覆冰六分裂导线舞动风洞试验及起舞风速研究

楼文娟　余江　姜雄　杨晓辉　卢明　邵颖彪

摘要：设计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形覆冰六分裂导线节段气弹模型分别在3种典型风攻角下进行了5种竖/扭自振频率比的变风速舞动试验，通过单目测试技术记录了导线在均匀风场作用下的三自由度运动响应时程，并与三自由度舞动响应非线性求解计算结果进行了对比验证。分别基于试验实测和舞动非线性计算判定了实际输电线路的起舞风速。试验结果表明：在Den Hartog系数为负值的风攻角下导线以竖向舞动为主，却因Nigol系数正负不同在相同的竖/扭频率比下表现出不同的舞动规律，且当竖/扭频率比大于等于1和小于1时表现出两种相反的舞动特性，即导线竖向运动幅值随风速增大而增大亦或是导线舞动失稳风速仅限于某一区间；在Nigol系数为负值而Den Hartog系数为正值的风攻角下导线以扭转舞动为主且转角幅值随风速增大而增大，当竖/扭频率比大于1时转角幅值较大。

关键词：风致振动；舞动；覆冰导线；风洞试验；起舞风速

引言

输电线路舞动是由于导线表面覆冰后气动参数改变，从而在风作用下引起的大幅度低频率自激振动。覆冰导线舞动形态大多以单个或多个半波的竖向舞动为主。实际线路中的覆冰多存在偏心现象以及不同运动方向问的气动耦合效应，故发生竖向舞动的同时往往伴随有较为显著的水平向和扭转向舞动。导线舞动严重时可造成电力供给中断，甚至发生倒塔事故，造成巨大的经济损失。因此对覆冰多分裂导线超高压线路的舞动机理研究和起舞风速判定十分必要。

迄今为止，对舞动问题研究主要集中在舞动机理、导线气动特性试验、舞动试验、舞动数值模拟及防舞措施等五个方面。就舞动试验而言，输电导线具有大档距和小弧垂的特点，很难在风洞中设计出满足相似性原理的整档导线的气弹性模型，因此大多采用弹簧悬挂节段模型。国外学者Keutgen&lien（2000）采用支架弹簧系统在风洞中激发了导线竖向-扭转耦合舞动和纯竖向舞动；Muharomad（2008）采用覆冰四分裂导线节段模型和拉索相结合的方式，提出了一种可在某种程度上考虑输电线路几何非线性特征的舞动试验模型。国内学者楼文娟（2011）以新月形和D形覆冰为研究对象，在风洞实验室内重现了起舞过程，对基于准定常假定舞动分析方法的可靠性进行了验证。刘小会（2011）亦采用了近似的试验方法考察了单根和四分裂导线的舞动响应特性，并基于试验结果对舞动数值模拟方法进行了验证。

然而已有的导线气弹模型舞动风洞试验多是针对特定气动力类型验证了准定常假定、Den Hartog或Nigol舞动机理，却未能解释与Den Hartog和Nigol舞动机理不符的舞动现象，且模型的竖向自振频率多大于0.8 Hz（实际多分裂超高压输电线路低阶自振频率多小于此值），扭转自振频率的取值也只考虑了其远大于竖向自振频率的工况，更少有文献提及水平频率的取值。鉴于此，本文作者制作了D形覆冰截面的六分裂导线节段模型，采用新設计的风洞内支架式三自由度频率可调的弹簧悬挂装置，针对三种典型的Den Hartog系数和Nigol系数的正负组合，准确模拟并记录了导线节段模型在均匀风场作用下的三自由度运动状态，研究了导线舞动特性与气动特性、模型自振频率及风速之问的关系，同时对于给定的实际输电线路还可以判定其起舞风速。