特高壓雙回路輸電線塔線耦聯(lián)體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

特高壓雙回路輸電線塔線耦聯(lián)體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

作為能源輸送的一部分，電動(dòng)汽車作為一個(gè)整體大約占線路總投資的40%，其安全和可靠性直接影響整個(gè)能源系統(tǒng)的整體運(yùn)營和經(jīng)濟(jì)效益。李宏男等隨我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展,特高壓輸電工程進(jìn)入大建設(shè)時(shí)期1塔模型原型線路皖電東送淮南-上海輸變電工程起點(diǎn)為安徽淮南變電站,終點(diǎn)為上海滬西變電站,線路總長2×650km,全線采用同塔雙回鋼管塔。本次地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)輸電塔模型原型即為此條送電線路中的直線自立塔,塔高100.6m,呼高57m。試驗(yàn)原型線路水平檔距510m,導(dǎo)線為雙回共六相,通過絕緣子分別掛在兩側(cè)上中下橫擔(dān)懸臂上。每相導(dǎo)線為八分裂架設(shè)方式,采用8×ACSR-630/40鋼芯鋁絞線,分裂導(dǎo)線間距400mm,在整個(gè)檔距中通過米字形阻尼間隔棒不均勻檔距隔開,導(dǎo)線弧垂24m。地線一根用LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線,一根用OPGW,弧垂18m。原型輸電塔設(shè)計(jì)及線路分別見圖1、圖2。1.1管道塔模型的材料、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)1.1.1幾何相似比確定縮尺模型設(shè)計(jì)時(shí)須先考慮模型縮尺比例及制作材料。據(jù)試驗(yàn)室限高條件,將輸電塔模型幾何相似比定為1∶15,再據(jù)幾何相似比確定縮尺桿件截面尺寸、種類及長度。所選材料應(yīng)具有量低的彈性模量及盡量大的比重,且應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也應(yīng)與原型材料相似試驗(yàn)原型輸電塔由鋼管與角鋼組合而成。其中原型鋼管截面類型18種,縮減后6種,分別為:原型輸電塔角鋼截面20種,縮減后3種,見表2。1.1.2結(jié)構(gòu)自振頻率模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中相似關(guān)系設(shè)計(jì)非常重要。在相似關(guān)系諸多參數(shù)中需先確定3個(gè)基本參數(shù),其它相似系數(shù)可由此推導(dǎo)而得,所確定的相似關(guān)系作為模型設(shè)計(jì)初步相似關(guān)系試驗(yàn)所用特高壓鋼管塔原型結(jié)構(gòu)高100.6m,在滿足試驗(yàn)室限高條件下,將幾何相似比S本文通過數(shù)值計(jì)算與白噪聲掃頻試驗(yàn),獲得塔體結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算值與實(shí)測值,見表4。由表4看出,理論值與實(shí)測值誤差較小,且頻率相似比與設(shè)計(jì)要求(表3)一致,因此塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)要求。1.1.3塔體結(jié)構(gòu)配重確定相似常數(shù)時(shí),同一參數(shù)相似常數(shù)值應(yīng)相同。而已確定水平加速度相似比為3、重力加速度相似為1,二者不相同。此可由配重解決。先算出塔體結(jié)構(gòu)各部所需附加質(zhì)量,再據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)環(huán)形短鋼柱作為配重塊,并將其按配重方案分散布置于主要桿件。即只增加結(jié)構(gòu)重量,不增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度。配重計(jì)算時(shí),將塔體結(jié)構(gòu)分上、中、下橫擔(dān)及塔身結(jié)構(gòu)四部分,分別以1、2、3、4表示(圖3)。其中,上、中、下橫擔(dān)處配重均為8kg,塔身處配重91kg,塔體結(jié)構(gòu)總配重115kg。配重后模型塔見圖4。1.2地線模型的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)1.2.1振動(dòng)臺(tái)幾何縮尺比試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)室進(jìn)行。臺(tái)面尺寸4m×4m。由于原型結(jié)構(gòu)水平檔距510m,若按幾何縮尺比試驗(yàn),振動(dòng)臺(tái)尺寸遠(yuǎn)不能滿足要求。為此,本文用慣性質(zhì)量相似與動(dòng)力特性相似分離方式進(jìn)行導(dǎo)、地線模擬,即將導(dǎo)、地線慣性作用與動(dòng)力特性分別考慮滿足塔線體系動(dòng)力相似關(guān)系。(1)動(dòng)力特性相似條件塔線體系作為整體進(jìn)行縮尺模型設(shè)計(jì)時(shí),需保證輸電塔與導(dǎo)、地線頻率相似比相同,滿足動(dòng)力特性相似。即:其中:S將導(dǎo)線視為懸鏈線,其基本自振頻率為:式中:f據(jù)式(2)可推導(dǎo)出相應(yīng)的導(dǎo)線弧垂與頻率相似比關(guān)系為:式中:S已知S(2)模型導(dǎo)線比及其線密度為保證在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中慣性力相似,導(dǎo)、地線慣性質(zhì)量應(yīng)滿足試驗(yàn)條件。因此需確定配重以滿足慣性力相似。原型線路若按理論水平檔距相似比S為保證按實(shí)際水平檔距相似比S式中:m已知原型導(dǎo)線總質(zhì)量:其中:M由表5導(dǎo)線質(zhì)量相似比為1:675可求得單根模型導(dǎo)線質(zhì)量及線密度:其中:為模型導(dǎo)線考慮弧垂后總長。計(jì)算得實(shí)際設(shè)計(jì)模型導(dǎo)線單根線密度為0.48kg/m,模型地線密度為0.38kg/m。比較表6參數(shù)看出,實(shí)際模型前三階頻率與理論模型期望值吻合較好,從而驗(yàn)證了按該方法設(shè)計(jì)的輸電線基本滿足振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)動(dòng)力特性要求。1.2.2導(dǎo)、地線模型配重設(shè)計(jì)八分裂導(dǎo)線設(shè)計(jì)主要包括導(dǎo)、地線配重、間隔棒、聯(lián)板及各種連接金具等。試驗(yàn)用直徑4mm鋼絞線模擬單根導(dǎo)線,用直徑1.2mm鋼絞線模擬地線。據(jù)導(dǎo)、地線模型慣性質(zhì)量相似關(guān)系,導(dǎo)、地線模型線密度應(yīng)為0.48kg/m、0.38kg/m。由于所選鋼絞線密度遠(yuǎn)低于模型設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)、地線密度,因此需用附加質(zhì)量滿足所需慣性質(zhì)量要求?？紤]導(dǎo)、地的弧垂特性及配重分布等因素,選直徑5mm環(huán)狀鍍鋅鐵鏈作為單根導(dǎo)線配重。選直徑3mm環(huán)狀鍍鋅鐵鏈作為地線配重。用寬20mm、厚2mm、直徑140mm的側(cè)壁等間距開孔圓環(huán)模擬間隔棒,并將聯(lián)板設(shè)計(jì)為兩種,即模型塔聯(lián)板與等代塔聯(lián)板。制作完成后的八分裂導(dǎo)線及配重安裝見圖5。1.3模型緣串密度等代塔為三塔兩線體系模型中緊鄰模型塔的兩基塔,設(shè)計(jì)原則為其強(qiáng)軸向頻率、弱軸向頻率及扭轉(zhuǎn)頻率與模型塔一致,見圖6。表7為等代塔與模型塔頻率的對(duì)比關(guān)系。由表7看出,本文設(shè)計(jì)的等代塔完全可滿足試驗(yàn)動(dòng)力特性要求。絕緣子串主要作連接導(dǎo)線與輸電塔橫擔(dān),將導(dǎo)線作用力傳遞至輸電塔。試驗(yàn)中將絕緣子串視為兩端鉸接剛性桿,按幾何縮尺比計(jì)算模型絕緣子串直徑及質(zhì)量。試驗(yàn)用直徑30mm、壁厚2mm、長650mm鍍鋅鋼管模擬絕緣子串。由于試驗(yàn)用三塔兩線體系總跨度超過振動(dòng)臺(tái)面尺寸,故制作錨固于振動(dòng)臺(tái)面的剛性懸挑底座,見圖7。1.4懸掛質(zhì)量擺基頻邊界條件模擬對(duì)塔線耦聯(lián)體系試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)至關(guān)重要。輸電塔掛上導(dǎo)線后,張力應(yīng)處于自平衡狀態(tài)。為使試驗(yàn)導(dǎo)線張力平衡,本文設(shè)計(jì)出懸垂擺系統(tǒng),通過懸掛質(zhì)量塊平衡導(dǎo)線內(nèi)張力。導(dǎo)、地線張力平衡需滿足:(1)懸掛質(zhì)量塊重力應(yīng)能平衡導(dǎo)線張力;(2)懸垂質(zhì)量擺基頻與導(dǎo)線面外振動(dòng)一階頻率一致。計(jì)算導(dǎo)線因自重產(chǎn)生的不平衡張力,抵消其所需拉力通過懸掛質(zhì)量塊方式施加,取直徑6mm繩索,一端連接懸掛質(zhì)量塊,另一端繞過滑輪連接到與等代塔相連的聯(lián)板上,從而形成懸掛質(zhì)量擺系統(tǒng)(為便于設(shè)計(jì)方案實(shí)施,試驗(yàn)前將設(shè)計(jì)好的空間鋼架焊接至六個(gè)橫擔(dān)處,以此作為單擺系統(tǒng)吊點(diǎn))。在滿足力平衡基礎(chǔ)上,考慮頻率的一致性,即以懸垂質(zhì)量擺頻率與導(dǎo)線一階頻率相等為條件確定擺長為0.54m。試驗(yàn)設(shè)計(jì)邊界條件見圖8。2振動(dòng)箱試驗(yàn)方案2.1振動(dòng)面板的輸入由于原型輸電線路跨越距離較長,所經(jīng)地區(qū)場地條件不盡相同。因此,選二類場地Taft波、三類場地EL-Centro波及Pasadena波、四類場地上海人工波(SHW2)作為振動(dòng)臺(tái)面輸入。地震動(dòng)持時(shí)按相似關(guān)系壓縮為原地震波的1/6.7,各水準(zhǔn)地震下臺(tái)面輸入加速度峰值按上海市規(guī)程2.2塔-線模型布置試驗(yàn)用3種傳感器分別為:壓電式加速度傳感器,拉線式位移傳感器,電阻式應(yīng)變片,見圖9。加速度、位移傳感器除在塔頂、模型底座布置外,沿塔身高度兩方向即順線路方向與垂直線路方向均勻布置。在模型塔聯(lián)板處布置加速度計(jì),塔頂兩地線支架處分別布置加速度傳感器,經(jīng)比較二測點(diǎn)差值可獲得結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)反應(yīng)。應(yīng)變片主要分布在塔腿主材、斜材及塔身斜材處。為獲得絕緣子動(dòng)應(yīng)力變化及地線在地震反應(yīng)過程中應(yīng)變數(shù)據(jù),分別在上橫擔(dān)絕緣子處、靠近地線支架的地線上布設(shè)應(yīng)變片。2.3基塔及導(dǎo)、地線安裝試驗(yàn)時(shí),三塔兩線耦聯(lián)體系模型安裝分四步:(1)將澆筑好的混凝土剛性底座吊裝至振動(dòng)臺(tái)面并通過螺栓與臺(tái)面牢固連接;(2)將三基塔依次吊裝至混凝土底座位置處與預(yù)埋螺栓牢固連接;(3)將導(dǎo)、地線吊裝并連接至相應(yīng)橫擔(dān)及地線支架處;(4)安裝位移計(jì)腳手架并布置傳感器。安裝后的三塔兩線耦聯(lián)體系振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場見圖10。3特高壓輸電線路塔線模擬(1)特高壓輸電塔線耦聯(lián)體系縮尺模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究中,針對(duì)鋼管塔工程要求,按振動(dòng)臺(tái)模型線彈性相似理論