输电线共振响应分析

程文杰 杨映雯 蒋 森 华 超 杨海燕

（重庆科技学院，重庆401331）

输电线路是一种典型的风振敏感结构，其风致振动具有大位移小变形的非线性特点。因此，在电力系统加快推进特高压输电线路建设的大背景下，为保障我国电网的正常、安全、稳定运行，有必要结合特高压线路的特点，对输电线动力响应的计算方法进行改进，因此提出风振计算时忽略共振响应的判断依据至关重要。国内外学者认为在高风速条件下输电导线的共振响应受到气动阻尼影响，脉动风致响应以背景响应为主[1-4]。Aboshosha 等[5]建立输电导线单跨和六跨模型，分析得出风速工况为20m/s 和40m/s 时导线共振响应占总响应的比例均为16%左右，高风速工况下共振响应比例为6%左右；然而对于多跨输电导线，两类风场、两种风速条件下导线共振响应对总响应的占比在6%左右。楼文娟等[6,7]考虑来流与导线相对运动对脉动响应的影响，计算分析得到背景响应在脉动响应中贡献较大，可以忽略共振响应的影响。以往研究认为强风荷载作用下输电线的气动阻尼显著，进而风致共振响应小到足以忽视。然而输电线路的气动阻尼和自身结构特性、风场特性有关，随着输电线路朝大档距和应用于复杂环境的趋势发展，忽略输电线风振共振分量的方法不一定合理。本文以500kV 某耐张段4 跨输电线路为研究对象，采用MATLAB 软件模拟人工风场，将ANSYS 有限元模型放置风场中，考虑风速的影响，获得多种工况下的时程响应曲线。通过FFT 技术将时域结果转化为频域结果，确定共振响应的频率带宽，通过滤波技术将共振响应从总响应中分离出来，进而分析给出风振计算时忽略共振响应的判断依据。

1 风速模拟

自然风是由长周期的平均风和短周期的脉动风两部分组成。平均风不随时间变化, 而脉动风则随时间按随机规律变化,可以通过随机过程理论进行数值模拟[8]。本文采用不随高度变化Davenport[9]提出的风速谱，其具体表达式为：

图1 跨中节点脉动风速时程曲线

2 输电线有限元模型

对某500kV 的耐张段输电线路进行计算。该输电线路按耐- 直- 直- 直- 耐方案布置，耐张段全长2200m，段内无转角，计算线路的示意图如图2 所示。 导线型号为4 ×JLHA1/G1A-575/40-45/7，截面面积为621mm2, 线密度为1917kg/km。导线阻力系数按荷载规范规定取1.1。耐张塔绝缘子串长度为8.33m，质量为1614.6kg，挡风面积为113400mm2。直线塔绝缘子串长度为6.832m，质量为1238.08kg，挡风面积为101800mm2。设计风速为30m/s，采用B 类地貌。

图2 计算线路的示意图

输电导线属于非线性特征显著的高柔度结构，因此在现实情况下仅能受拉而不能受压且无法承受弯矩。采用ANSYS 单元库中的Link8 单元来模拟绝缘子串，选择Link10 模拟导线。绝缘子串和杆塔之间的连接作为固定较接，对两端绝缘子与导线连接的节点施加顺导线方向约束, 用来平衡输电塔顺导线方向的张力,以达到对实际情况的模拟[11]。

3 风振响应模拟结果对比分析

通过建立有限元模型计算分析输电线风速对输电线风振共振响应的影响，获取导线第二跨的跨中节点和单元的总响应。脉动响应为总响应减去平均响应。在响应功率谱密度曲线图中选取共振峰值响应左右最低点确认共振响应的频率范围[12]，对脉动响应进行滤波处理，获得共振响应。最后提出输电线在风振计算时忽略共振响应的判断依据。本节选取图2 的计算线路示意图建立有限元模型，研究风速变化对共振响应的影响。风速变化范围为10m/s -50m/s，间隔10m/s。不同风速对应的共振响应分布如图3 所示。随着风速增大，跨中节点位移和单元的张力呈逐渐增大趋势。

图3 不同风速工况共振响应分布图

风速对最大位移和张力的影响如表1 所示。随着风速增大，最大位移和最大张力的共振逐渐增大。当设计风速为20m/s 时，位移共振与位移脉动占比为10.78%，风振计算可以忽略共振响应影响。当设计风速为10m/s 时，张力共振与张力脉动占比为20.86%，风振计算可以忽略共振响应影响。

表1 风速对最大位移和张力的影响

4 结论

本文以500kV 某耐张段4 跨输电线路为研究对象，通过有限元模型计算分析不同风速、质量、档距工况对输电线风振共振响应的影响，得出以下结论：当设计风速为20m/s 时，位移共振与位移脉动占比为10.78%，风振计算可以忽略共振响应影响。当设计风速为10m/s 时，张力共振与张力脉动占比为20.86%，风振计算可以忽略共振响应影响。