輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià)

前言

第1章 緒論 1

1.1 背景及意義 1

1.2 輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià)研究現(xiàn)狀 5

1.2.1 導(dǎo)線舞動(dòng)機(jī)理研究現(xiàn)狀 5

1.2.2 導(dǎo)線舞動(dòng)數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀 8

1.2.3 導(dǎo)線舞動(dòng)在線監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀 10

第2章 輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)原理及危害分析 12

2.1 輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)的外部因素分析 12

2.1.1 輸電線路導(dǎo)線冰風(fēng)參數(shù) 12

2.1.2 輸電線路所在區(qū)域的地形與地勢 14

2.1.3 輸電線路走向 15

2.1.4 輸電線路結(jié)構(gòu)與參數(shù) 15

2.2 輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)特征及受力分析 16

2.2.1 輸電線路舞動(dòng)特征 16

2.2.2 覆冰狀態(tài)下導(dǎo)線擺動(dòng)頻率方程 17

2.3 橫扭耦合動(dòng)力方程計(jì)算方法分析 23

2.3.1 輸電導(dǎo)線舞動(dòng)運(yùn)動(dòng)過程分析 23

2.3.2 建立輸電導(dǎo)線舞動(dòng)橫扭耦合動(dòng)力方程 25

2.3.3 求解輸電導(dǎo)線舞動(dòng)橫扭耦合動(dòng)力方程 28

2.3.4 驗(yàn)證動(dòng)力方程計(jì)算方法正確性 32

2.3.5 分析計(jì)算結(jié)果 34

第3章 覆冰狀態(tài)下輸電塔線體系有限元建模及舞動(dòng)特性分析 38

3.1 輸電塔建模方法 38

3.2 輸電線路導(dǎo)線建模方法 40

3.3 覆冰狀態(tài)下輸電塔靜動(dòng)力算法分析 42

3.3.1 算法基本原理 42

3.3.2 算法流程圖 50

3.3.3 數(shù)據(jù)對比分析 50

3.3.4 算例 52

3.4 覆冰狀態(tài)下輸電導(dǎo)線幾何非線性分析 54

3.4.1 算法基本原理 55

3.4.2 算法流程圖 60

3.4.3 算例 62

3.5 建立輸電導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)響應(yīng)仿真模型 62

3.5.1 建立覆冰前輸電導(dǎo)線舞動(dòng)仿真模型 63

3.5.2 建立覆冰后輸電導(dǎo)線舞動(dòng)仿真模型 65

3.6 輸電導(dǎo)線模態(tài)分析 67

3.7 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)有限元模擬 71

3.7.1 計(jì)算覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)荷載 71

3.7.2 分析覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)響應(yīng) 72

3.7.3 輸導(dǎo)電線舞動(dòng)理論計(jì)算結(jié)果與模擬仿真結(jié)果對比分析 74

3.8 風(fēng)速變化對輸電導(dǎo)線舞動(dòng)影響 76

3.9 塔線體系舞動(dòng)響應(yīng)模擬分析 80

3.9.1 建立輸電塔有限元仿真模型及動(dòng)力特性分析 80

3.9.2 建立輸電塔線體系有限元仿真模型及舞動(dòng)特性分析 86

3.9.3 分析輸電導(dǎo)線舞動(dòng)過程中鐵塔應(yīng)力及變形 93

第4章 覆冰狀態(tài)下輸電線路舞動(dòng)曲線重建 96

4.1 導(dǎo)線舞動(dòng)曲線重構(gòu)算法流程 96

4.2 基于舞動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的導(dǎo)線舞動(dòng)軌跡重現(xiàn)方法 97

4.2.1 舞動(dòng)定位算法總體思路 97

4.2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)舞動(dòng)模型的舞動(dòng)軌跡重現(xiàn) 98

4.2.3 基于空間樣條差值的舞動(dòng)軌跡重現(xiàn) 102

第5章 覆冰狀態(tài)下輸電塔健康評價(jià)具體算法 105

5.1 覆冰狀態(tài)下輸電塔健康評價(jià) 105

5.2 覆冰導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力變化量數(shù)值計(jì)算 108

5.3 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)前后輸電塔應(yīng)力計(jì)算 108

5.4 基于折算應(yīng)力比的輸電塔健康評價(jià) 110

第6章 輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià) 112

6.1 輸電塔線健康評價(jià)系統(tǒng) 112

6.1.1 導(dǎo)線舞動(dòng)荷載計(jì)算系統(tǒng) 116

6.1.2 導(dǎo)線舞動(dòng)曲線重構(gòu)系統(tǒng) 117

6.1.3 覆冰輸電導(dǎo)線舞動(dòng)監(jiān)測變化趨勢 120

6.2 輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線健康評價(jià)系統(tǒng)工程應(yīng)用 125

6.3 健康評價(jià)程序計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比 126

6.3.1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測應(yīng)變數(shù)據(jù)對比 126

6.3.2 絕緣子串掛點(diǎn)拉力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)對比 128

6.3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示與健康評價(jià) 130

6.4 典型工況下輸電塔的健康評價(jià) 138

6.4.1 重力作用下的輸電塔健康評價(jià) 138

6.4.2 最低溫、最高溫、最大風(fēng)和最大覆冰時(shí)的輸電塔健康評價(jià) 138

6.4.3 導(dǎo)線舞動(dòng)時(shí)的輸電塔健康評價(jià) 140

參考文獻(xiàn) 143

《輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià)》系統(tǒng)地介紹輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià)技術(shù)。《輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià)》共6章，主要內(nèi)容包括輸電線路導(dǎo)線舞動(dòng)原理及危害分析、覆冰狀態(tài)下輸電塔線體系有限元建模及舞動(dòng)特性分析、覆冰狀態(tài)下輸電線路舞動(dòng)曲線重建、覆冰狀態(tài)下輸電塔健康評價(jià)具體算法、輸電塔線覆冰動(dòng)態(tài)響應(yīng)在線監(jiān)測及健康評價(jià)。重點(diǎn)闡述覆冰環(huán)境下輸電線路運(yùn)行中的關(guān)鍵理論問題，并配以工程實(shí)例。

線路覆冰雨凇覆冰

是在凍雨期發(fā)生于低海拔地區(qū)的覆冰，持續(xù)時(shí)間一般較短，環(huán)境溫度接近冰點(diǎn)，風(fēng)相當(dāng)大，積冰透明，在導(dǎo)線上的粘合力很強(qiáng)，冰的密度很高，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初級(jí)階段，由于凍雨持續(xù)期一般較短，因此，導(dǎo)線覆冰為純粹的雨凇覆冰的情況相對較少。

線路覆冰混合凇

當(dāng)溫度在冰點(diǎn)以下，風(fēng)比較猛時(shí)，則形成混合凇。在混合凇覆冰條件下，水滴凍結(jié)比較弱，積冰有時(shí)透明，有時(shí)不透明，冰在導(dǎo)線上粘合力很強(qiáng)。導(dǎo)線長期暴露于濕氣中，便形成混合凇?；旌馅∈且粋€(gè)復(fù)合覆冰過程，密度較高，生長速度快，對導(dǎo)線危害特別嚴(yán)重。

線路覆冰軟霧凇

輕霧凇是由于山區(qū)低層云中含有的過冷水滴，在極低溫度與風(fēng)速較小情況下形成的。這種積冰呈白色、不透明、晶狀結(jié)構(gòu)、密度小，在導(dǎo)線上附著力相當(dāng)弱。最初的結(jié)冰是單向的，由于導(dǎo)線機(jī)械失衡，逐漸圍繞導(dǎo)線均勻分布，在此情況下，這種冰對導(dǎo)線一般不構(gòu)成威脅。

線路覆冰白霜

白霜是空氣中濕氣與0℃以下的物體接觸時(shí)，濕氣往冷物體表面凝合形成的，白霜在導(dǎo)線上的粘結(jié)力十分微弱，即使是輕輕地振動(dòng)，也可以使白霜脫離所粘結(jié)導(dǎo)線的表面，與其他類型覆冰相比，白霜基本不對導(dǎo)線構(gòu)成嚴(yán)重危害。

線路覆冰干雪

空氣中的干雪或冰晶很難粘結(jié)到導(dǎo)線表面。只有當(dāng)空氣中的雪為“濕雪”時(shí)，導(dǎo)線才會(huì)出現(xiàn)積雪現(xiàn)象。當(dāng)有強(qiáng)風(fēng)時(shí)，雪片易被風(fēng)吹落，導(dǎo)線覆雪不可能發(fā)生，故導(dǎo)線覆雪受風(fēng)速制約，因此平原地區(qū)或低地勢無風(fēng)地區(qū)，導(dǎo)線覆雪現(xiàn)象較山區(qū)常見。

覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)導(dǎo)致輸電塔破壞是一個(gè)隨機(jī)和充滿不確定性的非線性動(dòng)力過程，目前還沒有一種較好的數(shù)值模擬方法能夠完成覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)導(dǎo)致輸電塔破壞的全過程分析, 并且在有關(guān)多檔距舞動(dòng)性態(tài)及其對塔的動(dòng)力作用效應(yīng)、塔體破壞機(jī)理等關(guān)鍵問題上還缺乏系統(tǒng)的科學(xué)實(shí)測工作和物理試驗(yàn)研究。本項(xiàng)目基于國內(nèi)首個(gè)舞動(dòng)真型試驗(yàn)線路開展多檔距輸電塔線體系覆冰舞動(dòng)現(xiàn)場實(shí)測研究；通過系列風(fēng)洞試驗(yàn)，在風(fēng)洞中再現(xiàn)塔線體系的舞動(dòng)，研究覆冰分裂導(dǎo)線舞動(dòng)的力學(xué)機(jī)制、導(dǎo)線動(dòng)張力時(shí)頻特性以及塔線耦合作用；建立考慮多檔距舞動(dòng)傳播和塔線耦合作用的舞動(dòng)計(jì)算方法以及導(dǎo)線動(dòng)張力理論模型；基于概率統(tǒng)計(jì)理論，建立塔線體系在覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)下的疲勞壽命和失效模式預(yù)測方法; 開發(fā)模擬覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)加載裝置，進(jìn)行舞動(dòng)導(dǎo)致塔體破壞的大比例模型試驗(yàn)，揭示輸電塔動(dòng)力損傷破壞的災(zāi)變作用機(jī)理和失效模式。項(xiàng)目成果可為建立高壓輸電塔線體系抗舞設(shè)計(jì)理論和方法提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

線路覆冰就是指一個(gè)范圍內(nèi)的所有電線都被冰包住的狀況。冷的雨滴降落到溫度低于冰點(diǎn)（0℃）的物體上，就形成雨凇。如果發(fā)生是凝結(jié)在電線上，就會(huì)使電線覆冰。