞動(dòng)承載特性進(jìn)行分析。

現(xiàn)以500 kV開祥線的實(shí)際舞動(dòng)事故為例，基于結(jié)構(gòu)相似理論和子結(jié)構(gòu)建模法搭建了輸電塔線體系的實(shí)驗(yàn)室模型，通過動(dòng)力加載裝置模擬不同舞動(dòng)載荷下的桿塔承載特性測試分析，為輸電桿塔的抗舞性能及其損壞模式研究提供了研究手段和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 輸電塔線體系的實(shí)驗(yàn)室建模

1.1 試驗(yàn)建模的相似準(zhǔn)則

根據(jù)導(dǎo)線舞動(dòng)特征，輸電鐵塔在導(dǎo)線舞動(dòng)作用下的運(yùn)動(dòng)方程[11]可以表示為

(1)

其中：M為輸電塔的質(zhì)量矩陣；C為阻尼矩陣；K為剛度矩陣；x為位移；T為導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)傳遞到輸電塔上的張拉力。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知：輸電塔的質(zhì)量與材料密度ρ和構(gòu)件尺寸L有關(guān)，桿塔剛度則與材料彈性模量E和桿件尺寸L有關(guān)。因此在制作縮比模型時(shí)，可取ρ，E，L為基本量，其他物理量均可以表示為基本量的冪次單項(xiàng)式[12]。因此式(1)可改寫為

(2)

其中：g，f，t分別為重力加速度、頻率和時(shí)間。

將式(2)的物理參數(shù)均表示為無量綱參數(shù)，可改寫為

(3)

根據(jù)量綱和諧的原則，由式(3)可以得出

[1]=[ρ]a1[E]a2[L]a3[L]a4[E0.5ρ-0.5]a5· [Eρ-1L-1]a6[Eρ-1L-1]a7[E0.5ρ-0.5L-1]a8· [E-0.5ρ0.5L]a9[EL2]a10[E]a11

(4)

(5)

由此可知，在結(jié)構(gòu)建模過程中各物理量相似參數(shù)能夠滿足上述8個(gè)相似準(zhǔn)數(shù)的條件，則所建試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍軌蚰M原輸電桿塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特性。

1.2 輸電桿塔建模

舞動(dòng)事件中，實(shí)際受損的500 kV開祥線#27桿塔型號(hào)為5D-SJ4,桿塔實(shí)際高度為54.5 m(其中呼稱高為24 m，塔頭部分30.5 m)，主要造成了塔頭部分中橫擔(dān)的破壞。在試驗(yàn)建模時(shí)，選定包含各橫擔(dān)的塔頭進(jìn)行節(jié)段建模和試驗(yàn)研究，如圖1所示。

圖1 輸電鐵塔的節(jié)段模型Fig.1 The section model of tower

設(shè)定輸電塔節(jié)段模型的尺寸相似系數(shù)為CL=1∶4；制作模型的材料仍然選定為鋼材，彈性模量相似系數(shù)CE=1∶1，按照不考慮重力相似的準(zhǔn)則考慮，選擇Cρ=1∶1。以式(5)計(jì)算得出輸電桿塔張力、應(yīng)力以及表征其運(yùn)動(dòng)特征的頻率、位移、速度和加速度等參數(shù)的相似系數(shù)。

考慮到輸電桿塔振動(dòng)時(shí)慣性力對構(gòu)件內(nèi)力的影響及其所需滿足的動(dòng)力相似關(guān)系，節(jié)段模型的支座設(shè)計(jì)為彈性支座，用以模擬桿塔下半部分的整體剛度。在實(shí)際舞動(dòng)過程中，輸電桿塔下半部分所要承受的外載荷是導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)張拉力，作用在桿塔上時(shí)可以視作是壓力和拉力兩種形式的組合。因此，在彈性支座組裝時(shí)采用模具彈簧組合并結(jié)合螺栓預(yù)壓的方式來實(shí)現(xiàn)。

1.3 覆冰導(dǎo)線建模

在輸電線路的實(shí)際運(yùn)行過程中，導(dǎo)線覆冰存在一定的不確定性，覆冰厚度及形狀與當(dāng)時(shí)的氣象條件有關(guān)[13]。因此在進(jìn)行覆冰導(dǎo)線建模時(shí)，不僅要考慮導(dǎo)線模型與原型之間的相似關(guān)系，還需要對導(dǎo)線在不同覆冰狀態(tài)下的建模進(jìn)行考慮。

在覆冰導(dǎo)線建模時(shí)，重點(diǎn)考慮導(dǎo)線等效截面積及其重力作用的影響，對導(dǎo)線的分裂數(shù)及結(jié)構(gòu)特征忽略不計(jì)。選擇外徑為12 mm、型號(hào)為7×19不銹鋼鋼絲繩模擬實(shí)際輸電導(dǎo)線，對其表面的覆冰模擬則是通過調(diào)整設(shè)置在導(dǎo)線上的配重塊來實(shí)現(xiàn)，即：不同覆冰條件下所設(shè)置的配重塊數(shù)量不等。在實(shí)際使用過程中配重塊沿導(dǎo)線方向均勻布置。 輸電塔線體系的實(shí)驗(yàn)室建模如圖2所示。

圖2 輸電塔線體系的實(shí)驗(yàn)室建模Fig.2 The laboratory model of tower-line system

2 舞動(dòng)加載及測試技術(shù)

2.1 模擬舞動(dòng)的動(dòng)力加載技術(shù)

由于主要目的是對輸電桿塔的舞動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)之一是如何再現(xiàn)覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)張拉力。因此試驗(yàn)過程中對舞動(dòng)載荷的模擬 可以通過機(jī)械加載的方式實(shí)現(xiàn)。

有關(guān)舞動(dòng)的現(xiàn)場觀測和前期研究表明：覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡為豎向幅值大、橫向幅值小的橢圓或者類橢圓，頻率為導(dǎo)線豎向某個(gè)階次的自振頻率[13]。在舞動(dòng)加載裝置設(shè)計(jì)時(shí)，采用以豎向振幅為半徑的圓形軌跡對導(dǎo)線進(jìn)行激振，激勵(lì)幅值的大小按照相似系數(shù)和導(dǎo)線實(shí)際舞動(dòng)幅值進(jìn)行換算，激勵(lì)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。

為了檢驗(yàn)導(dǎo)線跨中在圓形軌跡的激勵(lì)狀態(tài)下能否產(chǎn)生與導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)相似的動(dòng)態(tài)張拉力變化效果，首先通過數(shù)值模擬的方式對其激振效果進(jìn)行了計(jì)算,兩種情況下的導(dǎo)線水平向張力變化對比見圖3。

通過與計(jì)算結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)：在沿導(dǎo)線方向上的動(dòng)張力時(shí)程能夠較好吻合，相應(yīng)的功率譜和特征頻率也具有較好的一致性。

圖3 導(dǎo)線水平向張力變化對比圖Fig.3 Comparison of conductor tension in horizontal direction

2.2 測試系統(tǒng)的搭建與測點(diǎn)布置

根據(jù)桿塔動(dòng)態(tài)承載特性的測試，在對輸電桿塔的舞動(dòng)響應(yīng)特性試驗(yàn)中，主要測試數(shù)據(jù)包括導(dǎo)線張拉力、加速度響應(yīng)以及桿塔構(gòu)件應(yīng)變。其中：導(dǎo)線張拉力通過在試驗(yàn)導(dǎo)線與桿塔掛點(diǎn)之間串接拉力傳感器的方式進(jìn)行測量；桿塔加速度采用電荷式加速度傳感器，分別在中橫擔(dān)端部、橫隔及其塔頂?shù)任恢眠M(jìn)行布點(diǎn)測量；桿塔應(yīng)變采用電阻應(yīng)變片，選擇帶溫度補(bǔ)償特征的半橋電路測量方法，重點(diǎn)在關(guān)鍵部位的受壓和受拉桿件上布點(diǎn)測量。整體的信號(hào)采集系統(tǒng)選用TST5912動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行測量和記錄，為了確保測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠測量，信號(hào)采集回路還配置有專門的應(yīng)變適配器和電荷適配器，用來轉(zhuǎn)換和放大拉壓力傳感器和應(yīng)變片采集到的電信號(hào)。試驗(yàn)系統(tǒng)整體如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)中張力傳感器安裝位置Fig.4 Sensor position for measuring conductor tension

3 桿塔舞動(dòng)響應(yīng)特性測試

同等導(dǎo)線覆冰與舞動(dòng)半徑條件下、不同舞動(dòng)頻率時(shí)輸電桿塔的舞動(dòng)響應(yīng)特性見圖5。

圖5 不同舞動(dòng)頻率時(shí)的桿塔響應(yīng)特性(冰厚0.75 D、舞動(dòng)半徑15 cm)Fig.5 The dynamic response with different galloping frequency (ice-thickness 0.75 D, vibration diameter 15 cm )

通過舞動(dòng)頻率變化對輸電桿塔舞動(dòng)響應(yīng)特征值的影響可以看出：所有特征參數(shù)的幅值對舞動(dòng)半徑變化呈線性變化；而隨舞動(dòng)頻率的變化特征則較為復(fù)雜，其中加速度對頻率變化較為敏感，導(dǎo)線張力和桿件應(yīng)變對舞動(dòng)頻率的變化反應(yīng)不是很明顯。由此可以得出：舞動(dòng)幅值對桿塔舞動(dòng)承載特征的影響要大于頻率的影響。利用該試驗(yàn)系統(tǒng)，還可以進(jìn)行舞動(dòng)事故的反演。根據(jù)舞動(dòng)現(xiàn)場觀測到的覆冰厚度和舞動(dòng)幅值進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，用以分析輸電桿塔在導(dǎo)線舞動(dòng)作用下會(huì)發(fā)生何種原因的強(qiáng)度損壞。

4 結(jié)束語

利用相似理論的結(jié)構(gòu)建模方法，以實(shí)際舞動(dòng)受損的500 kV輸電塔線體系為原型，筆者搭建了塔線體系的縮比模型，并通過相應(yīng)的激振裝置來模擬實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線舞動(dòng)加載，搭建了輸電桿塔舞動(dòng)響應(yīng)特征的試驗(yàn)系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有的傳感技術(shù)，搭建了相應(yīng)的信號(hào)采集與測試系統(tǒng)。利用搭建的輸電塔線舞動(dòng)響應(yīng)特性測試系統(tǒng)，能夠根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的舞動(dòng)特征參數(shù)來對實(shí)際輸電線路舞動(dòng)時(shí)桿塔受力狀況進(jìn)行模擬分析，同時(shí)還具備開展舞動(dòng)特征參數(shù)變化對輸電桿塔動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性影響的試驗(yàn)功能研究。為開展舞動(dòng)條件下的輸電桿塔承載特性及其損壞模式的研究，提供了試驗(yàn)方法和條件。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2015.05.028

2013-08-10；

2013-12-13

TM726

楊曉輝，女，1982年9月生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)檩旊娋€路舞動(dòng)試驗(yàn)技術(shù)與輸變電設(shè)備性能檢測。曾發(fā)表《500 kV六分裂導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)的動(dòng)張力變化特征》(《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》2014年第38卷第9期)等論文。 E-mail:yangxiaohuisoso@163.com