CN109799053B - 一种输电设备动力特性分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种输电设备动力特性分析方法。本发明采用的技术方案包括：根据输电塔‑线原型和模型的几何尺寸比例制作输电塔‑线耦合模型；在所述的输电塔‑线耦合模型上安装测量系统；对输电塔‑线耦合模型进行模态测量分析，得到模态测量数据；根据所述的输电塔‑线原型承受载荷情况进行风载作用下输电塔‑线耦合模型的振动试验，得到振动数据；对模态测量数据及振动数据进行分析处理，得到的数据与输电塔‑线原型进行对比，修正输电塔‑线耦合模型相关参数。本发明提供一种输电塔‑线耦合模型，可以针对不同情况下输电塔‑线耦合系统的振型、振动频率等进行研究。
Description
技术领域
本发明属于输电设备领域，具体地说是一种输电设备动力特性分析方法。
背景技术
输电线路是重要的电力设备，输电杆塔、输电线路安全直接影响电网的可靠性。特高压输电塔有跨度大、高度高的特点，非常容易发生倒塌、断线和线路舞动事故。
中国是一个风灾频发的国家，台风数量多，近年来输电塔风致倒塌的事故频发，严重影响经济的发展。目前对输电塔-线一体风致响应，大多建立有限元模型，将输电杆塔结构简化进行分析。
目前对输电塔动力响应的试验研究较少，输电塔体系的试验台更少。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种输电设备动力特性分析方法，使其可对不同情况下输电塔-线耦合系统的振型、振动频率进行研究。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种输电设备动力特性分析方法，其包括：
根据输电塔-线原型和模型的几何尺寸比例制作输电塔-线耦合模型；
在所述的输电塔-线耦合模型上安装测量系统，所述的测量系统包括风速风向传感器、加速度传感器和应变传感器，所述的风速风向传感器安装于输电塔顶部，对输电塔承载的风向和风速进行测量，加速度传感器和应变传感器安装于输电塔架的各个杆件节点上，对输电塔-线耦合模型的振型进行测量；
对输电塔-线耦合模型进行模态测量分析，得到模态测量数据；
根据所述的输电塔-线原型承受载荷情况进行风载作用下输电塔-线耦合模型的振动试验，得到振动数据；
对模态测量数据及振动数据进行分析处理，得到的数据与输电塔-线原型进行对比，修正输电塔-线耦合模型相关参数。
作为上述技术方案的补充，模态测量分析时，采用锤击法和瞬态激励进行测量，瞬态锤击时力绝对值不超过平均幅值的10％。
作为上述技术方案的补充，通过风载荷激励系统施加不同的风载，包括不同的风速、风向角和风量。
作为上述技术方案的补充，所述的风载荷激励系统包括鼓风机、皮托管流量计、皮托管和角度转盘，所述的鼓风机采用软管与皮托管相连，软管中装皮托管流量计，皮托管安装在角度转盘上；
通过角度转盘的调整模拟不同风向角，并根据风向风速传感器测量的结果，及时进行调节，满足不同工况下试验需求。
作为上述技术方案的补充，所述的输电塔-线耦合模型包括基座、输电塔和输电线，输电塔采用螺栓固定在基座上，输电线安装在输电塔上，基座采用混凝土结构，通过调节螺栓松紧度来模拟基础刚性对输电塔-线耦合模型振型的影响。
作为上述技术方案的补充，输电塔由各个杆件通过螺栓装配而成，通过拆装杆件来模拟输电塔损坏情况下输电塔-线耦合模型的模态变化情况。
作为上述技术方案的补充，所述的输电线通过挂钩安装在输电塔上，通过挂钩调节输电线的弧垂，模拟不同弧垂条件下风激励对输电线扰动的影响。
作为上述技术方案的补充，输电线之间安装脱钩装置，模拟输电线意外断线，测量其对输电塔-线耦合模型振动的影响。
作为上述技术方案的补充，对模态测量数据进行频响函数分析，对测点与参考点的函数进行相关拟合，得到输电塔-线耦合模型固有频率，分析输电塔-线耦合模型各阶频率、阻尼及振型。
作为上述技术方案的补充，风载作用下输电塔-线耦合模型的振动试验的步骤如下：
1)通过风载荷激励系统施加不同的风载，对不同风速、风向及风量下输电塔-线耦合模型振动情况，振型，频率变化情况测量分析；
2)输电塔-线耦合模型的不同状态下进行模态、振动研究；
所述输电塔-线耦合模型的状态指输电塔杆件损坏、不同弧垂、输电塔基础刚性不足和输电线断线情况。
与现有技术相比，本发明具备以下的技术优点：
本发明提供一种输电塔-线耦合模型，可以对输电塔-线进行模态分析，还可以研究不同风速、风向角下对输电塔-线系统振动的影响；此外，还可以研究输电塔不同负载下、输电杆塔损伤、输电线不同弧垂或意外断线等情况下的输电塔-线系统振动情况，分析不同情况下输电塔-线系统的振型、振动频率等。
附图说明
图1是本发明动力特性分析方法的流程图；
图2是本发明输电塔-线耦合模型试验装置的示意图；
图3是本发明风载荷激励系统置的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明为一种用于输电设备的动力特性分析方法，如图1所示，其主要步骤如下：
1、根据输电塔-线原型和模型的几何尺寸比例制作输电塔-线耦合模型；建立模型时根据相似准则，模型几何形状要与原型相似，还要满足无量纲参数，参数如下：
(1)输电塔模型相似系数
| 相似系数名称 | 相似系数 |
| 几何尺寸相似系数 | C<sub>L</sub> |
| 结构密度相似系数 | C<sub>ps</sub> |
| 频率相似系数 | C<sub>f</sub> |
| 加速度相似系数 | C<sub>a</sub> |
| 位移相似系数 | C<sub>y</sub> |
| 风速相似系数 | C<sub>v</sub> |
| 拉伸刚度相似系数 | C<sub>EA</sub> |
(2)输电线模型相似系数
| 相似系数名称 | 相似系数 |
| 跨度相似系数 | C<sup>l</sup><sub>L</sub> |
| 外径相似系数 | C<sup>l</sup><sub>d</sub> |
| 单位长度质量相似系数 | C<sup>l</sup><sub>s</sub> |
| 垂度相似系数 | C<sup>l</sup><sub>m</sub> |
(3)风速计算
不同地貌类型，风速计算公式如下：
V＝V0.1(Z/0.1)a，
其中，a为地貌系数，Z为高度，V0.1表示离地面距离为0.1m的地表风速。
2、安装测量系统
在输电塔-线耦合模型上安装20个加速度传感器，1-10号测量X方向，11-20号测量Y方向。同时安装光纤拉格光栅应变传感器型号为GBC-1013，用于测量输电塔-线耦合模型各个位置应变。风速风向传感器共3个，型号为HD2003型三维超声传感器，测量三维风速风向。
传感器与信号解调仪相连，信号解调仪与数字采集箱连接，用电脑对数字采集工具箱AZ404B-H进行数据收集。结构模态采用MaCras进行分析，风载下耦合模型振动采用Bently408进行分析。
测量项目包括：输电塔基座，输电塔各个杆件和立柱，导线等。
如图2所示，所述的输电塔-线耦合模型包括基座0、输电塔1和输电线2，输电塔1采用螺栓固定在基座上，输电线2安装在输电塔上，基座采用混凝土结构，通过调节螺栓松紧度来模拟基础刚性对输电塔-线耦合模型振型的影响。所述的输电线2通过挂钩21安装在输电塔上，输电线之间安装脱钩装置22。
3、模态测量分析
(1)利用AZ404B-H建立输电塔-线耦合模型。
(2)进行参数设置，采集器通道为2通道，测量方向数X、Y两向，平均次数设置为2次，触发参数为负触发，电压范围+5V。频率设置为0-10000Hz，最高采样频率为256KHz。采用力锤对输电塔-线耦合模型接点进行敲击，进行波形分析和自功率谱分析，检查相干函数若相似度为1，认为相干函数较好，如发现某组测量相干函数较差，对此组数据重新进行测量。其中力锤参数型号为IH-50PE，灵敏度为4.6pC/N。
(3)全部测量幅频响应或者自功率谱集总平均计算，然后进行模态频率初始估计，进行曲线整合测量方向处理，约束方程处理，模态振型归一，模态振型正交性试验。
(4)对比试验及其拟合函数吻合度，若不吻合则重新进行模态频率初始估计，生成模态测试报告。
4、风载作用下输电塔-线振动试验
通过风载荷激励系统施加不同的风载，包括不同的风速、风向角和风量。如图3所示，所述的风载荷激励系统包括鼓风机3、皮托管流量计5、皮托管7和角度转盘6，所述的鼓风机3采用软管4与皮托管7相连，软管4中装皮托管流量计5，皮托管7安装在角度转盘6上；通过角度转盘的调整模拟不同风向角，并根据风向风速传感器测量的结果，及时进行调节，满足不同工况下试验需求。
(1)基座0上设置不同输电塔数量，对多塔情况下塔线耦合系统振型进行研究。输电塔的地脚螺栓0-1逐个松动，调节螺栓松紧度，模拟基础刚性对振型的影响。
(2)将输电线的脱钩装置22脱开，模拟输电线意外断线情况下，调节挂钩在输电塔上的安装位置，调节导线的弧垂，对输电塔线系统的振型、振动频率进行测量。
(3)将输电塔各个部位杆件逐个拆除，模拟输电塔损坏情况下，对输电塔-线耦合系统的振型、振动频率进行测量。将输电塔不同部位杆件螺栓进行移位、松动、拆除，试验螺栓情况下对耦合系统振型的影响。
(4)通过挂钩调节输电线的弧垂，模拟不同弧垂条件下风激励对输电线扰动的影响。
(5)施加风力载荷调节风速、风向角，对不同风速、风量下的输电塔线耦合系统的振动频率、振型进行测量。
5、数据处理分析
振动频谱包括加速度平均功率谱分析，振动波形分析。将数据与原型进行对比，修正参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种输电设备动力特性分析方法，其特征在于，包括：
根据输电塔-线原型和模型的几何尺寸比例制作输电塔-线耦合模型；
在所述的输电塔-线耦合模型上安装测量系统，所述的测量系统包括风速风向传感器、加速度传感器和应变传感器，所述的风速风向传感器安装于输电塔顶部，对输电塔承载的风向和风速进行测量，加速度传感器和应变传感器安装于输电塔架的各个杆件节点上，对输电塔-线耦合模型的振型进行测量；
对输电塔-线耦合模型进行模态测量分析，得到模态测量数据；
根据所述的输电塔-线原型承受载荷情况进行风载作用下输电塔-线耦合模型的振动试验，得到振动数据；
对模态测量数据及振动数据进行分析处理，得到的数据与输电塔-线原型进行对比，修正输电塔-线耦合模型相关参数；
所述的输电塔-线耦合模型包括基座（0）、输电塔（1）和输电线（2），输电塔（1）采用螺栓固定在基座上，输电线（2）安装在输电塔上，基座采用混凝土结构，通过调节螺栓松紧度来模拟基础刚性对输电塔-线耦合模型振型的影响；
输电塔由各个杆件通过螺栓装配而成，通过拆装杆件来模拟输电塔损坏情况下输电塔-线耦合模型的模态变化情况；
所述的输电线（2）通过挂钩（21）安装在输电塔上，通过挂钩调节输电线的弧垂，模拟不同弧垂条件下风激励对输电线扰动的影响；
输电线之间安装脱钩装置（22），模拟输电线意外断线，测量其对输电塔-线耦合模型振动的影响；
风载作用下输电塔-线耦合模型的振动试验的步骤如下：
1）通过风载荷激励系统施加不同的风载，对不同风速、风向及风量下输电塔-线耦合模型振动情况，振型，频率变化情况测量分析；
2）输电塔-线耦合模型的不同状态下进行模态、振动研究；
所述输电塔-线耦合模型的状态指输电塔杆件损坏、不同弧垂、输电塔基础刚性不足和输电线断线情况。
2.根据权利要求1所述的输电设备动力特性分析方法，其特征在于，模态测量分析时，采用锤击法和瞬态激励进行测量，瞬态锤击时力绝对值不超过平均幅值的10%。
3.根据权利要求1所述的输电设备动力特性分析方法，其特征在于，通过风载荷激励系统施加不同的风载，包括不同的风速、风向角和风量。
4.根据权利要求3所述的输电设备动力特性分析方法，其特征在于，所述的风载荷激励系统包括鼓风机（3）、皮托管流量计（5）、皮托管（7）和角度转盘（6），所述的鼓风机（3）采用软管（4）与皮托管（7）相连，软管（4）中装皮托管流量计（5），皮托管（7）安装在角度转盘（6）上；
通过角度转盘的调整模拟不同风向角，并根据风向风速传感器测量的结果，及时进行调节，满足不同工况下试验需求。
5.根据权利要求1所述的输电设备动力特性分析方法，其特征在于，对模态测量数据进行频响函数分析，对测点与参考点的函数进行相关拟合，得到输电塔-线耦合模型固有频率，分析输电塔-线耦合模型各阶频率、阻尼及振型。
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