基于阻尼耗能原理的高压输电塔风振抑制方法
钟万里1，吴灌伦2，王伟1，吴怡2，陈航航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：由于输电线路的风致振动可降低输电杆/塔、导线和金具连接件的疲劳强度，严重时可导致倒杆/塔、断线等事故，对基于阻尼耗能原理的风振抑制措施进行研究。首先，采用有限元分析软件ANSYS，分析输电塔-线体系的风致振动响应；然后，提出基于阻尼器耗能原理的输电塔振动抑制策略，根据杆塔的结构特点，设计并比较分析多种阻尼器布置方案对风振的抑制效果。最后，在广东省某线路上实施该方案，在2012-08“启德”台风登陆期间，在9~10级台风(风速21~24 m/s)时，监测到输电塔的振动加速度。研究结果表明：将阻尼器布置在塔身中上部主材上可以更有效地消耗风振能量，控制风振幅值；采用该方案测得“启德”台风登陆期间输电塔的振动加速度下降60%~70%，为输电线路防强风灾害防治、提高线路容灾能力提供了一种有效方法。
关键词：输电塔线体系；风致振动；黏弹性阻尼器；ANSYS软件
中图分类号：TM8；TM113 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)01-0397-06
Wind-induced vibration reduction technology of high-voltage transmission tower based on polymer damper
ZHONG Wanli1, WU Guanlun2, WANG Wei1, WU Yi2, CHEN Hanghang2
(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: Because the wind-induced vibration of transmission tower may reduce the fatigue strength of the transmission rod/tower, wire and hardware connections, and in severe cases can lead to tower or rod fall, the wind-induced vibration reduction was researched based on energy dissipation principle of damper. Firstly, the wind-induced vibration response of transmission tower-line system was analyzed with ANSYS software. Secondly, the vibration reduction strategy of transmission tower was put forward based on energy dissipation principle of damper. The effect of wind-induced vibration reduction with different damper layouts was designed and compared. At last, the program mentioned was implemented into transmission tower in Guangdong Province during the typhoon “Kai Tak” in August 2012. The results show that the wind-induced vibration energy can be dissipated effectively, as well as the amplitude of wind-induced vibration. During the typhoon “Kai Tak” in august 2012, the vibration acceleration of transmission tower is decreased by 60%-70% during 9-10 typhoon (speed at 21-24 m/s), which shows that it is an effective way to prevent strong winds disaster and improves the disaster prevention capacity.
Key words: transmission tower line system; wind-induced vibration; viscoelastic damper; ANSYS software
在自然环境的风荷载作用下，输电线路会产生微风振动(卡门涡振动)、舞动(驰振)等形式的风致振动。持续的振动所产生的动应力会降低杆塔和导线的疲劳强度，严重时可导致输电塔倒塌，造成供电中断，降低经济效益和社会效益。通过结构减振的方法可以有效地降低输电塔的结构疲劳累积损伤，有效提高塔的抗风能力[1]。针对输电塔的风振控制，Chang等[2]对输电塔线体系进行了有限元分析，得到了大量的强风下体系的响应结果；江宜城等[3]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，并提出7种布置方案，通过时域内的控制效果分析，得出加设黏弹性铅芯阻尼器后能塔线模型中塔顶的位移均值降低24.99%，塔顶速度、加速度响应的最大值、均方值均明显减小。结构控制根据是否需要外部能量，一般分为被动控制、主动控制和半主动控制[4]。鉴于被动控制不需要外部输入能量，仅通过控制系统改变结构系统的动力特性达到减小动力响应的目的，本文作者采用被动控制，选用黏弹性阻尼器控制输电塔线体系风致振动。运用有限元分析软件ANSYS软件对添加阻尼器的输电塔进行动力学分析，分析黏弹性阻尼器的风振控制效果。通过在广东省某线路上的实验，验证本文所提出的减振措施是一种有效防治输电线路强风灾害、提高线路容灾能力的方法。
1 输电塔在强风作用下的动态响应
台风、及飑线风等强风暴使输电塔-线系统产生动力响应[5]。非线性体系的刚度会随荷载的变化而变化，而在频域分析中一般假定刚度不变，故频域分析只能做为一种定性分析手段。在时域分析中，可将随机风荷载模拟成时域函数，再直接求解运动方程。输电线系统对风荷载十分敏感，在进行抗风设计时，对结构进行时域分析可以全面了解结构在风荷载作用时间内的动力响应状况。
本文采用有限元法，对输电塔的风振响应进行分析。选择隐式的直接积分方法即Newmark法对大跨越输电塔线体系进行时域分析求解。
考虑作用在输电塔上的平均风和脉动风2部分载荷，将平均风对输电铁塔的作用视为静力作用[6-8]，再将模拟得到的脉动风加载在输电铁塔上，分析输电塔的关键部位的动力响应。
以20，25，30和35 m/s 4种基本风速为纵向风载荷，并加上脉动风的时间历程，施加到输电杆塔上进行瞬态动力分析。基于本文所建立的有限元模型，考虑输电塔的动态响应特点，分析塔顶(1946号节点)和输电塔上部第3段塔身(1169号节点)的振动位移；分析塔下部第1段塔身主材(615号单元)、第2段塔身主材(764号单元)、第3段塔身主材(898号单元)、辅材(1034号单元、1424号单元)的轴力及轴应力，结果见表1。
最大振动位移发生在塔顶节点处，最大轴应力发生在第1段塔身主材上，其时程曲线如图2~4所示。
通过分析可知：输电塔的节点位移、单元轴力及轴应力都随风速的增加而增大；输电塔的振动是在平均风作用下平衡位置两侧的振动；比较1169号与1946号这2个节点的位移历程，位置越高，振动幅值越大；塔身主材的轴力及轴应力明显比辅材的大，说明塔身主材对塔的强度和刚度起主导作用；最大轴力及轴应力在第1段塔身(即塔脚)主材上，随着高度增加，塔身主材的应力下降。
2 风振抑制方案的优化
输电塔-线系统作为一种大跨越高耸结构，通过在结构上安装耗能减振装置减小或抑制结构由于外载荷作用引起的反应，达到控制风振的效果[9-10]。有限元分析后处理所选节点号和单元号见图1。
图1 有限元分析后处理所选节点号和单元号
Fig.1 Processing of selected nodes and elements after element analysis
表1 4种风荷载下的节点位移、单元轴力及轴应力有效值
Table 1 Nodal displacement, elements axis force and axial stress valid values under four kinds of wind load
黏弹性阻尼器是通过增加结构的阻尼、耗散结构的振动能量达到减小结构响应的目的[11]。与其他耗能控制装置相比，黏弹性阻尼器耗能能力强，应力和应变滞回曲线类似于椭圆形；能控制微小干扰工况的结构振动，黏弹性阻尼器也能有控振作用，避免了其他耗能阻尼器需要解决的问题[12]。黏弹性阻尼器的组成为黏弹性材料与约束钢板，两者通过硫化方法固结在一起。
黏弹性阻尼器的安装位置影响其对风振的控制效果[13]。阻尼器布置在输电塔上风振位移较大的位置，能更好地吸振，从而控制输电塔线体系的振动[14-15]。本文针对广东省东莞某线路的酒杯塔，初步确定了6种阻尼器布置方案：方案1布置12个阻尼器；方案2和3布置8个阻尼器；方案4~6布置4个阻尼器。布置位置如图2所示。
根据沿海地区的线路设计风速，取仿真计算基本风速为30 m/s，计算得到的结果见表2；与无阻尼器时风振参数进行对比，结果见图3和图4。
比较塔顶1946号节点的Z方向(顺风方向) 6种安装方案下的位移可知：方案1、方案2和方案4减振效果明显，可使塔顶位移下降1个数量级；方案5和方案6下位移变化很小，几乎没有减振效果，说明只在某一层塔身上安装阻尼器控制效果不好。
从减振效果、经济性和现场实施操作性3个方面对方案1~4进行分析发现：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，操作不方便；方案3的减振效果与前两者相比较差，但经济性适中，操作方便；方案4的经济性好，效果好，但操作不方便。
进一步对风速为20，25和35 m/s时的3种方案即方案1(减振最优方案)、方案3(操作最优方案)和方案4(经济最优方案)进行比较。其结果见表3和图4。分析表3和图4可见：
(1) 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，在靠近其上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；塔身阻尼器效果可以累加。
(2) 要控制塔顶顺风向位移，塔顶的阻尼器起主要作用，塔身的阻尼器效果不明显。
(3) 考虑风速增加时，塔顶的阻尼器对塔顶位移的控制更好；塔身的阻尼器对轴应力增加量的控制更好。
综上可见：考虑控制效果和实施经济性，选择塔身阻尼器控制方案。
图2 黏弹性阻尼器布置方案
Fig.2 Layout schemes of viscoelastic damper
表2 风速为30 m/s 时6种阻尼器安装方案风振控制效果
Table 2 Wind-induced vibration control effect of six kinds of damper installation scheme under 30 m/s wind speed
图3 风速为30 m/s时方案1的风振控制效果
Fig.3 Wind-induced vibration control effects of plan 1 when wind speed is 30 m/s
图4 风速为35 m/s时塔顶(1946号节点)顺风向(Z向)位移加阻尼器风振控制效果
Fig.4 Wind-induced vibration control effects of displacement of top of tower (node 1946) in downwind direction (direction Z) using damper when wind speed is 35 m/s
表3 3种阻尼器安装方案风振控制效果
Table 3 Wind-induced vibration control effect of three kinds of damper installation scheme under different wind speeds
3 现场实施效果
根据以上研究方案，于2012年对广东省某线路予以现场实施，如图5所示。在2012-08“启德”台风登陆期间，在9~10级台风(风速为21~24 m/s)时，监测到输电塔的振动加速度下降约60%，如图6所示。
图5 现场实施
Fig.5 Field tests
图6 “启德”台风登陆期间的振动加速度
Fig.6 Vibration acceleration during typhoon “Kai Tak”
4 结论
(1) 采用黏弹性阻尼器控制输电塔的风振，综合考虑了振动控制的效果、经济性、与现场实施安装方便，对方案优化进行了研究，从而提出了高压输电塔风振抑制方法。
(2) 在广东省某线路上进行现场实施，验证了所提出方案的可行性。该方案是一种有效防治输电线路防强风灾害、提高线路容灾能力的方法。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2012-05-10；修回日期：2012-07-27
基金项目：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：钟万里(1968-)，男，湖南茶陵人，教授级高级工程师，从事电力金属技术监督和输电线路灾害防治研究；电话：13922190636；E-mail: zhongwanli@163.com
