輸電線共振響應分析

程文杰 楊映雯 蔣 森 華 超 楊海燕

（重慶科技學院，重慶401331）

輸電線路是一種典型的風振敏感結構，其風致振動具有大位移小變形的非線性特點。因此，在電力系統加快推進特高壓輸電線路建設的大背景下，為保障我國電網的正常、安全、穩定運行，有必要結合特高壓線路的特點，對輸電線動力響應的計算方法進行改進，因此提出風振計算時忽略共振響應的判斷依據至關重要。國內外學者認為在高風速條件下輸電導線的共振響應受到氣動阻尼影響，脈動風致響應以背景響應為主[1-4]。Aboshosha 等[5]建立輸電導線單跨和六跨模型，分析得出風速工況為20m/s 和40m/s 時導線共振響應占總響應的比例均為16%左右，高風速工況下共振響應比例為6%左右；然而對于多跨輸電導線，兩類風場、兩種風速條件下導線共振響應對總響應的占比在6%左右。樓文娟等[6,7]考慮來流與導線相對運動對脈動響應的影響，計算分析得到背景響應在脈動響應中貢獻較大，可以忽略共振響應的影響。以往研究認為強風荷載作用下輸電線的氣動阻尼顯著，進而風致共振響應小到足以忽視。然而輸電線路的氣動阻尼和自身結構特性、風場特性有關，隨著輸電線路朝大檔距和應用于復雜環境的趨勢發展，忽略輸電線風振共振分量的方法不一定合理。本文以500kV 某耐張段4 跨輸電線路為研究對象，采用MATLAB 軟件模擬人工風場，將ANSYS 有限元模型放置風場中，考慮風速的影響，獲得多種工況下的時程響應曲線。通過FFT 技術將時域結果轉化為頻域結果，確定共振響應的頻率帶寬，通過濾波技術將共振響應從總響應中分離出來，進而分析給出風振計算時忽略共振響應的判斷依據。

1 風速模擬

自然風是由長周期的平均風和短周期的脈動風兩部分組成。平均風不隨時間變化, 而脈動風則隨時間按隨機規律變化,可以通過隨機過程理論進行數值模擬[8]。本文采用不隨高度變化Davenport[9]提出的風速譜，其具體表達式為：

圖1 跨中節點脈動風速時程曲線

2 輸電線有限元模型

對某500kV 的耐張段輸電線路進行計算。該輸電線路按耐- 直- 直- 直- 耐方案布置，耐張段全長2200m，段內無轉角，計算線路的示意圖如圖2 所示。 導線型號為4 ×JLHA1/G1A-575/40-45/7，截面面積為621mm2, 線密度為1917kg/km。導線阻力系數按荷載規范規定取1.1。耐張塔絕緣子串長度為8.33m，質量為1614.6kg，擋風面積為113400mm2。直線塔絕緣子串長度為6.832m，質量為1238.08kg，擋風面積為101800mm2。設計風速為30m/s，采用B 類地貌。

圖2 計算線路的示意圖

輸電導線屬于非線性特征顯著的高柔度結構，因此在現實情況下僅能受拉而不能受壓且無法承受彎矩。采用ANSYS 單元庫中的Link8 單元來模擬絕緣子串，選擇Link10 模擬導線。絕緣子串和桿塔之間的連接作為固定較接，對兩端絕緣子與導線連接的節點施加順導線方向約束, 用來平衡輸電塔順導線方向的張力,以達到對實際情況的模擬[11]。

3 風振響應模擬結果對比分析

通過建立有限元模型計算分析輸電線風速對輸電線風振共振響應的影響，獲取導線第二跨的跨中節點和單元的總響應。脈動響應為總響應減去平均響應。在響應功率譜密度曲線圖中選取共振峰值響應左右最低點確認共振響應的頻率范圍[12]，對脈動響應進行濾波處理，獲得共振響應。最后提出輸電線在風振計算時忽略共振響應的判斷依據。本節選取圖2 的計算線路示意圖建立有限元模型，研究風速變化對共振響應的影響。風速變化范圍為10m/s -50m/s，間隔10m/s。不同風速對應的共振響應分布如圖3 所示。隨著風速增大，跨中節點位移和單元的張力呈逐漸增大趨勢。

圖3 不同風速工況共振響應分布圖

風速對最大位移和張力的影響如表1 所示。隨著風速增大，最大位移和最大張力的共振逐漸增大。當設計風速為20m/s 時，位移共振與位移脈動占比為10.78%，風振計算可以忽略共振響應影響。當設計風速為10m/s 時，張力共振與張力脈動占比為20.86%，風振計算可以忽略共振響應影響。

表1 風速對最大位移和張力的影響

4 結論

本文以500kV 某耐張段4 跨輸電線路為研究對象，通過有限元模型計算分析不同風速、質量、檔距工況對輸電線風振共振響應的影響，得出以下結論：當設計風速為20m/s 時，位移共振與位移脈動占比為10.78%，風振計算可以忽略共振響應影響。當設計風速為10m/s 時，張力共振與張力脈動占比為20.86%，風振計算可以忽略共振響應影響。