强风环境下变电站引下线结构风振响应分析

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随着电压等级不断提升,变电站引下线结构的设计也在不断的改变,从双分裂到多分裂引下线的布置越来越多。然而现有研究和规范中,引下线的风振设计始终采用传统索结构理论,并没有考虑导线抗弯刚度的影响。特殊气候造成的引下线破坏事故也随之频发,特别是强风环境作用下引下线风致振动导致的破坏,因此有必要对引下线结构的风振响应特性进行研究。
  本文以某750kV变电站引下线结构实例为基础,通过基于考虑抗弯刚度的导线位形函数方程建立有限元模型,利用抗弯刚度导线模态理论进行模态分析,采用ANSYS对四分裂及双分裂管母引下线结构进行风振响应非线性时程分析,并根据响应等效原则,分析计算基于时程响应结果的响应风振系数,主要研究内容如下:
  1)基于引下线跨度较小,线长较短的布置特性及扩径引下线的截面特性,建立不同边界条件下考虑抗弯刚度的引下线位形函数,并与试验进行对比,验证导线位形模型的正确性。并通过位形模型建立管母引下线结构的有限元模型,分析了静风作用下导线刚度、跨高比,间隔棒数量等因素对结构受力的影响,导线刚度,冗余度和导线张力负相关;间隔棒数量主要影响结构整体刚度,间隔棒数量越少,导线张力越大。
  2)利用谐波合成法模拟3维风速时程作为时程荷载,根据能量法和坐标旋转建立了非等高的考虑抗弯刚度导线运动方程,通过模态理论给出了相应的导线频率方程,分析了导线模态的基本特性,以此为基础利用ANSYS分析了管母引下线结构的模态特性,结果表明:导线的模态分布和导线倾斜角有关,面内固有频率随着倾角的增大而减小;随着分裂数的增大,引下线结构的基频增加;导线抗弯刚度和间隔棒数量对模态影响较大,跨高比的影响较小。分析了风场特性和结构特性对管母引下线结构的风振响应特点的影响。风场特性分析结果表明:引下线主要受到顺风向风荷载的作用,横风向脉动风荷载有一定影响,有必要采用3D风场作为风荷载;气动阻尼对结构风振响应的影响与风速正相关和固有频率负相关;分析了5种风向角下管母引下线结构的风振响应,0°风向角为四分裂引下线结构反力响应最不利工况,90°风向角为四分裂引下线结构位移响应最不利工况。结构特性分析结果表明导线刚度的减小和间隔棒数量减小都能显著改变结构的刚度,增大结构的响应峰值。跨高比的增加,主要改变的是导线位形,增加结构的反力响应,减少结构的位移响应。同时对两种结构响应进行频谱分析,二者响应都是以顺风向的低阶振型为主。
  3)基于时程响应,计算了结构的响应风振系数,提出了引下线结构的风振系数计算方法。根据响应的不同,计算了结构反力(轴力和剪力的合力)和位移响应的风振系数,分析研究了引下线结构的风振系数分布特点。分析结构表明,两种类型的风振系数关联性不大,且反力风振系数较位移风振系数值大。而引下线的力学设计主要考虑导线约束点的受力和导线风偏,因此应根据设计要求选取不同类型的风振系数取值。风振系数受到气动阻尼,风向角,风速大小等多方面的影响,同时结构刚度的降低,在增大结构风振响应的同时,也会降低相应的风振系数。最后根据响应风振系数法、荷载规范风振系数法和阵风荷载因子法所计算的风振系数对模型响应进行检验,结果证明响应风振系数的精度较高,能有效的指导引下线结构的抗风设计。
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