抑制输电铁塔上输电导线风雨激振的装置及方法与流程

1.本发明属于输电工程、电力设施技术领域，具体涉及一种抑制输电铁塔上输电导线风雨激振的装置及方法，尤其是一种输电物联网无线远距离链式自组网方法。


背景技术：

2.输电导线作为输电配电的重要载体，为保障民生工作，输电导线的使用量日益增加。
3.由于我国领土辽阔广大，地貌地形复杂，拥有平原、高原、山地、丘陵、盆地五种地形，而且发电站的位置又有特殊要求，所以在各地的输电电路连接上要求比较高，输电导线铁塔越来越高，两塔跨越间距越来越大，输电导线截面越来越粗，整体柔性越来越强等特点。
4.由于上述输电导线存在的特点，输电导线在外界荷载作用下极易发生振动，如风荷载；根据实际工程案例发现，当在风雨共同作用下，输电导线经常发生的风雨激振现象。风雨激振现象是在风雨天气时，输电导线表面形成的水线改变了输电导线横断面外形，当有风荷载作用时，改变了输电导线表面的气动力，输电导线难以保持其固有的稳定性，进而产生大幅、低频且危害极大的振动。
5.输电导线在长期的振动下会产生疲劳破环，导致金具磨损、输电导线伤股和断股现象，以及造成铁塔破坏，严重影响输电导线正常输电工作，给人们生活工作带来极大的不便。所以，研制一种能够抑制输电铁塔输电导线风雨激振的装置或者结构是非常必要的。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和不足，为解决输电导线在风雨条件下发生大幅振动，造成巨大经济损失的问题，本发明的目的在于提供一种抑制输电铁塔上输电导线风雨激振的装置及方法，该装置包括沿输电导线上设置带有椭圆环的短护套，两者之间刚性连接，没有缝隙，椭圆环尺寸为宽13mm，高5mm；相邻椭圆环之间间隔为d，d为短护套内径；其椭圆环椭圆截面与输电导线轴向呈45
°
角套设在短护套的表面；椭圆环能够破坏输电导线表面上原有的水路，使得输电导线表面水膜形态变得紊乱，阻碍了水膜周期性流动，导致输电导线表面产生的周期性变化的气动力发生不能形成，进而抑制了输电导线发生风雨激振。
7.本发明具体采用以下技术方案：
8.一种抑制输电铁塔上输电导线风雨激振的装置，其特征在于：输电导线上设有多个带有椭圆环的短护套，用于破坏输电导线上原有的水路，使得输电导线表面水膜形态变得紊乱，阻碍水膜周期性流动，导致输电导线表面产生的周期性变化的气动力发生不能形成，进而抑制输电导线的大幅振动。
9.进一步地，输电导线短护套上设置的椭圆环与护套刚性连接为一个整体，两者之间没有缝隙，在工作状态时不存在相对移动；短护套和输电导线为固定连接，在工作时没有
相对移动。
10.进一步地，输电导线上设置的短护套上的椭圆环中心与输电导线中心线重合，椭圆截面与输电导线轴向呈45
°
角。
11.进一步地，相邻的所述椭圆环的间距为d，d为输电导线表面短护套内径。
12.进一步地，在输电导线单位长度上，每个椭圆环所处位置的长轴保持平行，且大小尺寸一致。
13.进一步地，所述椭圆环的宽度为13mm，高度为5mm。
14.进一步地，其参数优化方法包括以下步骤：
15.步骤s1：基于滑移理论和单自由度系统振动理论，通过有限元仿真建立风雨激振减振理论模型，分析带有任意二维横断面外形输电导线在风雨共同作用下输电导线振动响应、导线表面一圈的水膜及输电导线升力和阻力变化特性，探究不同输电导线外形对风雨激振现象的影响，确定输电导线表面设置环的形状；
16.步骤s2：应用已建立的风雨激振减振理论模型，采用已有的输电导线模型和风场参数，对风雨共同作用下输电导线有无带椭圆环短护套算例进行数值求解，得到了一系列数值结果，包括输电导线振动响应、护套表面水膜形态变化特性和升力时程响应，并对比数值求解得到的结果与试验的数据，验证理论模型和计算方法的正确性；
17.步骤s3：使用控制变量法改变装置参数，通过对比抑振效果，确定抑制输电导线风雨激振装置的参数取值。
18.进一步地，在步骤s1当中：
19.护套表面水膜运动方程由下式确定：
[0020][0021]
其中：ρ为水膜的密度，u是向量，代表水膜运动的速度，gn为作用在输电导线断面内的重力分量，p为水膜内的压强，μ为水的动力粘度系数，是哈密顿算子，δ是拉普拉斯算子；
[0022]
输电导线振动方程由下式确定：
[0023][0024]
式中，m为拉索的质量，为作用在输电导线上的惯性力，为阻尼力，ky为弹性力，fy为输电导线受到的升力；
[0025]
输电导线的升力fy、阻力f
x
由下式确定：
[0026][0027][0028]
其中：ρ为水膜的密度，v为水膜运动的速度，h0为水膜厚度，f
rr
(θ)为水膜对输电导线作用力在切向的分量，f
θθ
(θ)为水膜对输电导线作用力在法向的分量；
[0029]
通过有限元仿真，输入输电导线模型参数、风场环境参数及水膜参数，进行无量纲化处理建立气液固耦合的二维几何模型，依次求解出随时间变化的瞬态风压力系数cp和风摩擦力系数cf，输电导线的升力、阻力以及输电导线的位移、加速度和速度等，再进行下一步的耦合，最终判定不同输电导线外形对风雨激振的影响。
[0030]
与现有技术相比，本发明及其优选方案通过在输电导线上设置带有椭圆环的短护套，能够破坏输电导线表面上原有的水路，使得水膜形态变得紊乱，阻碍了水膜周期性流动，导致输电导线护套表面产生的周期性变化的气动力发生不能形成，是一种有效抑制风雨激振的装置。
[0031]
由于椭圆环的存在，各个风速下的水膜变化主频均远离输电导线的固有频率，与光滑圆形输电导线的工况相比，主频周围对应的能量幅值均很小，上水线的周期性特性也大为降低。
[0032]
带有椭圆环短护套的输电导线的气动升力变化幅度范围大为下降；输电导线气动升力变化的主频与输电导线自振频率有很大差异，各个风速能够迅速进入稳定状态，主频处对应能量幅值很小，能够有效抑制风雨激振。
[0033]
在输电导线上布置带有椭圆环的短护套，其阻尼性能较好，制造成本较低，实用价值较高。
[0034]
还提供了确定椭圆环形状和结构的相关优化设计方法。
附图说明
[0035]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
[0036]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0037]
图1是本发明实施例带有椭圆环短护套的抑制输电导线风雨激振的装置结构示意图；
[0038]
图2是图1当中a-a处横断面示意图；
[0039]
图中：1-输电导线；2-短护套；3-椭圆环；4-铝线；5-钢芯。
具体实施方式
[0040]
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
[0041]
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处的附图中的描述和示出的组件可以以不同配置来组合设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的选定实施例的详细描述并非为了限制要求保护的本发明的范围，而是仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
[0042]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]
本发明是针对输电导线在风雨共同作用下产生风雨激振的现象，位于表面短护套2上的椭圆环3能够破坏输电导线上原有的水路，使得输电导线表面上的的水膜形态变得紊
乱，阻碍了水膜周期性流动，导致输电导线1上产生的周期性变化的气动力发生不能形成，进而能够有效抑制输电导线风雨激振现象。
[0044]
如图1、图2所示，本实施例中，作为一种抑制输电导线风雨激振的装置，先在表面护套2上设置椭圆环3，两者刚性连接为一个整体，没有缝隙，在工作时没有相对移动；再把短护套2套设输电导线3上，两者在工作时也没有相对移动；铝线4以钢芯5为中心紧紧包裹着钢芯5，然后用表面短护套2把铝线4和钢芯5包裹在内部。
[0045]
作为本实施例提供的优选方案，设置椭圆环3沿着输电导线轴向呈45
°
角，在单位长度中沿输电导线轴向等间距分布，设置间距为d，d为表面短护套2内径，椭圆环3高度为5mm，宽度为13mm。
[0046]
在单位长度上设置的所有椭圆环3长轴保持平行，且大小尺寸一致。
[0047]
钢芯5、铝线4表面护套2的参数(直径、倾角、材料和长度等)根据实际工况决定，椭圆环3长短轴随输电导线尺寸的变化而变化。
[0048]
以上实施例提供的装置的具体参数和选型可以通过以下步骤设计完成：
[0049]
步骤s1：基于滑移理论和单自由度系统振动理论，通过有限元仿真建立风雨激振减振理论模型，分析带有任意二维横断面外形输电导线在风雨共同作用下输电导线振动响应、护套表面一圈的水膜及输电导线升力和阻力变化特性等，探究不同输电导线外形对风雨激振现象的影响，确定输电导线表面设置带有椭圆环的短护套。
[0050]
步骤s2：应用已建立的风雨激振减振理论模型，采用已有的输电导线模型和风场参数，对风雨共同作用下输电导线有无带椭圆环短护套算例进行数值求解，得到了一系列数值结果，包括输电导线振动响应、表面水膜形态变化特性和升力时程响应等，并对比数值求解得到的结果与试验的数据，验证理论模型和计算方法的正确性。
[0051]
步骤s3：使用控制变量法改变装置参数，通过对比抑振效果，确定抑制输电导线风雨激振装置的参数取值。
[0052]
上述步骤s1具体包括以下过程：
[0053]
护套表面水膜运动方程由下式确定：
[0054][0055]
其中：ρ为水膜内的密度，u是向量，代表水膜内的速度，gn为作用在输电导线断面内的重力分量，p为水膜内的压强，μ为水的动力粘度系数，而是哈密顿算子，δ是拉普拉斯算子。
[0056]
输电导线振动方程由下式确定：
[0057][0058]
式中，m为拉索的质量，为作用在输电导线上的力有惯性力，为阻尼力，ky为弹性力，fy为输电导线受到的升力。
[0059]
输电导线的升力fy、阻力f
x
由下式确定：
[0060]
[0061][0062]
其中：ρ为水膜内的密度，v为水膜内速度，h0为水膜厚度，f
rr
(θ)为水膜对输电导线作用力在切向的分量，f
θθ
(θ)为水膜对输电导线作用力在法向的分量。
[0063]
通过有限元仿真，输入输电导线模型参数、风场环境参数及水膜参数等，对其进行无量纲化处理建立气液固耦合的二维几何模型，依次求解出随时间变化的瞬态风压力系数cp和风摩擦力系数cf，输电导线的升力、阻力以及输电导线的位移、加速度和速度等，再进行下一步的耦合，最终判定不同输电导线外形对风雨激振的影响。
[0064]
工作时，在风雨共同作用下，输电导线表面护套形成连续的水线，从而改变输电导线的横断面外形，使其在气流中变得气动不稳定，进而引发输电导线的大幅度振动。当输电导线上设置带有椭圆环的短护套以后，改变原来的水流路线，打破水线的连续性，能够有效的抑制风雨激振现象。
[0065]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
[0066]
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的抑制输电铁塔上输电导线风雨激振的装置及方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。