導(dǎo)線舞動對輸電桿塔作用的試驗技術(shù)*

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)線舞動對輸電桿塔作用的試驗技術(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)

基于輸電桿塔的實際結(jié)構(gòu)特點及線路舞動發(fā)生的不確定性，在實際輸電線路上開展桿塔的舞動承載特性測試難度較大。以實際舞動損壞的500 kV典型桿塔為原型，采用基于相似理論的結(jié)構(gòu)建模方法實現(xiàn)了輸電塔線體系的實驗室節(jié)段建模，利用機(jī)械加載的方式實現(xiàn)舞動載荷的模擬，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)輸電桿塔的舞動響應(yīng)特性測試。利用該試驗系統(tǒng)，分別進(jìn)行了舞動幅值、頻率變化對輸電桿塔動態(tài)承載特性的影響分析。結(jié)果表明,該試驗系統(tǒng)能夠?qū)旊姉U塔的舞動承載特性進(jìn)行模擬分析。

輸電線路; 舞動; 桿塔; 相似理論; 結(jié)構(gòu)建模; 動態(tài)響應(yīng)特性; 試驗技術(shù)

引 言

輸電線路長時間舞動除造成電氣跳閘、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，在增加線路運行維護(hù)成本的同時，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)舞動所造成的桿塔損壞事故統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，舞動造成機(jī)械損壞的輸電桿塔數(shù)量巨大、個別嚴(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，從舞動發(fā)生機(jī)理及其成因、舞動特性分析到防舞動措施研究等[3-7]，對輸電線路舞動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承載特性及其受損原因鮮有涉及。在舞動問題的研究中經(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，開展實際輸電桿塔的舞動承載特性測試時，需要布置的測點數(shù)量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜；b．實際線路舞動的發(fā)生具有一定的偶然性和隨機(jī)性，無法預(yù)測具體某個線路段何時會發(fā)生舞動。綜合考慮這些因素，利用實際輸電線路桿塔開展舞動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]?？紤]到輸電桿塔的構(gòu)件材料為各向同性的鋼材、導(dǎo)線舞動同樣滿足牛頓運動方程，可以采用結(jié)構(gòu)相似的建模方法來對輸電桿塔的舞動承載特性進(jìn)行分析。

現(xiàn)以500 kV開祥線的實際舞動事故為例，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驗室模型，通過動力加載裝置模擬不同舞動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 輸電塔線體系的實驗室建模

1.1 試驗建模的相似準(zhǔn)則

根據(jù)導(dǎo)線舞動特征，輸電鐵塔在導(dǎo)線舞動作用下的運動方程[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)線舞動時傳遞到輸電塔上的張拉力。

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)特點可知：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，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個相似準(zhǔn)數(shù)的條件，則所建試驗?zāi)Ｐ湍軌蚰M原輸電桿塔結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特性。

1.2 輸電桿塔建模

舞動事件中，實際受損的500 kV開祥線#27桿塔型號為5D-SJ4,桿塔實際高度為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。在試驗建模時，選定包含各橫擔(dān)的塔頭進(jìn)行節(jié)段建模和試驗研究，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)計算得出輸電桿塔張力、應(yīng)力以及表征其運動特征的頻率、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時慣性力對構(gòu)件內(nèi)力的影響及其所需滿足的動力相似關(guān)系，節(jié)段模型的支座設(shè)計為彈性支座，用以模擬桿塔下半部分的整體剛度。在實際舞動過程中，輸電桿塔下半部分所要承受的外載荷是導(dǎo)線舞動時的動態(tài)張拉力，作用在桿塔上時可以視作是壓力和拉力兩種形式的組合。因此，在彈性支座組裝時采用模具彈簧組合并結(jié)合螺栓預(yù)壓的方式來實現(xiàn)。

1.3 覆冰導(dǎo)線建模

在輸電線路的實際運行過程中，導(dǎo)線覆冰存在一定的不確定性，覆冰厚度及形狀與當(dāng)時的氣象條件有關(guān)[13]。因此在進(jìn)行覆冰導(dǎo)線建模時，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，重點考慮導(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。選擇外徑為12 mm、型號為7×19不銹鋼鋼絲繩模擬實際輸電導(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。 輸電塔線體系的實驗室建模如圖2所示。

圖2 輸電塔線體系的實驗室建模Fig.2 The laboratory model of tower-line system

2 舞動加載及測試技術(shù)

2.1 模擬舞動的動力加載技術(shù)

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

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

為了檢驗導(dǎo)線跨中在圓形軌跡的激勵狀態(tài)下能否產(chǎn)生與導(dǎo)線舞動時相似的動態(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。

通過與計算結(jié)果的對比分析發(fā)現(xiàn)：在沿導(dǎo)線方向上的動張力時程能夠較好吻合，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)的搭建與測點布置

根據(jù)桿塔動態(tài)承載特性的測試，在對輸電桿塔的舞動響應(yīng)特性試驗中，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導(dǎo)線與桿塔掛點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，重點在關(guān)鍵部位的受壓和受拉桿件上布點測量。整體的信號采集系統(tǒng)選用TST5912動態(tài)信號分析儀進(jìn)行測量和記錄，為了確保測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠測量，信號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。試驗系統(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 桿塔舞動響應(yīng)特性測試

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

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

通過舞動頻率變化對輸電桿塔舞動響應(yīng)特征值的影響可以看出：所有特征參數(shù)的幅值對舞動半徑變化呈線性變化；而隨舞動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)變對舞動頻率的變化反應(yīng)不是很明顯。由此可以得出：舞動幅值對桿塔舞動承載特征的影響要大于頻率的影響。利用該試驗系統(tǒng)，還可以進(jìn)行舞動事故的反演。根據(jù)舞動現(xiàn)場觀測到的覆冰厚度和舞動幅值進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，用以分析輸電桿塔在導(dǎo)線舞動作用下會發(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，以實際舞動受損的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現(xiàn)導(dǎo)線舞動加載，搭建了輸電桿塔舞動響應(yīng)特征的試驗系統(tǒng)?；诂F(xiàn)有的傳感技術(shù)，搭建了相應(yīng)的信號采集與測試系統(tǒng)。利用搭建的輸電塔線舞動響應(yīng)特性測試系統(tǒng)，能夠根據(jù)現(xiàn)場實測的舞動特征參數(shù)來對實際輸電線路舞動時桿塔受力狀況進(jìn)行模擬分析，同時還具備開展舞動特征參數(shù)變化對輸電桿塔動態(tài)響應(yīng)特性影響的試驗功能研究。為開展舞動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，高級工程師。主要研究方向為輸電線路舞動試驗技術(shù)與輸變電設(shè)備性能檢測。曾發(fā)表《500 kV六分裂導(dǎo)線舞動時的動張力變化特征》(《上海交通大學(xué)學(xué)報》2014年第38卷第9期)等論文。 E-mail:yangxiaohuisoso@163.com