覆冰六分裂導線舞動風洞試驗及起舞風速研究

樓文娟　余江　姜雄　楊曉輝　盧明　邵穎彪

摘要：設計了風洞內支架式三自由度頻率可調的彈簧懸掛裝置，針對D形覆冰六分裂導線節段氣彈模型分別在3種典型風攻角下進行了5種豎/扭自振頻率比的變風速舞動試驗，通過單目測試技術記錄了導線在均勻風場作用下的三自由度運動響應時程，并與三自由度舞動響應非線性求解計算結果進行了對比驗證。分別基于試驗實測和舞動非線性計算判定了實際輸電線路的起舞風速。試驗結果表明：在Den Hartog系數為負值的風攻角下導線以豎向舞動為主，卻因Nigol系數正負不同在相同的豎/扭頻率比下表現出不同的舞動規律，且當豎/扭頻率比大于等于1和小于1時表現出兩種相反的舞動特性，即導線豎向運動幅值隨風速增大而增大亦或是導線舞動失穩風速僅限于某一區間；在Nigol系數為負值而Den Hartog系數為正值的風攻角下導線以扭轉舞動為主且轉角幅值隨風速增大而增大，當豎/扭頻率比大于1時轉角幅值較大。

關鍵詞：風致振動；舞動；覆冰導線；風洞試驗；起舞風速

引言

輸電線路舞動是由于導線表面覆冰后氣動參數改變，從而在風作用下引起的大幅度低頻率自激振動。覆冰導線舞動形態大多以單個或多個半波的豎向舞動為主。實際線路中的覆冰多存在偏心現象以及不同運動方向問的氣動耦合效應，故發生豎向舞動的同時往往伴隨有較為顯著的水平向和扭轉向舞動。導線舞動嚴重時可造成電力供給中斷，甚至發生倒塔事故，造成巨大的經濟損失。因此對覆冰多分裂導線超高壓線路的舞動機理研究和起舞風速判定十分必要。

迄今為止，對舞動問題研究主要集中在舞動機理、導線氣動特性試驗、舞動試驗、舞動數值模擬及防舞措施等五個方面。就舞動試驗而言，輸電導線具有大檔距和小弧垂的特點，很難在風洞中設計出滿足相似性原理的整檔導線的氣彈性模型，因此大多采用彈簧懸掛節段模型。國外學者Keutgen&lien（2000）采用支架彈簧系統在風洞中激發了導線豎向-扭轉耦合舞動和純豎向舞動；Muharomad（2008）采用覆冰四分裂導線節段模型和拉索相結合的方式，提出了一種可在某種程度上考慮輸電線路幾何非線性特征的舞動試驗模型。國內學者樓文娟（2011）以新月形和D形覆冰為研究對象，在風洞實驗室內重現了起舞過程，對基于準定常假定舞動分析方法的可靠性進行了驗證。劉小會（2011）亦采用了近似的試驗方法考察了單根和四分裂導線的舞動響應特性，并基于試驗結果對舞動數值模擬方法進行了驗證。

然而已有的導線氣彈模型舞動風洞試驗多是針對特定氣動力類型驗證了準定常假定、Den Hartog或Nigol舞動機理，卻未能解釋與Den Hartog和Nigol舞動機理不符的舞動現象，且模型的豎向自振頻率多大于0.8 Hz（實際多分裂超高壓輸電線路低階自振頻率多小于此值），扭轉自振頻率的取值也只考慮了其遠大于豎向自振頻率的工況，更少有文獻提及水平頻率的取值。鑒于此，本文作者制作了D形覆冰截面的六分裂導線節段模型，采用新設計的風洞內支架式三自由度頻率可調的彈簧懸掛裝置，針對三種典型的Den Hartog系數和Nigol系數的正負組合，準確模擬并記錄了導線節段模型在均勻風場作用下的三自由度運動狀態，研究了導線舞動特性與氣動特性、模型自振頻率及風速之問的關系，同時對于給定的實際輸電線路還可以判定其起舞風速。