1000kv同塔雙回輸電線路氣彈模型風致響應

1000kv同塔雙回輸電線路氣彈模型風致響應

0特高壓輸電塔線體系風洞試驗研究高壓供電是一種典型的風敏感結構，容易產(chǎn)生大的風振響應。在實際應用工程中,連接有較強非線性特征的輸電導線后,塔-線耦聯(lián)體系在風荷載作用下的耦聯(lián)作用不容忽視。同時,隨著電壓等級的不斷提高,輸電塔高度和輸電線分裂導線數(shù)目的增加,導致輸電塔-線耦聯(lián)體系的破壞形式更難把握?，F(xiàn)行的輸電線路設計規(guī)程中對800kV及以上的特高壓輸電線路抗風設計尚未涉及,而用現(xiàn)有的方法來設計、分析特高壓輸電塔的動力特性和響應時,缺少現(xiàn)場實測和模型試驗的指導,給設計人員造成了不小的困難,也給特高壓輸電塔的抗風安全運行帶來了更多不確定性。多年來,國內外的研究者已分別對輸電單塔、輸電線進行了風洞試驗的研究。不少研究者開始認識到輸電塔耦聯(lián)體系互相作用后對輸電塔破壞的事實,對塔線體系進行了風洞試驗。樓文娟等和付國宏、程志軍等通過試驗發(fā)現(xiàn)在脈動風作用下,結構的順風向和橫風向響應相當,現(xiàn)行的荷載規(guī)范和輸電鐵塔設計規(guī)范中需考慮橫風向的風振響應。鄧洪洲等對大跨越輸電塔線體系動力特性和風振響應進行了研究,發(fā)現(xiàn)塔線體系的阻尼比單塔顯著提高,且塔線體系平面內自振頻率也略高于平面外。謝強等根據(jù)現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn):輸電塔塔身橫膈面設置過少是導致輸電塔風振破壞的一個主要原因,并且通過對不同橫膈面配置方式的500kV輸電塔線耦聯(lián)體系的風洞試驗對此進行了試驗驗證。雖然國內外輸電塔線研究已有一定進展,但對于塔線耦聯(lián)體系風荷載傳遞機理和輸電塔破壞機理的認識仍然不足。隨著我國特高壓電網(wǎng)建設的全面開展,特高壓輸電塔以及大截面8分裂導線的動力特性以及風振響應成為研究的一個關鍵。李正良等結合特高壓漢江大跨越對塔線體系進行了風洞試驗研究。本文以在建的1000kV雙回輸電線路為背景,采用氣動彈性模型風洞試驗的方法,研究了1000kV特高壓輸電塔與8分裂導線、地線、絕緣子的風致振動的特點,從而為特高壓輸電線路的抗風設計提供有意義的參考。1氣動彈模型的設計和風場的模擬1.1導地線模型設計皖電東送淮南-上海輸變電工程起點為安徽淮南變電站,止于上海滬西變電站,線路總長度為2×650km,全線采用同塔雙回鋼管塔。本次風洞試驗輸電塔模型的原型即為此條送電線路中采用的直線自立塔,塔高為103.6m,呼高為57m。線路的水平檔距為510m,垂直檔距為720m。導線為雙回共6相,通過絕緣子分別掛于兩側上中下橫擔懸臂上,每相導線為8分裂的架設方式,采用8×ACSR-630/40的型號,分裂導線的間距為400mm,在整個檔距中通過米字形阻尼間隔棒不均勻檔距地隔開,導線的弧垂達到24m。地線一根采用LBGJ-240-20AC鋁包鋼絞線,另一根采用OPGW,弧垂為18m。該塔的設計基準風速為離地20m高、100年一遇、10min平均最大風速27m/s;設計覆冰厚度為10mm。此次試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-3風洞進行,該試驗室的尺寸為14m×15m×2m,鑒于場地大小的限制,此次風洞試驗模型的幾何相似比取值如下:輸電塔氣動彈性模型的幾何相似比為1:60,按照Davenport等考慮場地條件提出的導地線模型設計方法,將修正系數(shù)設為0.5,可得導地線的幾何相似比為1:120。根據(jù)流體力學試驗的設計要求,除幾何相似外,完全的氣動彈性模型仍需滿足Strouhal數(shù)、弗勞德數(shù)、彈性參數(shù)和阻尼比的相似。但由于導線模型制作工藝上的原因,本次風洞試驗略微放松了弗勞德數(shù)相似的條件,由此自定試驗風速和實際風速比為1:3;此外還需設計構件斷面幾何形狀以滿足輸電塔和導地線氣動外形的相似,質量和剛度的空間分布相似。具體的設計相似比參數(shù)見表1。輸電塔模型塔頭和塔身的主材和斜撐桿件的剛度均采用電極銅管模擬,圓鋼管截面外形采用塑料管模擬。為滿足模型的質量空間分布相似,在電極銅管和塑料外衣之間加入配重。導線模型采用不銹鋼絲模擬導線模型的拉伸剛度,外徑的氣動外形按照縮尺比采用外包熱縮管。由于材料規(guī)格的限制,本次試驗的地線模型材料與導線相同,理論證明和試驗分析表明,地線的相似參數(shù)的略微放松對輸電塔-線體系的風致振動影響非常小。考慮到工程中絕緣子原型為300kN合成絕緣子,本次試驗的絕緣子串采用塑料管模擬,兩端鉸接,按照幾何縮尺比模擬絕緣子串的直徑和質量。對8分裂大截面導線設計間隔棒時,其分肢間距按導地線外徑相似比1:60設計,間距布置采用1:120,材料選擇ABS塑料板,質量相似比仍為1:603。為了模擬邊界條件,試驗中采用五塔四線模型。位于兩端邊界的塔根據(jù)原線路中的塔設計出其等代模型塔來模擬,在設計時保證等代塔的前兩階頻率和振型與原型塔相似。1.2風洞試驗的數(shù)值模擬本次風洞試驗是在同濟大學TJ-3邊界層低速風洞中完成的,該風洞試驗段尺寸為14m×15m×2m,風速控制范圍為1.0~17.6m/s,連續(xù)可調。風洞試驗中通過安裝尖劈、格柵和多排粗糙元,模擬了1:60比例良態(tài)氣候B類地貌流場,流場安裝情況如圖1所示。風速參考點高度為距風洞底壁0.33m處,在模型放置中心測得的平均風速剖面曲線和順風向紊流度剖面曲線如圖2所示,其中縱軸為離地高度,橫軸風速比為實際高度處的風速與離地10m高度處的風速之比。結果表明風洞試驗模擬的風場環(huán)境是符合規(guī)范要求的。1.3加速度傳感器和試驗風速試驗時量測系統(tǒng)分別采用微型高靈敏度壓電陶瓷加速度傳感器、激光位移計和光纖布拉格光柵,塔線體系模型中共布置了40個測點,其中加速度測點6個,位移測點6個,動應變測點28個,如圖3所示。圖中模型輸電塔的塔頭和中部連接處上布置了A1~A6共6個加速度傳感器,測試輸電塔模型的加速度,在塔頭上橫擔和中橫擔處共布置了D1~D6共6個激光位移計,塔腿處布置了4個光柵應變計,在上、中絕緣子處布置了2處動光柵應變計,在迎風面上、中導線布置了共20個動應變光柵,背風面中、下導線絕緣子布置了共2個光柵。加速度傳感器、激光位移計與采集儀器接線號對應關系如表2所示。振動信號經(jīng)電荷放大器放大后,記錄在磁帶記錄儀上,通過NI板輸入計算機并保存信號做數(shù)據(jù)后處理。圖3中“□”標識的點是輸電塔模型上加速度傳感器的位置和編號,“+”標識的點是輸電塔模型上位移計的位置及編號,“·”標識的點是導線、絕緣子和塔腿上的光柵位置及編號。五塔四線的塔線耦聯(lián)體系模型整體布置如圖4所示。在紊流風場中測試時的來流風向為60°和90°,試驗風速級數(shù)范圍為2~6m/s,采用各風速等級為2、3、3.5、4、4.5、5和5.5m/s。加速度、位移響應和動應變響應的采樣頻率均為100Hz,采樣時間均為90s。2模型響應測試結果及分析2.1結構自振特性用自由振動法進行激振,用動態(tài)信號分析儀識別輸電塔結構的自振頻率和阻尼比,表3和表4給出了激勵方向不同時測得的輸電塔模型結構自振特性,其中,fi(i=1,2,3)是結構的第i階自振頻率,ξ1是結構的第1階振型阻尼比。可以看出:掛線后輸電塔的頻率有較大幅度的降低,這主要來自導線對輸電塔動力特性的影響。同時,掛線后輸電塔的阻尼比有了大幅度的提高,主要原因是懸掛著的導線類似懸掛質量擺阻尼器,從而增大了輸電塔的阻尼。2.2分組結構響應的頻率特征圖5給出了單塔和塔線在紊流場90°風攻角下,塔頂順風向、橫風向加速度的均方根響應比較。由圖5可以看出:在90°風攻角情況下,單塔和塔線在順線路方向的加速度響應差別不大,塔線的加速度響應是單塔對應響應的1.31倍;而在順風向時,塔線的加速度響應較單塔有明顯的增大,尤其當風速達到4.5m/s時,塔線的加速度響應約為單塔對應響應的1.73倍。說明此類型特高壓輸電線路在90°風攻角大風時導線對輸電塔結構產(chǎn)生了很大的耦合作用。圖6給出了紊流場、4m/s風速、90°風攻角工況下,單塔和塔線部分測點加速度響應的功率譜比較。由圖6(a)可以看出,在紊流場橫風向下,雖然單塔和塔線的加速度響應幅值較小,但自功率譜在低頻段比較密集,說明輸電塔結構在低頻段被紊流風激起了響應,且對整個響應的貢獻是同一數(shù)量級的。由圖6(b)可以看出,在紊流場順風向下,單塔和塔線的加速度響應幅值較大,單塔的響應以順風向的第1階頻率貢獻為主,塔線的響應以10~20Hz段頻率的貢獻為主。以上這點從試驗現(xiàn)象也得到了驗證:當風速達到4m/s時,單塔和塔線在順風向的變形較大,塔頭部位在橫風向發(fā)生小幅值明顯的振動,說明單塔和塔線的低頻能量對輸電塔結構在橫風向的響應起了不小的作用。如圖7所示,在紊流場60°風攻角情況下,單塔和塔線在順線路和垂直線路方向的響應均相差較小,在順線路方向,塔線的加速度響應為單塔的1.31倍,而在垂直線路方向,單塔和塔線的響應幅值非常大,約為順方向對應響應的4.2倍,可見60°大風情況下,輸電塔線共同作用時還是以垂直線路方向的響應為主。比較在紊流場4m/s風速、60°風攻角情況下的功率譜曲線,如圖8所示,單塔和塔線在順線路方向和垂直線路方向的頻譜能量不盡相同。單塔在兩個方向上的高頻段均出現(xiàn)峰值,說明60°風攻角對這兩個方向單塔的風振響應均有耦合作用。塔線在順線路方向的響應頻譜呈密頻特性,在每一個頻段內都分布著許多頻率成分,而在垂直線路方向的響應頻譜分布較為明顯,僅在單塔固有頻率上以及少數(shù)的幾個高頻處出現(xiàn)了峰值,說明輸電塔體系在紊流場90°和60°風攻角情況下,輸電線的振動會造成輸電塔結構在順線路和垂直線路方向激起不同能量頻率的振動,尤其在順線路方向,各種峰值頻率對應的振型的共同影響,致使輸電塔塔頭部分會在該方向不同風速下發(fā)生不同幅值和頻率的振動,尤其是在風速達到3.5m/s后,這一現(xiàn)象尤為明顯。本次風洞試驗首次采用光纖Bragg光柵測得了輸電塔結構的動應變。光纖Bragg光柵傳感器是利用光柵的波長調制原理以及外界的微擾振動來改變光柵的柵距,再轉化為對應的波長變化量,通過檢測波長的變化來實時測量應變的大小。從圖8可以看出在紊流場90°和60°風攻角情況下,塔線塔腿處的動應變分別為單塔塔腿處的11.9倍和21.5倍,由此也可以看出,在60°風攻角情況下,輸電塔結構受壓塔腿所受應力大于90°風攻角情況,從試驗結果來看,約為1.48倍。圖9和圖10給出了塔線在90°和60°風攻角情況下紊流場與均勻流場加速度和位移響應均方根比較,從圖中可以看出,紊流場中輸電塔結構在順導線方向和垂直導線方向的均方根響應均大于均勻流場的情況。而且,隨著風速的增加,差值也隨之增大,紊流場和均勻流場響應最大的比值達到2.75倍。由此可見在紊流場中,脈動風荷載對結構產(chǎn)生的動力作用遠大于平均風對結構的靜力作用,因此在風環(huán)境下,尤其是對于超限高度和電壓等級的特高壓輸電塔來說,需要合理科學地考慮脈動風對結構的動力荷載作用。圖11給出了在紊流場和均勻流場中導線端部和跨中動應變響應的均方根比較?？缰泻投瞬繉Ь€在紊流場中的響應分別為在均勻流場中的2.79倍和4.67倍,可見紊流場中,脈動風荷載對導線的動力作用也遠大于均勻風荷載的靜力作用,而且由于導線跨中部分受到的風荷載作用較端部和絕緣子連接處導線更為復雜,使得跨中應變大于端部應變,同根導線不同部位不同應變的現(xiàn)象值得進一步研究。3動力荷載的影響a)特高壓塔線體系氣動彈性模型與單塔氣動彈性模型相比,自振頻率有所降低,阻尼有較大幅度