输电线路脱冰振动机理分析与抑制方法研究

Ice-shedding from transmission line can cause security problems of transmission lines, and the vibration mechanism and control methods of ice-shedding are researched in the project. For different terrain conditions, we built transmission line models with uneven span and elevation, and then calculate ice-shedding vibration characteristic of different transmission models while ice shedding happened on one or several spans. Therefore, the laws of conductor displacement and transmission line stress are analyzed, which can guide the design and management of transmission lines. For different transmission line model and ice-shedding model, the validity of vibration control on conductor and tower is analyzed with different vibration control methods. And then, we build nonlinear dynamic equation of conductor and tower, which can be used to reveal the mechanism of vibration control and optimize the control methods. The project can provide a basis for transmission line design, and improve reliability of transmission line operation. Furthermore, the achievements can extend to the disaster prevention of power system in track traffic field, which have important theoretical and practical significance.

本项目针对严重威胁输电线路安全稳定运行的脱冰振动问题，开展输电线路脱冰振动机理分析和抑制方法研究。对不同地形条件下的输电线路，建立档距和高差不均匀的输电线路模型，计算单档及多档连续脱冰时输电线路脱冰振动响应特征，分析输电线路、覆冰和脱冰方式对导线位移和输电线路受力等输电线路脱冰响应特征的影响规律，指导输电线路的设计和运行。针对不同的输电线路模型和脱冰模型，分析不同脱冰振动抑制方法对导线振动和杆塔振动抑制的有效性，建立导线和杆塔的非线性动力方程，揭示不同场景下振动抑制的机理，运用结构控制的思路，优化脱冰振动抑制措施。该项目能够为输电线路的规划设计提供依据，提高我国电网运行的可靠性，进一步还可推广到轨道交通领域的供电网络覆冰灾害的防灾减灾工作中，具有重要的理论和实际意义。

随着自然环境的变化，全球极端冰雪灾害的出现频率呈上升趋势。在覆冰灾害发生过程中，输电线路脱冰振动是引起输电线路故障的重要原因，脱冰后导线大幅度振动可能引发机械和电气事故。现有输电线路脱冰振动的分析和抑制方法研究主要针对固定量脱冰，但是实际输电线路脱冰形式除固定量脱冰外，还包括连续诱导脱冰，尤其随着近年来热力学除冰技术的发展，热力学除冰过程中，覆冰脱落的形式以连续的连续诱导脱冰为主。现有连续诱导脱冰振动分析研究中，主要采用固定速度脱冰的方式模拟连续诱导脱冰，基于商业有限元软件计算脱冰动态响应，忽略了导线与覆冰间的耦合，难以适用于不均匀覆冰、非同期脱冰等场景的仿真分析。因此，揭示连续诱导脱冰引起导线振动的机理，建立连续诱导脱冰的动力学响应模型，评估输电线路在连续诱导脱冰条件下的响应特性，进而设计全面考虑不同脱冰场景的导线振动抑制措施，是提高输电线路防御覆冰灾害的有效途径。为此：1）本项目首先对比了有限元软件ANSYS和悬索结构分析的有限单元法两种建模方法，对比结果表明后者灵活性更好，更加适用于复杂场景；2）在此基础上，本项目提出了基于有限单元法的融冰环境下输电线路连续诱导脱冰动态响应分析方法，实现了复杂场景下连续诱导脱冰响应计算；3）本项目搭建了输电线路脱冰振动模拟实验平台，通过实验结果与仿真结果进行对比，验证了本文提出所提方法的有效性；4）本项目进一步利用重庆大学融冰实验结果，验证本文模型的连续诱导脱冰动态响应分析方法的有效性，并对关键影响因素进行仿真分析，总结不同因素对连续诱导脱冰跳跃高度的影响；5）为了抑制脱冰振动，本项目提出了综合考虑连续诱导脱冰和固定量脱冰的防震锤位置优化方法，基于连续诱导脱冰动态响应模型，分析不同防震锤布置位置对脱冰振动的抑制效果，优化防震锤的布置位置。本项目研究成果为输电线路抗冰设计、热力学除冰调度和脱冰振动的抑制提供了理论支持。