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输电线路舞动分析及防舞技术研究

作　者: 孙珍茂
导　师: 楼文娟
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 舞动风洞试验非线性分析导线覆冰 CFD 输电线路防舞技术扰流防舞器新型液体阻尼器
分类号: TM75
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 696次
引　用: 5次
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内容摘要

覆冰输电导线在一定风速下常发生舞动,它是一种低频率、大振幅的自激振动。舞动的振幅通常很大,对输电线路的安全运行具有很大的威胁。随着电力建设的大规模发展,对舞动的深入研究是一项十分紧迫的任务。本文从舞动响应的模拟及防舞技术两方面对舞动进行了研究,论文的主要研究内容和成果有：利用拉格朗日方程推导了装有压重或者失谐摆防舞器的覆冰导线统一的非线性运动微分方程组；利用Runge-Kutta方法求解该微分方程组,得到了导线舞动响应的数值解；将导线所受气动力用泰勒公式展开到第三阶,用平均法求解简化后的微分方程组,得到舞动响应的简化解析解。根据微分方程稳定性理论提出了舞动临界风速的计算方法。推导了分裂导线扭转刚度的计算公式。得到的主要结论有：扭转角小于90°时,分裂导线扭转刚度大致为常数,可用初始扭转刚度作为分裂导线的扭转刚度；单导线只有当风速位于某一范围时才舞动,而分裂导线只要风速超过临界风速就必定会舞动,不会出现风速过大舞动停止的现象；单导线和分裂导线舞动振幅与导线跨中垂度的关系是相似的,两者都存在一个最不利的跨中垂度使舞动振幅最大；单导线舞动振幅存在最不利的档距,而分裂导线的振幅则随着档距的增大而增大。推导了考虑导线扭转自由度的三节点索单元的单元质量矩阵以及刚度矩阵,编制了计算导线舞动响应的非线性有限元程序。建立了塔线耦联的有限元模型,研究了输电塔对舞动的影响。用谐波叠加法模拟了考虑空间相关性的人工风速时程,研究了风速脉动及空间相关性对舞动的影响。得到的主要结论有：非线性有限元方法模拟得到的横风向舞动向上振幅比线弹性方法向上舞动振幅略大,而向下舞动的振幅却略小；舞动时导线的最大动张力要大于导线的静张力,单导线的最大动张力随着风速增大先增大后减小,存在最大值；而分裂导线的最大动张力则随风速增大而增大；输电塔对舞动振幅略有影响,其影响的幅度与风速有关；考虑风速脉动后导线舞动振幅略有增大。研究了新型液体阻尼器的设计及其防舞效果,研究了压重防舞器及失谐摆在单导线和分裂导线上的防舞效果。得到的主要结论有：按照本文提出的方法设计的新型液体阻尼器的防舞效果较好,若设计参数不当,新型液体阻尼器的防舞效果则不太理想；压重防舞器在单导线上效果较好,在分裂导线上效果较差；失谐摆在单导线上非常有效,在分裂导线上效果甚微。利用风洞试验实测了新月形覆冰导线及装有不同直径的扰流防舞器覆冰导线的气动力系数曲线,利用CFD技术数值模拟了扰流防舞器的气动力系数曲线,研究了扰流防舞器覆盖率与舞动振幅的关系,得到的主要结论有：各种直径的扰流防舞器都具有一定的防舞效果,直径0.75D的扰流防舞器防舞效果最佳；当扰流防舞器的覆盖率达到30%以后,覆冰导线的舞动可以得到完全抑制。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-13
第1章绪论  13-27
  1.1 引言  13-15
  1.2 我国舞动发生情况  15-16
  1.3 舞动的研究现状  16-25
    1.3.1 导线舞动机理  16-19
    1.3.2 导线舞动发生条件及响应分析  19-21
    1.3.3 导线舞动的室内试验  21-22
    1.3.4 导线舞动的室外试验  22-23
    1.3.5 防舞技术  23-25
  1.4 本文的主要工作  25-27
    1.4.1 本文的研究背景及意义  25
    1.4.2 本文的研究内容  25-27
第2章输电导线舞动的假设模态法分析  27-58
  2.1 引言  27
  2.2 装有防舞器的输电导线运动方程  27-34
  2.3 舞动的临界风速  34-36
  2.4 分裂导线的扭转刚度  36-40
  2.5 装有防舞器的覆冰导线初始形状  40-42
  2.6 舞动的数值模拟  42-43
  2.7 数值模拟算例及分析  43-52
    2.7.1 算例  43-46
    2.7.2 临界风速  46-48
    2.7.3 对尼戈尔舞动机理的验证  48-49
    2.7.4 舞动振幅影响因素分析  49-52
  2.8 导线舞动的简化解析解  52-56
  2.9 本章小结  56-58
第3章输电导线舞动非线性有限元分析  58-82
  3.1 引言  58
  3.2 有限元模性  58-66
    3.2.1 考虑扭转的三节点抛物线等参单元  58-62
    3.2.2 绝缘子串及间隔棒的有限元模型  62-63
    3.2.3 输电塔的有限元模型  63-66
  3.3 有限元方程组及解法  66-68
  3.4 风荷载的模拟  68-71
  3.5 算例及分析  71-81
    3.5.1 导线振动模态分析  71-74
    3.5.2 单导线舞动分析  74-76
    3.5.3 分裂导线舞动分析  76-77
    3.5.4 多跨单根导线舞动分析  77-79
    3.5.5 舞动的参数分析  79-80
    3.5.6 塔线耦联及风速脉动对舞动的影响  80-81
  3.6 本章小结  81-82
第4章新型液体阻尼器、压重及失谐摆防舞研究  82-103
  4.1 引言  82-83
  4.2 新型液体阻尼器  83-97
    4.2.1 新型液体阻尼器结构及机理  83-84
    4.2.2 液体晃动方程及模态分析  84-87
    4.2.3 液体晃动等效力学模型  87-88
    4.2.4 等效力学模型算例  88-91
    4.2.5 新型液体阻尼器参数设计  91-95
    4.2.6 新型液体阻尼器防舞效果分析  95-97
  4.3 压重防舞器  97-99
  4.4 失谐摆防舞器  99-102
  4.5 本章小结  102-103
第5章扰流防舞器气动力特性风洞试验  103-114
  5.1 引言  103-104
  5.2 风洞试验  104-112
    5.2.1 试验设备和模型  104-106
    5.2.2 覆冰输电导线气动力特性  106-107
    5.2.3 安装了扰流防舞器的无覆冰导线气动力特性  107-109
    5.2.4 安装了扰流防舞器的覆冰导线气动力特性  109-111
    5.2.5 防舞效果分析  111-112
  5.3 本章小结  112-114
第6章扰流防舞器气动力特性CFD模拟及其防舞效果  114-125
  6.1 引言  114
  6.2 CFD基本理论  114-119
  6.3 覆冰输电导线气动力特性CFD模拟  119-121
  6.4 扰流防舞器气动力特性CFD模拟  121-122
  6.5 扰流防舞器防舞效果的有限元模拟  122-124
  6.6 本章小结  124-125
第7章结论与展望  125-129
  7.1 本文的主要研究成果和结论  125-127
  7.2 本文的主要创新点  127-128
  7.3 展望  128-129
参考文献  129-135
作者简历  135
攻读博士学位期间发表和录用的学术论文  135

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