大跨越覆冰输电线路的脱冰跳跃机理与控制研究

The present research is a systematic investigation of theories of coupling nonlinear vibration of large amplitude, energy conversion mechanism and control method of vibration, which is inspired by ice-shedding of continuous long span transmission line of power. In view of the dynamic coupling of ajacent spans and geometric nonlinearity of large displacement,and based on Hamilton's variational principle, a fine dynamics model of tower-line system of power transmission is established, with which the fundamental characteristics of nonlinear dynamics of transmission line are studied comprehensively. The formulae of maximum jump height and non equibrium dynamic tension are derived. The theories of vibration of large amplitude and dynamic coupling mechanism are revealed from the point of view of energy conversion. The tower-line model of two spans with crossing section and tensionning section is designed and manufactured according to the principle of dynamic similarity. Through the experiment of simulating ice-shedding by means of wireless program-controlled technology, the dynamic responses of tower-line system under various working conditions are tested and anaylsed, which verify the correctness of the coupling model of transmission line of power. A new method to reduce the vibration is put forward, which utilizes the slight swing of insulator chain to control the large amplitude vibration of transmission line. The new viscoelastic damper of angular displacement, magnetorheological damper of shear type and semi-active control system are developed, and the optimal control parameters will be finally detemined through the evaluation of the performance of control system based on the numerical and experimental results from the point of view of nonlinear dynamics.

系统研究大跨越连续档覆冰输电线路因脱冰导致的非线性大幅耦合振动机理、能量转换机制及其最优的减振控制技术和方法。考虑相邻档间的动力耦合和几何非线性，基于Hamilton变分原理建立输电塔线体系的精细动力学模型；通过该模型全面分析输电线路的基本动力学特性和非线性特性，导出最大跳跃高度、最大不平衡动张力计算公式，从能量转换角度揭示输电线路脱冰跳跃的大幅振动机理和动力学耦合机理；根据动力相似原理设计、制作由跨越档和耐张档构成的两档塔线体系试验模型，采用无线程控技术模拟脱冰过程，测试、分析各种复杂脱冰工况下塔线体系的动力响应，并验证连续档耦合模型及其机理研究的正确性；提出一种利用绝缘子串的小幅摆动控制输电线路大幅横向振动的减振控制方法，研制新型的粘弹性角位移阻尼器、旋转剪切式磁流变阻尼器及相应的半主动控制系统；基于数值和试验分析结果，从非线性动力学角度评估控制系统的减振性能，确定最优的控制方案。

输电线上的覆冰脱落是一种突加荷载，会引起输电线路的大幅振动。线路脱冰可能导致闪络、烧伤、烧断电线等电气事故，也可能导致金具损坏、导线断股、杆塔折损等机械事故。对于大跨越超高压输变电工程而言，输电线路的几何非线性和档间耦合作用显著加强，脱冰导致的大幅振动将是一个非常复杂的动力学过程。本项目以湖南某输电线路为工程原型，采用理论分析、数值仿真和模型试验相结合的方法，研究连续档输电线路的非线性耦合振动特性、脱冰跳跃机理及其减振控制技术，取得了以下主要研究成果：（1）各档输电线通过连续条件耦合，在跨度比等于1的邻域内产生混合模态，模态频率会发生频率穿越现象； 在Veering区和频率穿越区附近，某些频率接近相等，存在1:1内共振模式，同时也存在2:1等内共振模式。由于内共振作用，档与档之间输电线发生明显的能量交换和复杂的动力学现象，模态间的相互激励形成了拍振，输电导线的振幅有显著增大。（2）脱冰档与非脱冰档的振动能量是可以通过悬垂绝缘子串相互传播的，相邻两档之间的耦合振动非常显著。在整档拉链式脱冰过程中，随着脱冰速度的增加，输电导线的位移和应力响应的峰值和变化幅度会随之增大。脱冰速度越小，脱冰过程越接近于静力卸载，脱冰速度越快，脱冰响应越接近于整档同时脱冰。（3）从导线跳跃高度来看，整档同时脱冰是一种最危险的工况，在该工况下，导线的最大跳跃高度发生在脱冰档的跨中，跳跨比高达2%以上。此时，非脱冰档也会发生大幅的低频振动，其跨中的跳跨比也达到了1.5%以上。（4）从导线动应力来看，整档脱冰工况下的动应力峰值均比脱冰前的覆冰静应力要小，应力减幅达到5%以上。而局部脱冰工况下的动应力峰值水平则与覆冰静应力相当。（5）相对于施加在绝缘子串上的阻尼，输电导线上施加的阻尼对导线的最大振幅有更好的抑制作用。新型碰撞式防振锤兼有动力吸振减振和碰撞耗能减振的双重功能，对输电线因脱冰而引起的大幅振动有较好的减振控制效果。