输电塔线体系覆冰舞动现场实测与塔体破坏机理研究

舞动是导线覆冰后在风荷载作用下产生的自激振动，对线路危害极大。本项目采用现场实测、理论分析、风洞试验和大比例子结构舞动破坏试验等多种手段对覆冰导线舞动特性以及导致输电塔破坏的作用机理展开全面研究。现场实测方面，通过在试验线路上安装人工覆冰，实现了真型覆冰线路在自然风荷载作用下的起舞，结合单目、红外夜视仪测试技术和瞬时风信号采集技术构建了一套完整的覆冰导线舞动监测体系。理论分析方面，首次推导了基于矩阵摄动法的三自由度体系舞动特征值一阶摄动解析表达，提出了六类不同作用的气动力类型，可有效研究舞动机理；建立了考虑竖直向、水平向和扭转向三维非线性耦合效应的连续体覆冰分裂导线舞动方程，并根据Galerkin积分和Routh-Hurwitz稳定性判据准则标识系统在参数空间中的稳定域和非稳定域，在此基础上，创新地基于规范形理论求解了以风速、初始风攻角以及竖向阻尼比为分岔参数的扩张系统Hopf分岔规范性，研究了双参数同时变化对导线舞动响应的影响。基于完全拉格朗日格式，分别建立了单导线、分裂导线及塔线耦合体系非线性有限元模型，研究了不同流场下绝缘子串、导线的动张力变化规律及风场湍流对舞动的影响机制。风洞试验方面，设计了能分别测量分裂导线各子导线气动力参数测力试验的装置，并就新月形、D形覆冰单导线和二、四、六、八分裂导线开展了导线气动力参数风洞试验，系统全面地研究了湍流度、导线分裂数、覆冰初凝角、覆冰形状及其厚度等因素对导线气动力特征参数的影响；创新研制开发了风洞内支架式三自由度频率可调的弹簧悬挂装置，针对D形覆冰六分裂、八分裂导线节段气弹模型舞动风洞试验，研究了导线舞动特性、气动阻尼与其气动特性、自振特性及风速之间的关系；基于特征值摄动法提出了覆冰分裂导线三自由度耦合的舞动稳定性判断条件式，解释了无法用Den Hartog或Nigol单自由度稳定性判断条件式说明的舞动现象。舞动破坏试验方面，以冰灾中横担严重破坏的转角耐张塔为研究对象，设计制作了弹性边界条件下的大比例输电塔节段模型和能够模拟不同覆冰参数的导线模型，研制了频率、振幅可调的舞动试验加载装置，分别进行了重覆冰静力加载和舞动动力加载试验。结合舞动破坏试验在试验室条件下进行了覆冰塔线体系舞动事故的反演，并预测了输电塔构件在导线舞动作用下的疲劳寿命，在此基础上考察了舞动作用下杆塔破坏演变机理。 2100433B

覆冰导线舞动导致输电塔破坏是一个随机和充满不确定性的非线性动力过程，目前还没有一种较好的数值模拟方法能够完成覆冰导线舞动导致输电塔破坏的全过程分析, 并且在有关多档距舞动性态及其对塔的动力作用效应、塔体破坏机理等关键问题上还缺乏系统的科学实测工作和物理试验研究。本项目基于国内首个舞动真型试验线路开展多档距输电塔线体系覆冰舞动现场实测研究；通过系列风洞试验，在风洞中再现塔线体系的舞动，研究覆冰分裂导线舞动的力学机制、导线动张力时频特性以及塔线耦合作用；建立考虑多档距舞动传播和塔线耦合作用的舞动计算方法以及导线动张力理论模型；基于概率统计理论，建立塔线体系在覆冰导线舞动下的疲劳寿命和失效模式预测方法; 开发模拟覆冰导线舞动加载装置，进行舞动导致塔体破坏的大比例模型试验，揭示输电塔动力损伤破坏的灾变作用机理和失效模式。项目成果可为建立高压输电塔线体系抗舞设计理论和方法提供科学依据和技术支撑。

《输电塔线覆冰动态响应在线监测及健康评价》系统地介绍输电塔线覆冰动态响应在线监测及健康评价技术。《输电塔线覆冰动态响应在线监测及健康评价》共6章，主要内容包括输电线路导线舞动原理及危害分析、覆冰状态下输电塔线体系有限元建模及舞动特性分析、覆冰状态下输电线路舞动曲线重建、覆冰状态下输电塔健康评价具体算法、输电塔线覆冰动态响应在线监测及健康评价。重点阐述覆冰环境下输电线路运行中的关键理论问题，并配以工程实例。

前言

第1章 绪论 1

1.1 背景及意义 1

1.2 输电塔线覆冰动态响应在线监测及健康评价研究现状 5

1.2.1 导线舞动机理研究现状 5

1.2.2 导线舞动数值模拟研究现状 8

1.2.3 导线舞动在线监测技术研究现状 10

第2章 输电线路导线舞动原理及危害分析 12

2.1 输电线路导线舞动的外部因素分析 12

2.1.1 输电线路导线冰风参数 12

2.1.2 输电线路所在区域的地形与地势 14

2.1.3 输电线路走向 15

2.1.4 输电线路结构与参数 15

2.2 输电线路导线舞动特征及受力分析 16

2.2.1 输电线路舞动特征 16

2.2.2 覆冰状态下导线摆动频率方程 17

2.3 横扭耦合动力方程计算方法分析 23

2.3.1 输电导线舞动运动过程分析 23

2.3.2 建立输电导线舞动横扭耦合动力方程 25

2.3.3 求解输电导线舞动横扭耦合动力方程 28

2.3.4 验证动力方程计算方法正确性 32

2.3.5 分析计算结果 34

第3章 覆冰状态下输电塔线体系有限元建模及舞动特性分析 38

3.1 输电塔建模方法 38

3.2 输电线路导线建模方法 40

3.3 覆冰状态下输电塔静动力算法分析 42

3.3.1 算法基本原理 42

3.3.2 算法流程图 50

3.3.3 数据对比分析 50

3.3.4 算例 52

3.4 覆冰状态下输电导线几何非线性分析 54

3.4.1 算法基本原理 55

3.4.2 算法流程图 60

3.4.3 算例 62

3.5 建立输电导线覆冰舞动响应仿真模型 62

3.5.1 建立覆冰前输电导线舞动仿真模型 63

3.5.2 建立覆冰后输电导线舞动仿真模型 65

3.6 输电导线模态分析 67

3.7 覆冰导线舞动有限元模拟 71

3.7.1 计算覆冰导线舞动荷载 71

3.7.2 分析覆冰导线舞动响应 72

3.7.3 输导电线舞动理论计算结果与模拟仿真结果对比分析 74

3.8 风速变化对输电导线舞动影响 76

3.9 塔线体系舞动响应模拟分析 80

3.9.1 建立输电塔有限元仿真模型及动力特性分析 80

3.9.2 建立输电塔线体系有限元仿真模型及舞动特性分析 86

3.9.3 分析输电导线舞动过程中铁塔应力及变形 93

第4章 覆冰状态下输电线路舞动曲线重建 96

4.1 导线舞动曲线重构算法流程 96

4.2 基于舞动监测数据的导线舞动轨迹重现方法 97

4.2.1 舞动定位算法总体思路 97

4.2.2 基于标准舞动模型的舞动轨迹重现 98

4.2.3 基于空间样条差值的舞动轨迹重现 102

第5章 覆冰状态下输电塔健康评价具体算法 105

5.1 覆冰状态下输电塔健康评价 105

5.2 覆冰导线动态张力变化量数值计算 108

5.3 覆冰导线舞动前后输电塔应力计算 108

5.4 基于折算应力比的输电塔健康评价 110

第6章 输电塔线覆冰动态响应在线监测及健康评价 112

6.1 输电塔线健康评价系统 112

6.1.1 导线舞动荷载计算系统 116

6.1.2 导线舞动曲线重构系统 117

6.1.3 覆冰输电导线舞动监测变化趋势 120

6.2 输电塔线覆冰动态响应在线健康评价系统工程应用 125

6.3 健康评价程序计算结果与实测数据对比 126

6.3.1 应力计算结果与实测应变数据对比 126

6.3.2 绝缘子串挂点拉力计算结果与实测数据对比 128

6.3.3 实时监测数据展示与健康评价 130

6.4 典型工况下输电塔的健康评价 138

6.4.1 重力作用下的输电塔健康评价 138

6.4.2 最低温、最高温、最大风和最大覆冰时的输电塔健康评价 138

6.4.3 导线舞动时的输电塔健康评价 140

参考文献 143

线路覆冰雨凇覆冰

是在冻雨期发生于低海拔地区的覆冰，持续时间一般较短，环境温度接近冰点，风相当大，积冰透明，在导线上的粘合力很强，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初级阶段，由于冻雨持续期一般较短，因此，导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少。

线路覆冰混合凇

当温度在冰点以下，风比较猛时，则形成混合凇。在混合凇覆冰条件下，水滴冻结比较弱，积冰有时透明，有时不透明，冰在导线上粘合力很强。导线长期暴露于湿气中，便形成混合凇。混合凇是一个复合覆冰过程，密度较高，生长速度快，对导线危害特别严重。

线路覆冰软雾凇

轻雾凇是由于山区低层云中含有的过冷水滴，在极低温度与风速较小情况下形成的。这种积冰呈白色、不透明、晶状结构、密度小，在导线上附着力相当弱。最初的结冰是单向的，由于导线机械失衡，逐渐围绕导线均匀分布，在此情况下，这种冰对导线一般不构成威胁。

线路覆冰白霜

白霜是空气中湿气与0℃以下的物体接触时，湿气往冷物体表面凝合形成的，白霜在导线上的粘结力十分微弱，即使是轻轻地振动，也可以使白霜脱离所粘结导线的表面，与其他类型覆冰相比，白霜基本不对导线构成严重危害。

线路覆冰干雪

空气中的干雪或冰晶很难粘结到导线表面。只有当空气中的雪为“湿雪”时，导线才会出现积雪现象。当有强风时，雪片易被风吹落，导线覆雪不可能发生，故导线覆雪受风速制约，因此平原地区或低地势无风地区，导线覆雪现象较山区常见。