特高压输电线路钢管塔微风振动的防治

输电线路钢管塔的微风振动, 是其部分圆截面构件在较低风速时发生的由卡门涡街引起的横风向运动。1 000 kV 特高压同塔双回线路杆塔采用钢管塔方案, 其微风振动问题不可忽视, 有必要制定切实可行的防治措施。从杆塔结构设计角度, 可采取合理确定微风振动起振临界风速、改变构件圆截面形状等预防措施; 对运行线路钢管塔, 可采取附加扰流装置、缩小构件长细比、增加构件阻尼等治理措施。     

输电线路钢管塔构件微风振动分析

基于钢管塔构件微风振动的机理,推导了考虑构件轴向力作用的钢管塔构件微风振动起振临界风速的计算方法,给出了不同杆端约束钢管构件不发生微风振动的最大长细比限值计算公式。 分析发现,对于小管径的钢管构件,仅通过控制长细比抑制其微风振动,势必造成巨大的浪费。 计算表明,当钢管构件的长细比不小于76时,在50年的设计使用寿命期内,构件的微风振动不会导致其发生疲劳破坏。     

输电线路钢管塔微风振动及其对结构安全性的影响

输电钢管塔的微风振动, 是其部分圆截面构件在较低风速时发生的由卡门涡街引起的横风向运动。文章根据振动理论给出微风振动钢管构件的起振临界风速Vcr 和共振力的简明计算方法, 分析了共振产生的弯曲和疲劳应力对易发生微风振动的杆塔斜材和辅材结构安全性的影响。计算结果表明, 共振弯曲应力一般不会造成构件弯曲破坏, 但高频振动可能导致结构疲劳破坏, 尤其是杆端约束接近于固接的构件。     

插板和法兰连接钢管杆端约束界定与起振临界风速计算

文章从等直径钢管起振临界风速曲线,分析了采用控制钢管一阶起振临界风速不小于15 m/s这一方法未能有效抑制微风振动的原因,指出该曲线存在的主要缺陷是与《规定》选择辅材原则相冲突,建议钢管塔选择辅材时其一阶起振临界风速尽量接近15 m/s。     

1000kV特高压输电塔线体系风荷载传递机制风洞试验研究

为研究输电塔线体系的风荷载传递机制,以皖电东送淮南—上海输变电工程1000kV特高压送电线路中的直线钢管塔为设计原型,在同济大学TJ-3风洞试验室进行了输电塔–八分裂导线五塔四线耦联体系完全气弹模型风洞试验,测得了体系的加速度和位移响应。采用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感器,测得了塔身主材、导线及绝缘子在风荷载作用下的动应变。通过对不同风攻角、流场及风速工况下塔线体系动力响应数据的统计与分析,总结出了导线、绝缘子和输电塔风致振动规律;通过功率谱密度分析,揭示了输电塔线耦联体系的风荷载传递机制。研究结果表明,塔线体系风致振动呈现强非线性耦合作用,导线及绝缘子的振动对输电塔具有重要影响,随着风速的增加,导线高阶振型对能量的贡献增大。     

输电导线风致振动响应特性及影响因素分析

针对输电导线风致振动现象进行研究,重点分析了不同风速和张紧力下输电导线振动响应幅频特性及能量耗散状况.研究结果表明,输电导线振幅随风速的增加而增长,提升张紧力对导线振动具有显著的抑制效果.随着风速增大,张紧力对振动的影响逐步增大,振幅随张紧力的增大逐渐降低.导线能量耗散与吸收率的变化与振幅变化趋势基本一致,随来流风速增加而增加,随张紧力的增加而降低.该研究结果对探索导线风振抑制方法具有重要的指导意义.     

我国输电线路杆塔结构研究新进展

特高压电网的建设、输电新技术的推广应用给输电线路杆塔的研究提出许多新的课题,安全可靠、经济合理是杆塔结构研究的主要目标和方向。文章介绍了我国输电线路杆塔结构近年来在荷载取值、节点构造、结构优化、风致振动(塔线耦合振动和钢管塔微风振动)以及新材料应用(高强钢、钢管、耐候钢和冷弯型钢)等方面的研究进展以及工程应用情况。并根据研究现状和社会经济发展需求,提出我国杆塔结构在设计理论和方法、承载性能试验以及新材料应用、新塔型等方面需要进一步研究的内容。     

高压输电塔线体系抗风设计风洞试验研究

为研究高压输电塔线体系的合理化抗风设计,进行了气动弹性模型风洞试验。模型分设置附加横隔的塔线体系和按现行规范设计的无附加横隔的塔线体系,测定了在紊流风场中的风振响应。在风洞试验中观测到了输电塔架的风致破坏,破坏特征与实际线路中输电塔架的破坏相似。试验结果表明,输电塔线体系的风致振动具有较强的空间耦合非线性振动特点,导地线与绝缘子的振动对输电塔的影响不容忽视;输电塔结构的风振计算中应考虑多阶振型的影响,随风速增加,高阶振型的贡献增大;输电塔结构的风致破坏具有动力失稳的特征,设置附加横隔面可提高结构的抗风能力。     

特高压输电线路塔线体系风振响应特性及对登塔人员影响分析

登塔是输电线路施工、巡视和检修的重要技术手段，而特高压输电线路截面大且为高耸的塔线耦合的弱阻尼系统，其风致振动特性及其对登塔作业人员的影响对确保作业和人员安全具有重要意义。针对±800 kV直流输电线路建立了输电线路塔线耦合体系有限元模型，基于风速随高度变化的Kaimal谱和谐波叠加法生成了2 m高风速分别为6、8、10 m/s的风速时程，应用模拟的风荷载对三塔两线体系在A、B两种地形下的风振响应进行了时域分析，并讨论了铁塔振动对登塔作业人员的影响。结果表明：在2 m高风速为6 m/s时，A、B塔线体系整体风速都没有超过10 m/s，铁塔各部位风致振动的位移较小，典型作业位置处作业人员基本没有不舒适感；在2 m高风速为10 m/s时，铁塔横担以及地线支架处位移较大，作业人员的登塔作业人员感到极不舒适，存在高空坠落风险。建议登塔作业人员测量风速时将地面测量的风速修正到作业位置高度处，修正值小于10 m/s再进行登塔作业。     

1000kV淮南—上海输变电工程同塔双回钢管塔风振控制

以1000kV淮南—上海(皖电东送)输变电工程同塔双回钢管塔为研究对象,对风荷载作用下杆塔的整体振动以及局部钢管杆件的涡激振动的控制措施,分别采用数值仿真和风洞试验进行了研究。针对整塔的风振,提出采用粘弹性阻尼器并联于钢管主材外侧控制弯曲振动、调谐质量阻尼器置于横担端部控制扭转振动的新型联合控制方案;针对局部钢管杆件的横风向涡激振动,提出采用螺旋形扰流线的控制方案;并给出控制装置的关键技术参数的设计方法。控制措施易于工程应用,在一定的参数下,塔顶处顺风向位移和加速度响应可降低30%,杆件横风向振动基本消失,钢管塔的这2类风振得到有效抑制。     

输电线路上风速的分布式监测

风、雨等外界因素对输电线路的有一定危害,风对输电线路上的影响最为频繁且持续时间较长,输电线路上风速的分布式监测可观测到整条线路的风速分布,对输电线路的防振及防振定位有一定的指导作用,因此输电线路上的风速的分布式监测极为重要。本文以两条实验线路为例,根据卡门漩涡理论,由于风速的影响在线路圆柱体周围形成上下交替周期性的交变力的作用,这个交变力是一个瞬时稳定的力,使得输电线形成一个瞬时稳定的振动频率,利用卡门漩涡理论公式中振动频率与风速的关系计算相应时刻和相应位置的风速,并与微气象风速进行对比分析,结果显示这一稳定的振动频率能够很好地反映风速在输电线路上风速随时间的变化,预测风速的精度较高,为输电线路上振动研究提供理论依据,有一定的实用价值。     

基于有限元法分析间隔棒力学性能

分析了间隔棒的常见故障,利用有限元法对间隔棒在线路正常运行、短路、不均匀覆冰3种工况下的受力状态、应力分布等力学性能进行模拟,通过模态分析计算出间隔棒振动时的固有频率,指出间隔棒线夹是最容易发生故障的部位,因风致振动和应力集中产生的疲劳是引起间隔棒机械破坏的最主要因素,最后提出了改善间隔棒受力特性的技术方案。     

某型半直驱风机齿轮箱断齿故障分析

针对风机齿轮箱故障，介绍了一起半直驱风机齿轮箱断齿导致风机停运故障。通过对故障齿轮箱进行振动数据监测、金属材质及油质分析，得出齿轮箱油的泡沫特性超标和颗粒污染度超标是故障的诱因，故障发生当天风机瞬时风速波动较大，齿轮箱二级行星轮组产生较强瞬时应力而导致齿轮损坏，引发风机齿轮箱振动过大是故障的主要原因。为避免同类故障再次发生，风电场应加强风机运行监测、提高齿轮箱内窥镜检查频率并加强风机齿轮箱在线滤油处理。     

500kV交流架空线路钢管塔技术经济分析

钢管塔在大荷载输电线路中体现出了其良好性能和效益,但钢管的使用也存在钢管型材规格品种有限、价格高等缺点,同时钢管间连接的节点构造复杂,加工生产效率低,因此有必要研究典型荷载条件下钢管塔的应用。本文针对500kV交流输电线路的典型荷载条件开展钢管塔、角钢塔对比研究,分析10mm、15mm覆冰条件下,随着风速的变化,钢管塔造价变化的主要趋势以及影响造价变化的关键因素,最后本文假定角钢塔材价格一定的前提下,通过调整钢管塔的价格,改变钢管塔与角钢塔塔材的价格比例系数(rp),对钢管塔与角钢塔经济性进行对比分析。     

窄基钢管塔体型系数的风洞模拟试验研究

窄基钢管塔以占地面积小、经济效益高、谐调人文和自然环境而得到城市规划与建设的关注。采用风洞模拟的方法,制做窄基钢管塔的试验模型,利用风洞模拟均匀流场和均匀紊流场,测量不同风速、来流方向时窄基钢管塔横担、塔身、整塔的受力情况,获得窄基钢管塔各部位的风载荷数据,并依据《钢结构设计规范》将各载荷转换成相应的系数,得到了横担载荷系数、塔身载荷系数及横担升力系数等随来流方向的变化规律。最后,结合试验结果分析了不同设计规范之间的差别,给出了窄基钢管塔设计所需要的体型系数值。     

风致涡激振动作用下随桥电缆的疲劳寿命分析

桥梁的风致涡激振动是影响随桥电缆疲劳寿命的因素之一,采用有限元法对随桥电缆在风致涡激振动作用下的疲劳寿命进行分析。首先,建立桥梁的二维瞬态流-固耦合数值模型,采用动网格和用户自定义函数(UDF)技术实现桥梁的瞬态振动位移响应求解;其次,将桥梁的单位振动位移作为边界条件施加在电缆上,获取电缆在单位振动位移作用下静力学应力求解结果;最后,通过求解的应力结果与一个周期的桥梁振动位移时程构建应力时间历程,并基于材料的S-N曲线和Miner线性累积损伤理论获取电缆的疲劳寿命。结果表明：在风致涡激振动作用下,作用在随桥电缆上的作用力近似为对称等幅循环载荷;电缆的疲劳损伤最大处出现在夹具固定附近的铝护套层上,寿命循环次数达3.3×10⁵次,寿命约为206.25 h。该研究可为跨海电缆的安全可靠性设计和状态运行维护提供理论指导。     

数据-知识驱动的变工况运行风电机组塔筒振动状态预测

为有效监测塔筒异常振动，保障机组运行安全，提出数据-知识驱动的基于长短时记忆（long-short term memory,LSTM）神经网络、经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）-极限梯度提升（e Xtreme gradient boosting,XGBoost）算法分步建模的变工况塔筒振动预测方法。首先，根据机组运行机理分析剥离出环境变量与运行变量之间的关系，并确定影响塔筒振动的风机SCADA运行参数；然后，基于LSTM神经网络实现机组环境风速和运行功率的超短期预测，根据全工况历史运行数据建立机组数据知识模型，实现由预测风速和功率查询桨距角和转子转速；最后，采用希尔伯特-黄算法（Hilbert-Huang transform,HHT）对振动信号分解并提取塔筒低频振动，构建基于XGBoost算法的塔筒振动预测模型，通过输入预测变量输出塔筒低频振动预测结果并确定预测区间。结果表明：塔筒振动预测模型能有效预测塔筒振动，判定塔筒的运行状况，保障机组平稳运行。     

水平回转式隔离开关风致振动研究分析北大核心CSCD

以特高压换流站水平回转式隔离开关为研究对象,根据其结构特点和工作原理,分析风致导电杆振动的原因,通过风速及涡激频率的关系计算,得到风速等级与涡激频率的对应关系,并对水平回转式隔离开关整体进行模态分析,据此获得确定引起其振动的频率。提出了一种在导电管中添加一根松弛的钢芯铝绞线的方案,使其与导电管管壁之间形成摩擦和冲击来达到减振的目的,并通过二级风响应谱和静力学校核,减振效果和强度均满足要求,为隔离开关同类振动问题的研究奠定理论基础。     

基于粘弹性阻尼器输电线路的风振控制研究

针对高压输电线路的风致振动,研究了基于粘弹性阻尼耗能原理的振动控制策略与实施方法。首先,在分析粘弹性阻尼器的耗能原理与结构设计特点的基础上,提出了阻尼器在铁塔上的布置方案;其次,采用有限元软件ANSYS,建立了一个包括铁塔、绝缘子、导线和地线的耦合体系的梁—杆有限元模型;采用由谐波合成法得到的随机脉动风荷载的时程样本,对安装阻尼器前后的铁塔进行了结构风致振动瞬态响应仿真。最后,在铁塔上选择相应的控制节点和控制单元,比较阻尼器对各控制节点的位移时间历程、各控制单元内力时间历程的影响。分析表明：采用粘弹性阻尼器能够有效地抑制输电线路风振,控制节点的位移下降约90%;另一方面,通过多种安装方案的比较,优化了阻尼器的安装位置。     

火灾环境下特高压钢管塔的最小安全距离研究

为了得到森林火灾时特高压钢管塔与火场的最小安全距离,进行了森林火场火灾动力学模拟计算;研究了不同火灾场景下特高压钢管塔主材的最高温度的变化规律、火场对主材的传热规律,得到了不同高度处主材的屈服强度折减系数,给出了主材构件失效准则;研究了常遇风速下特高压钢管塔的失效规律。研究结果表明：在特高压钢管塔与火场的距离小于14m时,其主材局部可能会发生失效;在垂直高度50 m处,主材所受热辐射强度最强,主材温度也最高;在主材与火场距离由14m过渡到13m的过程中,其屈服强度下降幅度由12%变为36%;主材与火场距离大于15m时,虽然材料屈服强度受到高温影响会有所折减,但仍满足标准要求。故最小安全距离建议取15 m。