输电线路动力学读书报告Microsoft Word 文档

输电线路动力学读书报告
一、认识动力学及输电线路动力学这门课程所要研究的内容【1】
1、输电线路动力学：研究输电线路的动力特性，确定输电线路在动力荷载作用下
的动力反应。

动力特性：周期、频率、振型及阻尼特性。

动力反应：内力、应变、位移、速度、加速度等。

荷载：静荷载、动荷载；确定性荷载、随机荷载；周期荷载、非周期荷载。

动力学问题的特点：随时间变化；惯性力。

惯性力是动力学与静力学本质的、重要的区别。

2、对质量位置及其运动的描述是动力学分析的关键。

自由度及常用方法
自由度：动力分析中确定系统任一时刻全部质量的几何位置所需独立参数的个数。

离散化方法：将系统化为有限自由度体系。

（1）集中质量法：将系统质量按一定规律集中在某些点上，其余部分无质量。

连续分布质量的无限自由度问题变为有限自由度问题。

（2）广义坐标法：决定系统几何位置的彼此独立的量，称为该系统的广义坐标。

如对简支梁的位移可表示为形状函数（形函数）
（3）有限单元法：系统划分为一系列的单元，单元间以结点相连，结点的位移是决定系统全部质点位置的独立坐标。

二结点之间的挠曲线称为位移函数（插值函数）。

3、气流引起的结构物的振动：有三种，卡门涡振动、颤振和驰振。

（1）微风振动：架空线在微风作用下产生的高频低幅的垂向振动，是一种受迫振动。

特点是：微风、高频、低幅、长期。

所需风速较小，通常在0.5～10m/s范围内；振动频率较高，3～120Hz；振幅不大，峰-峰值一般不大于架空线直径的3倍；持续时间较长，一般为数小时，有时可达几天。

危害：主要是引起架空线疲劳断线等。

（2）颤振：是气流高速流过翼面，机翼的扭振与横向振动相互耦合产生的，特点是空气动力已经大到与结构振动恢复力相比拟，激发的结构振动频率不是其固有频率，产生频率漂移现象。

在风速范围内，颤振一般不发生。

(3)弛振：是非圆截面构件在风激励下产生的一种自激振动。

对架空线则叫做舞动。

特点：低频、大幅、中风。

频率低（0.1～3Hz）、振幅大（一般为米数量级，可达10ｍ以上），多在导线覆冰、气温0℃、且有强风（10～20m/s）。

4、研究的主要内容：
对动荷载引起的线路、杆塔的动力反应进行研究。

气流引起的结构物的振动有三种，卡门涡振动、颤振和驰振。

在风速范围内颤振一般不发生，所以主要研究内容：
（1）、微风振动；
（2）、舞动；
（3）、杆塔振动；
（4）、塔线耦合。

二、什么是微风振动、微风振动的危害及防治措施
1、微风振动：微风振动是架空线在微风作用下产生的高频低幅的垂向振动。

微风振动频率较高，一般5-120HZ;振幅不大，一般在架空线直径的3倍一下；所需风速较小，通常在0.5-10m/s范围内；持续时间较长，一般为数小时，有时达几天。

我国能源分布的不均衡导致了中东部经济发达地区电力瓶颈问题愈发突出。

高压输电作为调节电力分配的有效手段得
到了广泛应用。

随着建设里程的增加,输电线在风荷载下断线事故屡有发生,由此带来停电、倒塔事故造成了严重的经济损失甚至人员伤亡[1～4 ] 。

在风作用下,输电线的微风振动最为频繁,持续时间一般达数小时,有时可达数日[5 ] 。

由此导致电线疲劳断股及金具、杆塔构件的损坏,并限制了导线的使用应力值。

随着我国特高压工程的建设,送电线路的导线截面、张力、悬挂点高度及档距都在不断增大,微风振动问题更趋突出,故加强微风振动研究就更为迫切。

本文有别于传统的能量平衡法,利用振型叠加法推导了输电线在均匀风场中微风振动的半解析解,并以此为工具研究了微风振动的影响因素。

1、卡门旋涡
2、根据能量守恒可得出微风振动时的运动方程
式中,W k 为体系动能;W s 为体系应变能;W c 为体系阻尼做功;W f 为外激励做功; p r 为广义坐标;根据文献[7 ]输电线微风振动,式(1) 可化为:πwr= 2mL c ¨p r +π2 r22L c T(1 +αr2 ) p r +h r2ΩL cÛp r (2)式中, m 为输电线单位长度质量; L c 为输电线长度; r 为输电线振动频率阶数; T 为水平张力;α为刚度系数,表征输电线抗弯刚度; h r = Hλ- 3r 为第r阶滞后阻尼系数; H 为滞后阻尼常数,表征输电线自阻尼特性;λr 为输电线第r 阶振动时的波长;Ω为激励力圆频率;πwr为微风激励力函数:πwr= ΠwrejΩt =∫L c0q( x) ejΩt sin( r πx/ L c ) d x (3)式中, q( x) 为微风激励力延输电线档距方向的分布函数;j 为虚数单位。

可认为输电线是张紧的小刚度梁,实际档距可达数百米,忽略自身的抗弯刚度对微风振动的振幅计算,误差很小[8 ] ,偏安全。

因此,本文将输电线简化成延长度方向几何特性与材料特性不变的细长实心圆柱体。

在计算振幅时忽略其抗弯刚度, 即α= 0 ,根据得到的振幅在考虑抗弯刚度的条件下计算输电线最大动弯应变值【5】【6】。

3、输电线微风振动影响因素分析
（1）张力影响
改变输电线运行张力,分别计算10 %～20 %U TS 时单根输电线的动弯应变,见图3 。

由计算图3 不同张力水平地线动弯应变比较结果可见,张力越大,电线动弯应变越大。

随着张力的增加,电线股与股之间的静摩擦力增大,相对摩擦越来越困难,自阻尼变小。

因此,输电线实际运行中张力不宜过大,对于特高压线路,一般不宜超过20 %U TS。

（2）档距影响
实际工程中输电线档距多种多样,图4 为档距100～500 m 下的振动水平。

计算表明,在其他条件不变的情况下,导线在自阻尼状态时振动强度与档距无关。

但由于档距不同,悬挂点高度、风的沿档相关性也不同。

档距越大,导线频率越密集,满足微风振动的频段越宽,与风产生谐振的机遇越大,振动持续时间越长,防振措施越复杂。

同时,若考虑绝缘子的阻尼效果,则档距越大,振动强度越高。

因此,档距对微风振动仍有很大影响。

（3）悬挂点高度影响
（4）地形影响
（5）分裂数影响
4、抑制微风振动的途径
（1）增大失调率,即错开ωs与ωn。

（2）采用干扰装置。

（3）设置阻尼器。

（4）设置动力减振器（防振锤、阻尼线等）。

三、什么是舞动舞动的危害及防止措施【2】
1、舞动：当导线结冰以后，导线截面的形状就变成了非圆形截面。

非圆形截面的导线在风荷载作用下除了受到顺风向的阻力作用外，还受到横风向的升力作用，当阻力和升力满足某种特定条件后，覆冰导线会发生一种低频率、大振幅的振动，这种振动从形态上看上下翻飞，形如龙舞，因此称之为舞动。

随着对舞动机理认识的深入，发现舞动在力学上属于驰振，它是一种非线性振动中的自激振动。

舞动的特点是频率低，频率的范围大致为0·l一3HZ，振幅最大可达lom以上。

舞动的激发共有三中模式：横向激发模式-邓哈托舞动、扭振激发模式-尼戈尔舞动、惯性激发模式。

最早研究导线舞动的是Davison，1930年，他在论文中提出舞动时导线会发生周期性的扭转，导线的周期性扭转会引起导线升力的周期性改变，于是他认为导线的舞动是这种
周期性升力的作用结果。

navison发表论文不久， 1932年，邓哈托发表了著名的邓哈托舞动机理。

邓哈托认为导线舞动并不一定需要导线发生扭转，发生舞动的原因是导线覆冰后其截面所受气动力具有不稳定性。

邓哈托将 Glauert在解释“半圆柱体自旋转”问题中提出的理论用来解释导线的舞动[30】，即:
式中:二为阻力系“，q为升力系“，。

为风“”，cD·器称为邓哈托系”。

加拿大的尼戈尔提出了著名的尼戈尔扭转激发舞动机理，该机理认为，当覆冰满足某种特定条件时，扭转振动为自激振动，导线的扭转振动导致风攻角发生周期性的改变，从而引起导线所受升力也发生周期性地改变，若导线的扭转频率和横风向自振频率接近，则横风向的受迫振动将发生共振，于是，扭转振动就激发了导线的横风向振动。

导线发生尼戈尔舞动的
必要条件可用下式表示:
2、舞动的危害：易造成导线断股、断线，杆塔，如下图
3、舞动的防治措施
鉴于输电导线主要是由于三个方面的的因素所形成的，即覆冰及截面形状；风速及其方向；导线系统的自身参数。

于此相应，防舞的措施也将根据这几个方面的针对性地进行。

现行的防舞措施，概括起来主要分为三大类：其一，从气象条件考虑避开容易形成分覆冰区域与线路走向；其二，从机械和电气的角度，提高线路系统抗舞动的能力；其三，从改变与调整系统的参数出发，采取各种防舞装置与措施，抑制舞动的发生【7】。

四、杆塔振动
1、杆塔的风振响应分析通常包括两个部分:
（1）风荷载的时程模拟；
（2）时域内对风荷载的时程样本进行非线性动力响应分析。

从总体来讲，荷载分为三类：即永久荷载、可变荷载、偶然荷载。

永久荷载包括结构自重、固定的设备重等。

可变荷载有风荷载、冰荷载、安装或检修荷载、温度变化引起荷载、
导地线拉力等。

偶然荷载有地震、断线作用力等。

2、研究杆塔振动首先要了解引起风振响应的风的特性。

（1）大气边界层内的风(自然风)可分为平均风和脉动风两部分。

平均风是在给定时间间隔内风力大小及方向不随时间而改变的量，在结构分析时常作为随机变量加以处理;自然风需要通过风速剖面(即平均风速沿高度的变化规律)、平均风速与风向的概率密度函数和脉动风功率谱来定义。

（2）风对杆塔结构的作用有静力作用和动力作用：静力作用是平均风产生的阻力、升力和力矩作用引起杆塔的内力和变形；动力作用：紊流风作用、漩涡脱落引起的涡致共振作用和负气动阻尼作用引起抖振、涡致振动、驰振、颤振。

、
对风速及风俗荷载模拟然后对杆塔进行有限元分析。

在对大大、跨越输电塔线体系静动力研究中建立了多种空间非线性有限元模型，考虑了输电塔与输电线的祸合作用及绝缘子、电梯井道等的影响，并以自重及输电线初始应力作用下的非线性静力计算结果作为初始态，来分析对比跨越单塔、塔线体系(两塔三段线及四塔三段线)以及输电线各自的动力特性及相互影响。

此外，还讨论了大跨越塔的局部变形问题以及隔面设置对局部变形的影响。

然后运用谐波合成法将脉动风荷载模拟为空间相关的多维随机过程，得到崖门大跨越输电塔线体系的风荷载时程样本，进而对多个跨越单塔模型及大跨越塔线体系模型进行风振响应时程计算，并考察各模型的位移、速度、加速度响应及频谱特性。

此外，介绍了输电塔风振系数的理论计算方法及我国现行规范的相关要求，着重计算了按照《建筑结构荷载规范》、《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》及《高耸结构规范》的要求得到的崖门大跨越输电塔风振系数，并根据前文的崖门大跨越风振响应时程计算结果得到了六种跨越单塔及塔
线体系模型的风振系数，通过九种数据的对比得到了大跨越输电塔线体系风振系数的变化规律，并从塔身主材内力角度也进行了验证。

接下来，通过崖门大跨越输电塔的管节点静力加载试验，检验了3OInm厚Q345B的直缝钢管在加工过程及承载状态下的受力性能，并将六种管节点形式的试验数据与有限元分析结果进行对照，验证了该大跨越输电塔管节点设计的可靠性，也证明了有限元分析方法的实用性。

最后着重研究了管节点的插板连接，从支管偏心距、节点板尺寸、主管径厚比、主支管轴线夹角及主管轴力等参数入手，结合前文插板连接管节点的试验数据，建立了不同变化参数的有限元分析模型并进行了相应计算，通过对照不同变化参数的应力云图、位移曲线、始屈荷载以及极限承载力等数据，得到了不同参数在实际工程应用中的有益结论【3】。

五、大跨越的塔索耦合
在大跨越输电塔线体系的风振响应及振动控制研究中，大跨越输电塔线体系作为高压电能输送的载体，是重要的生命线工程。

与通常的架空线路相比，大跨越塔线体系具有塔体结构高、跨度大的特点，塔体的高柔特性决定了风荷载是其主要动力荷载，而塔线间的相互作用，使这类体系在风载作用下的振动响应十分复杂。

本文以规划中的世界第一高塔一舟山大跨越输电塔为工程背景，建立了塔线祸合体系的空间有限元模型，分别采用梁单元、杆单元、悬链线索单元对输电塔、绝缘子和输电线进行了精确的模拟。

同时采用离散刚度法设计制作了塔线体系的气动弹性模型，并在紊流风场中，进行了多个风向角、多个风速下的单塔和塔线体系气弹模型风洞试验。

通过对塔线体系风振响应的时域分析和试验研究，将输电塔的响应分解为共振分量与背景分量，并分别考虑了塔线祸合作用对这两部分分量的影响。

针对背景与共振响应各自的特征，进一步提出了塔线体系的简化计算方法:背景分量的计算可以应用准静态假定，采用方差分
析法得出;通过建立塔线体系的等效计算模型一悬吊摆系统，使共振分量的计算获得简化。

以简化方法为基础，采用频域方法对塔线体系的风振响应进行了计算。

通过对计算结果的分析，得出了一些重要的结论，对塔线体系的实际工程设计具有重要的指导意义。

针对塔线体系的动力特性，采用被动耗能装置一粘弹性阻尼器对体系的风振响应进行了振动控制研究，重点讨论了阻尼器的位置优化问题。

利用本文提出的改进适应性权重:代间比较权重，并将遗传算法与劣出优入算法相结合，形成了一种多目标优化的混合遗传算法。

选取塔线体系脉动位移的HZ和H.范数、阻尼器的总量与阻尼器平均耗能作为优化目标函数，得到了阻尼器的优化布置方案，并通过受控体系的气弹模型风洞试验对风振控制效果进行了验证。

计算和试验结果均表明，该方案可以取得较好的减振效果，从而为将来塔线体系风振控制系统的实际安装提供了理论依据【4】。

六、杆塔振动的控制
对杆塔的振动进行控制，现今可行的的控制装置有如下几种：动力吸振器、TMD
粘弹性阻尼器、质量摆。

对这些装置在杆塔上的安装进行有限元模拟分析，然后与实际相结合，确定最优安装方案是我们解决问题的关键。

参考文献：
（1）、孟遂民教授输电线动力学PPT,2012.2.
（2）、郭应龙,李国兴,尤传永著.输电线路舞动.北京：中国电力出版社，2003
（3）、吴静.大跨越输电塔线体系静动力研究.同济大学博士学位论文，2007.1
（4）、郭勇.大跨越输电塔线体系的风振响应及振动控制研究.浙江大学博士学位论文，2006.4 （5）特高压架空输电线微风振动影响因素分析.水电能源科学，2008
（6）基于动力学方法的特高压输电线微风振动研究.华中科技大学博士论文，2009
（7）输电线路舞动及防舞技术研究.浙江大学博士论文，2010。