CN105303055B - 风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法，首先应用线性滤波法中的模型模拟风速时程，其次采用谱函数对上述模拟点的风速时程曲线进行检验，得出数值模拟出的脉动风速和实际的风速基本吻合的结论；采用直接的数值积分法和非线性模态理论分别对输电线体系的动力学方程进行求解，得到部分模拟点的风速时程曲线，并对于上述两种方法求解的时程曲线采用功率谱进行对比，能够得知模态叠加合成的时程曲线的功率谱和直接求解的功率谱吻合的较好，表明了模态合成求解的输电线动态响应时程曲线是可靠的。本发明通过两种方式分别确定脉动风的特性，能够确认脉动风的特性，为特高压输电线路的静动态工程设计提供理论和参考依据。
Description
技术领域：
本发明涉及一种输电线绝缘子动力学特性研究，特别是涉及一种风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法。
背景技术：
在特高压输电线路工程设计与施工中，很多包括过电压与绝缘配合、耐污特性、防雷特性、线路环境、设备研制、运行维护等关键技术问题以及铁塔组立、张力架线、变电基础等施工方面的问题均不同于以往的高压或超高压输电线路，亟待研究和解决，特高压输电线路多联绝缘子串的静动态力学特性及风振成因与抑制技术就是其中之一。
绝缘子在高压输电线路中是必不可少的一个组成部分。它的作用主要体现在两个方面，第一个方面，它能使处于高电位的导线与处于低电位的杆塔相互连接，承受了导线的重力风力等机械力，因此它需要满足机械性能的要求；第二个方面，它还需要保证两者之间绝缘，这是其电气方面的性能要求。绝缘子的结构比较简单，制造成本也相对较低，但它的重要性不亚于其他构成电力系统的任何设备和器件。任何一串绝缘子出现问题都会造成输电线路的故障，严重时会造成长时间的停电，对电力系统的安全运行以及人们的日常生活造成很大的伤害。在特高压输电线路设计中，经常会出现大档距、大负荷的情况，当单联绝缘子串、双联绝缘子串荷载不够时，就需要采用多联绝缘子串，因此更加需要研究多联绝缘子串的非线性动力学情况。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种简单实用、模拟准确且容易实施的风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法。
本发明的技术方案是：
一种风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法，包括以下步骤：
a、采用线性滤波法构建风场，并且应用线性滤波法中的模型模拟风速时程，把随机过程抽象为满足给定条件的白噪声，然后通过某一假设系统进行适当变换从而拟合出该过程的时域过程；
b、将某段输电线路平均等分为N个单元，具体的选取模拟点N-1个，采用线性滤波法模拟得到的选取的模拟点的风速时程曲线图；
c、采用谱函数对上述模拟点的风速时程曲线进行检验，能够得知目标谱与谱密度的模拟谱基本接近，则模拟得到的脉动风速时程曲线结果是可信的，数值模拟出的脉动风速和实际的风速基本吻合；
d、采用直接的数值积分法中的Wilson-θ法对输电线体系的动力学方程进行求解，得到部分模拟点的风速时程曲线，从风速时程曲线看出，在脉动风的作用下，输电线的位移在平衡点附近振动，同时Z方向的位移相比较输电线的Y方向来说数值较小，说明输电线在水平方向的脉动风的作用下，对于Z方向的影响比较大；
e、根据非线性模态理论，对于形成的在新平衡点处非线性方程组进行求解，主要采用前七阶模态进行合成来模拟输电线在脉动风下的时程曲线；
f、对于上述两种方法求解的时程曲线采用功率谱进行对比，能够得知模态叠加合成的时程曲线的功率谱和直接求解的功率谱吻合的较好，表明了模态合成求解的输电线动态响应时程曲线是可靠的。
在应用线性滤波法中的模型模拟风速时程中，选取以下参数：地貌类别为B类，截取频率为0-5Hz，时间间隔取0.01s，模拟时间100s，Cx、Cy、Cz分别表示水平向、横向和竖向的衰减系数，具体的取Cx=16、Cy=8、Cz=10，10m处的平均风速25m/s，表面粗糙度系数k=0.015，地面粗糙度指数α=0.16，频率取样点N=1500。
在步骤b中，将某段输电线路平均等分为8个单元，具体的选取模拟点7个，在步骤f中，选取Z方向上的二三四点进行对比。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过直接的数值积分法求解和非线性模态理论求解这两种方式分别确定脉动风的特性，并且二者相互印证，进而确认脉动风的特性，为特高压输电线路的静动态工程设计提供理论和参考依据。
2、本发明采用直接的数值积分法求解，得到部分模拟点的风速时程曲线，表明在脉动风的作用下，输电线的位移在平衡点附近振动，同时Z方向的位移相比较输电线的Y方向来说数值较小，进而能够表明输电线在水平方向的脉动风的作用下，对于Z方向的影响比较大，提高了分析效果的直观性。
3、本发明根据非线性模态理论，对于形成的在新平衡点处非线性方程组进行求解，主要采用前七阶模态进行合成来模拟输电线在脉动风下的时程曲线，从而验证脉动风的运动规律。
4、本发明对于两种方法求解的时程曲线采用功率谱进行对比，为此选取Z方向上的二三四点进行对比，模态叠加合成的时程曲线的功率谱和直接求解的功率谱吻合的较好，表明了模态合成求解的输电线动态响应时程曲线是可靠的。
5、本发明简单实用、模拟准确且容易实施，其适用范围广，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为输电线风载荷模拟点的示意图；
图2为模拟点1的风速时程曲线图；
图3为模拟点2的风速时程曲线图；
图4为模拟点3的风速时程曲线图；
图5为模拟点4的风速时程曲线图；
图6为模拟点1的功率谱和目标谱的对比图；
图7为模拟点2的功率谱和目标谱的对比图；
图8为模拟点3的功率谱和目标谱的对比图；
图9为模拟点4的功率谱和目标谱的对比图；
图10为积分法求解的输电线第一点Z方向位移时程曲线图；
图11为积分法求解的输电线第二点Z方向位移时程曲线图；
图12为积分法求解的输电线第四点Z方向位移时程曲线图；
图13为积分法求解的输电线第一点Y方向位移时程曲线图；
图14为积分法求解的输电线第四点Y方向位移时程曲线图；
图15为非线性求解的输电线第一点Z方向位移时程曲线图；
图16为非线性求解的输电线第二点Z方向位移时程曲线图；
图17为非线性求解的输电线第三点Z方向位移时程曲线图；
图18为第二点Z方向物理坐标下的谱和模态合成下的谱对比图；
图19为第三点Z方向物理坐标下的谱和模态合成下的谱对比图；
图20为第四点Z方向物理坐标下的谱和模态合成下的谱对比图。
具体实施方式：
一种风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法，包括以下步骤：
a、采用线性滤波法构建风场，并且应用线性滤波法中的模型模拟风速时程，把随机过程抽象为满足给定条件的白噪声，然后通过某一假设系统进行适当变换从而拟合出该过程的时域过程；
b、将某段输电线路平均等分为N个单元，具体的选取模拟点N-1个，采用线性滤波法模拟得到的选取的模拟点的风速时程曲线图；
c、采用谱函数对上述模拟点的风速时程曲线进行检验，能够得知目标谱与谱密度的模拟谱基本接近，则模拟得到的脉动风速时程曲线结果是可信的，数值模拟出的脉动风速和实际的风速基本吻合；
d、采用直接的数值积分法中的Wilson-θ法对输电线体系的动力学方程进行求解，得到部分模拟点的风速时程曲线，从风速时程曲线看出，在脉动风的作用下，输电线的位移在平衡点附近振动，同时Z方向的位移相比较输电线的Y方向来说数值较小，说明输电线在水平方向的脉动风的作用下，对于Z方向的影响比较大；
e、根据非线性模态理论，对于形成的在新平衡点处非线性方程组进行求解，主要采用前七阶模态进行合成来模拟输电线在脉动风下的时程曲线；
f、对于上述两种方法求解的时程曲线采用功率谱进行对比，能够得知模态叠加合成的时程曲线的功率谱和直接求解的功率谱吻合的较好，表明了模态合成求解的输电线动态响应时程曲线是可靠的。
在应用线性滤波法中的模型模拟风速时程中，选取以下参数：地貌类别为B类，截取频率为0-5Hz，时间间隔取0.01s，模拟时间100s，Cx、Cy、Cz分别表示水平向、横向和竖向的衰减系数，具体的取Cx=16、Cy=8、Cz=10，10m处的平均风速25m/s，表面粗糙度系数k=0.015，地面粗糙度指数α=0.16，频率取样点N=1500。
在步骤b中，将某段输电线路平均等分为8个单元，具体的选取模拟点7个，在步骤f中，选取Z方向上的二三四点进行对比。
实际计算时，通常把风分为平均风和脉动风来分析，平均风是在给定的时间内，把风对建筑物的作用力、风的速度方向和其他的物理量都看成不随时间而改变的量，这是因为考虑到风的长周期远远大于一般结构的周期。因而，这部分虽然本质上是动力的，但其与静力作用相近，因此可认为其作用性质相当于静力。脉动风是由于风的不规则性引起的，它的强度随时间按随机规律变化的，它的周期较短。对于任意时刻任意高度的风速可以表示为平均风速和脉动风速的和。本发明只要是针对脉动风进行的研究。
Claims (3)
1.一种风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法，包括以下步骤：
a、采用线性滤波法构建风场，并且应用线性滤波法中的模型模拟风速时程，把随机过程抽象为满足给定条件的白噪声，然后通过某一假设系统进行适当变换从而拟合出该过程的时域过程；
b、将某段输电线路平均等分为N个单元，具体的选取模拟点N-1个，采用线性滤波法模拟得到的选取的模拟点的风速时程曲线图；
c、采用谱函数对上述模拟点的风速时程曲线进行检验，能够得知目标谱与谱密度的模拟谱基本接近，则模拟得到的脉动风速时程曲线结果是可信的，数值模拟出的脉动风速和实际的风速基本吻合；
d、采用直接的数值积分法中的Wilson-θ法对输电线体系的动力学方程进行求解，得到部分模拟点的风速时程曲线，从风速时程曲线看出，在脉动风的作用下，输电线的位移在平衡点附近振动，同时Z方向的位移相比较输电线的Y方向来说数值较小，说明输电线在水平方向的脉动风的作用下，对于Z方向的影响比较大；
e、根据非线性模态理论，对于形成的在新平衡点处非线性方程组进行求解，主要采用前七阶模态进行合成来模拟输电线在脉动风下的时程曲线；
f、对于上述两种方法求解的时程曲线采用功率谱进行对比，能够得知模态叠加合成的时程曲线的功率谱和直接求解的功率谱吻合的较好，表明了模态合成求解的输电线动态响应时程曲线是可靠的。
2.根据权利要求1所述的风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法，其特征是：在应用线性滤波法中的模型模拟风速时程中，选取以下参数：地貌类别为B类，截取频率为0-5Hz，时间间隔取0.01s，模拟时间100s，Cx、Cy、Cz分别表示水平向、横向和竖向的衰减系数，具体的取Cx=16、Cy=8、Cz=10，10m处的平均风速25m/s，表面粗糙度系数k=0.015，地面粗糙度指数α=0.16，频率取样点N=1500。
3.根据权利要求1所述的风振激励作用下特高压输电线路非线性动力学分析方法，其特征是：在步骤b中，将某段输电线路平均等分为8个单元，具体的选取模拟点7个，在步骤f中，选取Z方向上的二三四点进行对比。
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