基于原型观测数据的输电塔风振控制效果

王伟¹，赵东阳²，钟万里¹，徐俊²，凌杰²，肖晓晖²

(1. 广东电网公司 电力科学研究院，广东 广州，510080；

2. 武汉大学 动力与机械学院，湖北 武汉，430072)

摘要：以基于阻尼耗能原理的输电塔风振控制为对象，研究基于原型观测数据的时域和频域特征值提取的控制效果及影响因素。首先，将数值仿真分析得到的阻尼器优化布置方案在实际线路上实施，通过原型观测获取1次台风周期的输电塔风振数据，包括施加和未施加阻尼控制的相邻2个同型号杆塔的振动加速度；其次，通过提取时域与频域特征值，计算减振率。分析结果表明：基于风振的峰值和均方根为特征值，减振率分别达到52%~80%和41%~60%；基于功率谱密度函数，顺线向幅值减振率可达50%~70%，横线向幅值减振率可达30%~55%，合成加速度减振率可达30%~55%。分析结果验证了基于阻尼耗能机理的输电塔风振控制策略研究的有效性。

关键词：输电塔；风振控制；阻尼器；功率谱；原型观测

中图分类号：TM8；TM113            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)09-3911-07

Effect of wind-induced vibration’s control for high-voltage transmission tower based on prototype measurement

WANG Wei¹, ZHAO Dongyang², ZHONG Wanli¹, XU Jun², LING Jie², XIAO Xiaohui²

(1. Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Company, Guangzhou 510080, China;

2. College of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Abstract: The wind-induced vibration control of transmission tower based on damping energy principle was researched, and the control effect and its influential factors were evaluated by extracting time and frequency domain characteristic value of transmission line prototype field tests as well. Firstly, the optimized arrangement of dampers analyzed by numerical simulation was conducted on transmission line, and the wind-induced vibration acceleration of transmission tower with and without dampers was obtained by prototype measurement. Then, time and frequency domain characteristic value was extracted to calculate damping rate. The results show that damping rate of crest value and root mean square value can respectively reach 52%-80% and 41%-60%. Damping rate along transmission line based on power spectral density function can reach 50%-70%, while damping rate perpendicular to transmission line can reach 30%-55%, and damping rate of resultant acceleration can reach 30%-55%. The effectiveness of the wind-induced control based on damping energy principle is verified.

Key words: transmission tower; wind-induced vibration control; polymer damper; power spectrum; prototype measurement

高压输电塔是一种典型的高耸钢结构，具有自振频率低、阻尼小的特点，在强风作用下极易产生大振幅振动，严重时可能导致断裂、倒塔等事故，如2002年台风造成日本茨城服10基高压输电塔连续倒塌^[1]。采用阻尼耗能原理来控制输电塔的风振响应，是一种经济有效的措施。然而，目前基于阻尼器的输电线路风振控制的研究还局限于数值仿真、风洞试验^[2-3]阶段，缺少现场工程实施的数据支撑以及工程实施有效性的分析与评估。针对输电塔-线体系的风振控制，早在20世纪70年代，调谐质量阻尼器(TMD)就开始用于高耸和高层钢结构的风振控制。邓洪洲等^[4-5]采用黏弹性阻尼器(VED)和调谐质量阻尼器(TMD)控制输电塔线体系风振，通过仿真分析，比较控制前后塔顶加速度、位移响应时程曲线，计算的响应最大值减小了10%~20%；杨靖波等^[6]以1 MV淮南—上海输变电工程同塔双回钢管塔为研究对象，采用VED并联于钢管主材外侧、TMD置于横担端部的方案，通过数值仿真，发现杆塔弯、扭转振动位移响应均方根可降低17%~32%，加速度响应的均方根可降低25%~45%。梁峰^[7]以晋东南—南阳—荆门1 MV输电线路中的耐张塔、直线塔为工程背景，采用双层黏弹性材料和铅组合的黏弹性铅芯阻尼器进行风振控制，提出7种布置方案，通过仿真分析时域内的控制效果，发现加设黏弹性铅芯阻尼器后，塔顶位移均值降低24.99%，塔顶速度、加速度响应的最大值和均方值均明显减小；尹鹏^[8]以榕江大跨越输电塔为工程背景，采用橡胶铅芯阻尼器控制输电塔线体系风振，通过仿真分析，发现安装阻尼器后各控制点的横线向和顺线向位移、加速度响应的减振率均为24%左右，各控制钢管的内力减振率均为20%左右。Shehata等^[9]对输电塔线体系的风振响应进行了有限元分析；Yasui ^[10]等采用时程分析方法计算了输电塔-线体系的风振响应，证明了采用时程分析所得的位移峰值比采用功率谱分析所得的位移峰值大；Park等^[11]通过周期荷载试验，验证了摩擦阻尼器对输电线塔有较好的减振效果。然而，针对基于阻尼耗能原理的输电线路振动控制，相关研究还局限于数值仿真、风洞模拟实验等，缺少现场工程实施的验证以及有效性的评估,忽略了现场因素对风振控制效果的影响。为此，本文作者在前期数值分析与方案优化研究^[12]的基础上，通过示范工程的实施与1个台风周期(在9~10级台风，21~24 m/s风速下)的数据分析，比较风振控制前后塔顶的位移均值、速度和加速度响应的峰值和均方值，以及功率谱密度函数，以量化评估阻尼器的控制效果。

1  输电塔风振控制阻尼器布置方案

采用阻尼器抑制输电线路的振动时，阻尼器的参数以及在杆塔上的安装位置都影响振动控制的效果，此外，由于输电线路的塔-线系统是一个刚柔耦合的非线性系统，其风致振动响应是一个非线性过程，因此，本文作者在前期研究中^[13]，建立了输电塔-导线体系的有限元模型，并以广东省某输电线路的酒杯型杆塔为对象，设计相应的阻尼器布置方案。初步拟定的6种方案见图1。其中：方案1在塔顶前后各布置2个阻尼器，在塔身主材上方前后左右各布置1个，在塔身主材下方前后左右各布置1个，共12个阻尼器；方案2在塔顶前后各布置2个阻尼器，在塔身主材上方前后左右各布置1个，共8个阻尼器； 方案3在塔身主材上方前后左右各布置1个阻尼器，在塔身主材下方前后左右各布置1个阻尼器，共8个阻尼器；方案4只在塔顶前后各布置2个阻尼器，共4个阻尼器；方案5只在塔身主材上方前后左右各布置1个阻尼器，共4个阻尼器；方案6只在塔身主材下方前后左右各布置1个阻尼器，共4个阻尼器。

图1  阻尼器布置方案

Fig.1  Arrangements of dampers

基于有限元法的数值分析，从减振效果、经济性和现场原型观测操作性3个方面对方案进行分析，结果表明：方案1的减振效果最好，但由于阻尼器数量多且需到塔顶安装阻尼器，所以，经济性较差，现场操作不方便；方案2的减振效果较好，经济性适中，但操作不方便；方案3的减振效果比前两者的差，经济性适中，操作方便；方案4的经济性好，效果好，但操作不便；方案5和方案6几乎没有减振效果。经比较分析，只在某一层塔身上安装阻尼器控制效果不好。

进一步对20，25和35 m/s风速下比较3种方案：方案1(减振最优方案)，方案3(操作最优方案)，方案4(经济最优方案)。分析表明：在塔顶安装阻尼器，阻尼器对减少轴应力的控制效果最明显；在塔身主材上，靠近上方的地方安装阻尼器，比在下方安装阻尼器对主材轴应力的控制效果略优。在控制塔身主材轴应力上，塔顶的阻尼器比塔身的阻尼器起到更大的作用；考虑风速增加时，塔顶的阻尼器对塔顶位移的控制更好一些；而塔身的阻尼器对轴应力增加量的控制更好。

综上可见：考虑控制效果、实施经济性和现场原型观测操作性3个方面，选择塔身阻尼器控制方案即方案3用于现场原型观测试验。

2  现场原型观测数据分析

2.1  时域特征分析

根据以上研究得到的布置方案，对广东省某线路进行现场原型观测。为了对比分析控制效果，本文监测同一线路相邻的2个同型号杆塔，其中对48号塔按确定的方案安装阻尼器，2个杆塔的顺线向和横线向分别布置加速度传感器。2012-08“启德”台风登陆期间，在9~10级台风(21~24 m/s风速)时，得到图2和图3所示2个杆塔的振动加速度(进行了去均值处理，即各30 min的加速度均减去该30 min时均值，以消除传感器长时间运行产生的漂移对测量结果的影响)。

加阻尼器的杆塔的加速度传感器比无阻尼器的杆塔的加速度传感器晚开动约12 min，早关闭约1 h。无阻尼器的杆塔在刚开机后的6.3 min内测得的加速度存在明显误差，将该段数据去掉。因而，图2和图3中曲线开始段存在一段间隙。

通过顺线向和横线向的振动加速度矢量合成，可得出杆塔整体振动加速度的幅值，如图4所示。

分析得到的振动数据的峰值、均方根及减振率见表1和图4。其中，减振率定义如下：

其中：为减振率；N为无阻尼器的杆塔的振动特征值；D为有阻尼器的杆塔的振动特征值。分析表2和图5可见：

(1) 无阻尼器的杆塔顺线向和横线向的振动峰值与均方根的变化趋势与风速的变化趋势基本一致。

(2) 加装阻尼器对杆塔的合成振动具有明显的抑制效果。如不计第1个30 min和最后1个30 min的振动加速度(因2段时间内两杆塔上传感器有效运行时间不同)，峰值和均方根减振率分别达到52%~80%和41%~60%。

图2  无阻尼器和加阻尼器两杆塔顺线向振动-时间历程

Fig.2  Time history curve of acceleration along wires of two towers without and with dampers

图3  无阻尼器和加阻尼器两杆塔横线向振动-时间历程

Fig.3  Time history curve of acceleration across wires at two towers without and with dampers

图4  无阻尼器和加阻尼器两杆塔振动加速度幅值

Fig.4  Time history curve of acceleration to wires at two towers without and with dampers

表1  实测的风振控制效果

Table 1  Control effect of measured wind vibration

图5  无阻尼器和加阻尼器的两输电塔的风振加速度的特征值及环境风速

Fig.5  Acceleration eigenvalue of wind-induced vibration and wind speed at two towers with and without dampers to wires

(3) 分析观测杆塔顺线向和横线向振动，顺线向的振动能量大，振动抑制效果明显。不计第1个30 min和最后1个30 min的振动加速度(因2段时间内2杆塔上传感器有效运行的时间不同)，峰值和均方根分别下降了62%~79%和35%~66%；横线向的振动峰值和均方根有增也有减，这可能与阻尼器的布置方式、塔的结构、风向以及相邻2个塔所处的微地形及微气象条件有所不同等有关。因此，要考察时域振动衰减效果，必须对通过矢量合成得到杆塔合成的振动加速度进行分析，将顺线、横线向的振动分离出来考虑减振效果是不合理的。

(4) 风速高，阻尼器的减振效果较明显。

(5) 因加速度传感器存在测量误差，故难以得到各时间段内的准确峰值，由均方根所得评价结果更加可信，误差更小。

2.2  功率谱分析

对2个杆塔顺线向和横线向振动加速度检测结果进行功率谱分析，结果如图6(a)所示(图中未标示出频率为0的分量)。分析图6(a)可知：加装阻尼器后杆塔各频率段的振动幅值均有明显衰减。

图6  无阻尼器和加阻尼器的两输电塔的自功率谱图

Fig.6  Auto power spectrum of wind-induced vibration acceleration of two towers with and without dampers

不加装阻尼器的杆塔的顺线向和横线向的振动加速度功率谱几乎相同。不加装阻尼器的杆塔的顺线向和横线向的振动加速度功率谱的形状也几乎相同。

不加装阻尼器的杆塔在台风的作用下，其顺线向和横线向振动的功率谱几乎重合，而加装阻尼器的杆塔在台风的作用下，其顺线向和横线向振动的功率谱则有明显差异。

杆塔顺线向振动幅值的衰减程度要比横线向的衰减程度大。由图7(a)可见：顺线向幅值减振率可达50%~70%，横线向幅值减振率在30%~55%的范围内。

进一步考查减振率可发现：杆塔振动的减振率在不同的频段波动较大，当频率为1，6，10，15，21和24 Hz时，减振率出现低值；当频率为2，5，8，11，14，17，22和23 Hz时，减振率出现高值。

将杆塔振动顺线向和横线向加速度幅值分别作为复数的实部和虚部，对该复数列求取功率谱，得到合成加速度的功率谱和频域幅值减振率如图6(b)和图7(b)所示。

图7  无阻尼器和加阻尼器的两输电塔的频域减振率

Fig.7  Damping ratio of wind-induced vibration at two transmission towers without and with dampers in frequency domain

由图6(b)和图7(b)可见：合成加速度功率谱的形状和分加速度功率谱的形状几乎相同，合成加速度减振率在30%~55%的范围内。

对比时域特征值与频域特征值的分析结果可知：时域特征值顺线向分加速度减振率和合成加速度减振率较明显而横线向分加速度减振率不明显；频域特征值分加速度减振率和合加速度减振率均较明显。

从图3可知：加阻尼器的杆塔横线向振动加速度波动较大，加速度大的很大，而加速度小的很小，且大值点并不很多；而无阻尼器的杆塔横线向振动加速度波动较小，振动加速度虽不大，但各点的加速度相差较小，因此，频域能量衰减较明显，而时域能量衰减不明显。

3  结论

(1) 根据仿真分析得到的塔身阻尼器控制方案，对基于高分子阻尼器在输电塔风振控制原型观测数据，提取其时域和频域特征值，分析其控制效果。

(2) 加装阻尼器对杆塔整体振动抑制效果十分明显，加速度的峰值和均方根减振率分别可达到54%~79%和31%~58%；顺线向的频域幅值减振率可达50%~70%，横线向频域幅值减振率在30%~55%的范围内，合成加速度减振率在30%~55%的范围内。

(3) 当风速较高时，阻尼器的减振效果较明显。同时，单纯考察顺线向和横线向的时域特征值减振率不能真实反映阻尼器的减振效果，将顺线向和横线向振动加速度矢量合成得到的合成加速度，其特征值才能真实反映阻尼器的时域减振效果。

(4) 将杆塔振动顺线向和横线向加速度幅值分别作为复数的实部和虚部，对该复数列求取功率谱，得到合成加速度的功率谱和频域幅值减振率，可真实反映阻尼器的频域减振效果。

(5) 杆塔振动加速度横线向频域幅值减振率较明显，而时域特征值减振率不明显。

(6) 验证了目前基于阻尼耗能机理的输电塔风振控制研究的有效性。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-12-10；修回日期：2013-02-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175383)；中国南方电网责任有限公司2011年科技计划项目(K-GD2011-392)

通信作者：王伟(1983-)，男，河南灵宝人，高级工程师，从事电力金属技术监督和输电线路灾害防治研究；电话：13602791501；E-mail: wangwei@gddky.csg.cn