不同类风场雨滴冲击荷载对输变电塔线体系动力响应的影响研究

输变电塔体系遭受风雨耦合作用破坏时常将原因归于风荷载,忽略了雨荷载耦合激励的放大效应。针对某输电线路“一塔两线”体系模型,以数值方法模拟良态风雨场与湿下击暴流场的风雨时程荷载,分别对塔线体系进行动力响应分析,结果表明:降雨对输电塔线体系的响应,具有显著影响,随着雨强变大,塔线体系响应增大明显;在极值降雨条件下,湿下击暴流场塔顶位移增幅最大,在X向和Y向分别达到31.30%和33.93%;两种风雨场中塔顶位移及加速度功率谱密度均出现明显增幅,体系共振响应增强,塔身关键位置主材应力分别增大了11.64%、37.07%;在不同类风场中,强降雨时雨滴冲击对塔线体系产生的激励增大作用不可忽略。

考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法

刚性直棒法作为一种简单高效的输电导线风偏响应估算方法,在输电工程领域得到了广泛的应用,然而其适用对象仅限于水平风作用下的未覆冰导线,对于线路常遇的覆冰以及二维风荷载情况未能涉及。该文采用阵风荷载包络线法(GLE法)推导了二维等效静力风荷载的表达式,获得了考虑二维风荷载作用的导线风荷载调整系数,通过引入二维等效静力风荷载改进了现有刚性直棒法,改进后的刚性直棒法综合考虑了线路是否覆冰、二维风荷载、上升气流以及风的脉动效应。建立了某真型输电线路的精细化有限元仿真模型,采用覆冰导线气动力风洞试验结果和非线性数值仿真验证了改进后刚性直棒法的准确性。基于改进后的方法分析了竖向平均风速和导线覆冰厚度对风偏响应的影响。研究表明:考虑二维等效静力风荷载的导线风偏刚性直棒法是一种准确度明显提高的通用方法,能适用于常规的、覆冰的、有上升气流的多种工况下的导线风偏位移计算。

服役输电线路风致响应及寿命预测分析

庞大的输电系统是国家最重要的基础设施之一,确保其在长期风荷载作用下的安全性和可靠性,是应该重视的关键问题。采用Abaqus建立了输电塔线体系的精细化有限元模型,对风荷载进行了模拟,考虑受压杆件失稳,通过动力计算方法分析了塔线体系响应并据此确定了其薄弱位置。进一步地,以薄弱杆件的应力时程为指标,基于Miner线性准则描述的损伤规律,采用雨流法预测了不同风速下塔线体系的寿命;随后研究了风荷载模拟关键参数对结构预测寿命的影响,对线路进行整体上的评估。结果表明:以构件失效作为塔线体系结构整体破坏的准则,可为塔线体系的寿命预测提供一定的参考;结构的预测寿命主要由薄弱构件(变坡处主材)控制;此外,风荷载模拟参数对预测寿命有较大影响,持时不同预测寿命差距较大,Kaimal谱模型预测寿命比随机Fourier谱更偏于保守;粗糙长度与预测寿命负相关。

强风下导线的等效随机静风荷载概率模型

输/配电线路是典型的风振敏感结构,而且导线风荷载往往大于杆塔自身风荷载。结构风荷载常呈现强随机性,合理地考虑这种随机性是输/配电线路抗风设计与风险评估的基础。该文以气弹模型风洞试验为依据,结合随机风振反应基本理论,获得导线等效静风荷载的计算方法;引入强风风场特性参数的随机性,推导并拟合得到导线的等效随机静风荷载概率模型;将建立的随机风荷载概率模型应用于配网结构的可靠度分析中,评估现有配网结构规范设计的可靠度水准。分析结果表明,导线风荷载效应占比大于5%时,按现有配网线路规范设计的构件可靠度指标低于构件呈现二级延性破坏所对应的目标可靠度水平。该文建立的随机风荷载概率模型,考虑了平均风荷载的随机性、脉动风荷载的随机过程性及其对结构的随机动力效应,同时引入了描述脉动风随机过程特性参数的随机性,可应用于强风下输/配电网的抗风设计和风险评估。

基于±800 kV特高压直流输电线路的中美规范风荷载对比研究

针对±800 kV特高压直流输电线路设计的中美标准,从结构重要性系数、分项系数、重现期等方面对风荷载进行全面探讨分析,并深入研究基本风速、地形地貌和高度影响因素、风载体型系数以及动力特性的取值方法。结合典型±800 kV特高压直流输变电工程,将中美规范的风荷载进行对比分析,得出美国规范的线条风荷载和塔身风荷载标准值均高于中国规范,但线条风荷载设计值小于中国规范30%左右,塔身风荷载总设计值(各风压段之和)与中国规范基本相等。结合典型杆塔计算分析,发现美国规范的风荷载整体设计水平低于中国规范约23%。

风荷载作用下输电线路应力试验及金具失效分析

针对风荷载作用下架空输电线路存在线路共振、塔架倾斜和绝缘性能下降等缺点,本文提出了一种输电线路在风荷载作用下的应力评估方法及金具失效分析方法,将结构参数和风荷载的不确定性结合到一个数值模型中。首先,为了提高计算效率,提出了一塔两跨的简化模型,通过在静态和动态条件下与完整的塔线系统进行比较,验证了该模型。接着,介绍了风荷载作用下输电塔的应力分析过程,建立不确定性的风荷载模型并进行非线性动力分析。随后,确定随机变量及其相应的概率分布。最后,对一个实际运行的输电塔进行了风荷载作用下的算例分析。实验结果表明,与传统的FEM和改进的DLC-FEM等模型相比,本文所提的DLC-GFM-FEM模型考虑了风攻角、阻力和升力系数等因素,在塔移距离、输电线路应力和金具失效概率等方面的评估精度更高,鲁棒性更强,将有助于提高输电线路在风荷载作用下的安全性和稳定性。

中美两国现行输电线路设计规范风荷载计算参数对比分析

中国输电线路设计规范与美国存在一定的差异,为较好地适应国外电网工程设计,选取美国ASCE 74—2009《输电线路结构荷载导则》与中国GB 50545—2010《110 kV~750 kV架空输电线路设计规范》,针对两者风荷载计算公式中的风压高度变化系数、体型系数、风荷载调整系数及地形影响因子等参数进行了对比分析。结果表明:ASCE 74—2009中的风压高度变化系数小于GB 50545—2010设计值;GB 50545—2010的导、地线体型系数比ASCE导则值大10%~20%;ASCE 74—2009的阵风响应因子与GB 50545—2010中的塔身风荷载调整系数大致相同;当设计风速超过27 m/s时,两者的线条风荷调整系数差距较小;对特殊地形,ASCE 74—2009考虑了地形影响因子,但在实际工程中的应用范围较小;GB 50545—2010与ASCE 74—2009中对杆塔构件和导、地线覆冰时的风荷载计算存在较大差异,ASCE 74—2009通常不考虑覆冰引起的结构挡风面积增加的影响。

基于Actuatorline模型的风力机数值模拟研究

Ma PFlow-Actuator line模型是一种通过引入体积力代替叶片的致动线技术与三维Navier-Stokes方程相结合来对风力机周围流场进行数值模拟的方法。采用Ma PFlow-Actuator line模型对NREL phase VI风力机叶轮进行数值模拟,将叶片载荷分布与实验数据进行对比,结果表明该模型较为准确。

典型覆冰形状下输电线路风荷载影响研究

风荷载对输电线路覆冰监测精度的影响显著,需要对不同覆冰形状下导线风荷载进行研究。该文总结了6种线路典型冰形,通过计算流体力学方法得到各覆冰形状下导线的气动阻力系数,在此基础上研究了覆冰发展过程中覆冰形状、扭转角和覆冰类型对导线风荷载的影响规律,并计算了各气象冰区下不同冰形的覆冰增大系数,与现行规范进行比较并给出了取值建议。结果表明,各冰形气动阻力系数受到冰厚、扭转角、风速的影响,新月和扇形覆冰阻力系数受三者影响均较大,D形和椭圆形主要受到扭转角的影响,而圆形覆冰受三者影响均很小;在导线覆冰发展过程中,新月形和椭圆形覆冰在扭转角为90°时风荷载最大,0°时最小,扇形和D形覆冰则在扭转角为0°时最大,60°和90°时最小,且混合淞的风荷载大于雨凇;对于同一条输电线路,其风荷载在新月形和椭圆形覆冰且扭转角为90°时达到最大;对于各气象区,采用现行规范中的覆冰增大系数取值进行输电线路设计将会在部分冰形覆冰情况下存在风险和隐患,对于大多数普通线路,建议结合不同冰区的主要冰形和不同线路类型的扭转情况,并综合考量经济性和安全性进行系数选取,针对重要枢纽线路,需要保证任何覆冰情况下均安全运行,推荐取值为3.5~3.6。

Short-Term Reliability Evaluation of Transmission System under Strong Wind and Rain

The impact of strong wind and rain loads will adversely affect the reliability of the overhead lines, it’s necessary to study changes in risk of transmission system and establish the reliability model of overhead lines through the strong wind and rain loads. In this article, the stochastic properties of overhead lines’ strength and loads were used, according to principles of structural reliability, time-dependent failure probability model of overhead lines was established under the impact of strong wind and rain loads. Simulation of the IEEE-79 system demonstrates that failure probability model is effective. This simulation result also shows that the impact of strong wind and rain loads will seriously affect reliability indices of system loads, rain loads cannot be ignored under strong wind and rain loads.

螺旋线对斜拉索涡激振动特性影响的试验研究

为研究不同参数的螺旋线对斜拉索涡激振动特性和气动力的影响规律,进行了针对表面无螺旋线斜拉索和缠绕不同参数螺旋线斜拉索的节段模型风洞试验,螺旋线参数包括根数、直径和缠绕间距.结果表明:斜拉索表面缠绕1根螺旋线的涡激振动振幅远大于2根或3根螺旋线;在亚临界雷诺数区,缠绕螺旋线斜拉索的平均气动阻力系数均小于无螺旋线斜拉索,最多可减小10.9%;缠绕2根螺旋线的斜拉索平均阻力系数整体比3根螺旋线小.斜拉索表面缠绕间距s=8D(D为斜拉索直径)的2根螺旋线时,缠绕直径d<15 mm螺旋线的斜拉索涡激振动现象明显;d≥15 mm的螺旋线可显著降低斜拉索涡激振动响应幅值,其脉动升力系数相较于无螺旋线斜拉索有明显降低,证明缠绕大直径螺旋线对涡激振动响应控制的有效性.螺旋线的缠绕间距对斜拉索涡激振动的影响与螺旋线直径有关,当螺旋线直径较小时,缠绕间距对涡激振动的影响并不明显;当螺旋线直径较大时,间距的大小直接影响涡激振动的抑制效果.

不同覆冰状态下导线风致振动响应仿真

为研究动态风载作用下不同覆冰状态下输电导线的动力响应,利用谐波叠加法模拟多点相关的脉动风速时程曲线,得到不同覆冰形式下的风荷载,建立导线有限元模型,对不同覆冰状态下输电导线各特征参数和风速的相关性,并对导线振动特性以及动张力特性进行分析。结果表明:在随机风作用下,不均匀覆冰对风速的相关性最强;相同风速下,覆冰厚度和覆冰形式对导线振动特性影响不大;均匀覆冰时,导线张力峰值在15 mm覆冰时达到最大,张力峰值为69180.4 N;不均匀覆冰状态下,中央重覆冰对导线张力的影响强于两侧重覆冰。

沙尘暴期间运动尘颗粒对高压输电导线施加的应力预测

针对沙尘暴期间输电导线动力学行为分析中运动粉尘颗粒对高压输电导线施加的应力预测,以引入的粉尘颗粒与输电导线的碰撞概率为基础,应用弹性碰撞模型和颗粒运动方程对碰撞时间予以定量预测,提出一种基于粉尘颗粒和输电导线尺度、粉尘质量浓度及流场作用的粉尘颗粒对输电导线施加应力的计算方法.揭示了以上因素对应力的影响规律:应力随粉尘颗粒的速度近似呈线性增大;随输电导线的半径近似呈线性增大;随粉尘颗粒的半径近似呈指数形式减小.结果表明,在输电线路设计中,不仅要考虑风荷载,还需考虑运动粉尘颗粒的作用.

风荷载对导线应力弧垂和绝缘子摇摆角影响研究

风荷载是架空输电线路设计主要的控制荷载之一,与导线力学特性和塔头电气间隙密切相关。与国内之前的输电线路设计规程相比,修订后的设计规程及国际电工技术委员会相关标准均考虑了脉动风效应,因而同一设计风速对应的风荷载并不相同,该变化会对导线弧垂和塔头风偏计算产生影响。基于灵敏度分析方法,研究导线应力、弧垂和绝缘子串摇摆角随风荷载变化的规律,考虑控制气象条件、杆塔Kv值等因素的影响。结合工程实例,分析并验证方法的有效性。

高比例柔性负荷接入下的风电场集电线路方法

为保证风电场集电线路输送潮流时的稳定性,在高比例柔性负荷接入下提出了风电场集电线路入廊规划方法。调度接入工业高载能负荷与柔性负荷2种高比例柔性负荷,并将其作为风电场集电线路入廊规划方法的目标函数;构建风电场集电线路潮流约束,限制线路输送潮流,设计高比例柔性负荷约束,结合潮流约束与高比例柔性负荷约束构建线路入廊规划方法,并使用蚁群算法获取全局最优解,得到最佳规划线路。经实验验证:该方法接入高比例柔性负荷后,具备明显的削峰填谷能力。

随机风荷载作用下耐张串金具的力学性能仿真分析

随着高压输电线路长度和运行年限的增加,极端天气的频繁发生导致线路在大风荷载作用下发生金具破坏的可能性增大。采用谐波叠加法模拟了沿线路方向多点随机风速时程曲线,基于准定常假设将风速转换为风荷载,得到了随机风作用下导线的位移和张力。在此基础上研究了档距、高差等参数变化对导线张力的影响。建立耐张串金具的精细化有限元模型,模拟耐张串各金具的相互运动。将计算得到的导线张力施加到耐张串有限元模型上,得到最不利工况下的金具应力分布情况。仿真结果表明,耐张串金具最容易发生破坏的金具为U形挂环,在其接触区域容易发生磨损。其次,直角挂板和梯形联板在左、右挂点表现出了不同的安全性,高悬挂点处更容易发生破坏。此外绝缘子串球头部位的应力较大,在受到极端荷载作用时容易断裂。

输电塔-线体系罕遇地震-风共同作用下的多灾害响应研究

输电线路一般位于空旷地带,遭遇地震作用时,一般同时承受风荷载,有必要对其地震-风耦合作用下的多灾害响应进行研究。采用ABAQUS分析软件,建立某输电塔-线体系有限元模型。基于Kaimal功率谱密度函数,采用谐波叠加法进行风场模拟,生成输电塔-先体系各加载点风荷载动力时程,用以计算输电塔结构风振响应。选取三组三维地震波,分别对输电塔-线体系进行罕遇地震作用、罕遇地震-风耦合作用下的响应分析,研究风速、耦合作用时间及风向对结构动力响应的影响。研究结果表明:风荷载对输电塔-线体系罕遇地震作用下响应的影响不容忽视,其风荷载影响系数随风速的增大呈增大趋势。风荷载与地震作用耦合时间影响多灾害峰值响应,当单独作用的极值响应(正负号相同)接近于同一时刻发生时,输电塔极值响应可明显增大。风向对输电塔-线体系多灾害响应影响显著,不同风向的风荷载可能增大也可能减小输电塔在罕遇地震作用下峰值响应。

输电塔-线体系覆冰增长动态响应分析

为了有效分析输电线路在覆冰作用下的正常运行情况,针对重覆冰区气象特征,结合旋转圆柱覆冰增长模型对覆冰区域进行12 h覆冰荷载及风荷载的计算;根据110 kV输电线路特征,采用梁杆分析单元,建立多塔塔-线耦合有限元模型;然后,基于有限元法(FEM)分析软件ANSYS进行覆冰增长动态响应分析.研究表明:在12 h覆冰过程中,线路整体运行平稳,不会出现失稳倒塔现象;不均匀档距和高差在顺线路方向对杆塔影响较大,12 h覆冰过程中杆塔塔头最大应力分别超过标准杆塔7.6%和12.2%;转角由于横向力作用对杆塔扭转影响较大,12 h覆冰过程中转角10°和15°的杆塔塔身最大应力分别超过标准杆塔98.5%和192.4%;线路中不均匀档距、转角及高差产生的不平衡张力是导致杆塔变形增大的主要原因.分析结果同线路实际运行情况相符,可用于架空输电线路覆冰可靠性分析和指导线路除冰.

覆冰输电塔—线体系的抗风加固设计

输电塔-线体系为高耸柔性结构,易受风荷载与覆冰荷载的影响。随着设计标准的提高,一些运行时间久、建设标准低的老塔需要维护,同时新建塔缺少抗风抗冰结构加强性设计指导。文章以某220 kV猫头型输电塔塔线耦联体系为研究对象,运用有限元模拟结构在风冰耦合工况下的运行状况,结果表明:输电塔-线体系在风载冰载作用下杆塔的挂线点、塔身中部、塔腿主材可能出现局部破坏。针对这一系列杆塔安全性能不足的问题,可采用增大主材截面与添加横格的措施对结构进行加固。运用弧长法分析加固前后输电塔的静力承载能力,得出以下结论:加固塔腿主材经济有效;添加横格安全性能提升最大;加固塔身主材耗材多且效果差,为最不理想方案。

特高压输电线路拉线塔拉线-金具系统的风载荷计算及疲劳特性分析

本文主要探究了拉线-金具系统风载荷与疲劳寿命的计算方法。文章以特高压输电线路拉线塔上的拉线-金具系统作为研究对象,首先使用概率密度函数计算该系统的风载荷,随后构建单柱拉线塔仿真模型,改变风载荷条件,模拟拉线塔在不同条件下的风振响应,并绘制疲劳破坏区的应力时程曲线。利用“雨流计数法”求出拉线-金具系统疲劳区的应力幅循环次数,在此基础上基于Miner线性累积疲劳损伤理论估算出拉线-金具系统的疲劳寿命,为检修工作的开展提供了依据。