输电线路融冰环境下连续诱发脱冰的建模与分析

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输电线路脱冰是引起输电线路故障的重要原因,脱冰后大幅度长时间的导线振动会引发机械和电气事故,因此研究分析输电线路脱冰过程对输电线路的设计和安全运行具有重要的意义。现有输电线路脱冰分析主要集中在固定脱冰量的分析,但是实际输电线路脱冰大量场景是连续诱发脱冰,尤其随着近年来热力学除冰技术的不断发展,其覆冰脱落的形式以连续的诱发脱冰为主,固定脱冰量的输电线路脱冰动态分析难以适用于连续脱冰分析。现有的连续脱冰研究主要是针对固定速度脱冰的场景,该场景下脱冰速度常采用冲击波的传播速度,但导线覆冰的脱落与自身重量、导线参数、惯性力等等因素有关,覆冰并非在冲击波到达时脱落,现有方法不适用于热力学除冰条件下诱发脱冰的研究,且由于热力学除冰过程中覆冰的连续脱落是由热力相互作用引起的,现有研究中采用的基于商业有限元软件的建模方法难以建立热力学除冰条件下诱发脱冰的仿真模型。因此本文考虑热力耦合的机理模型,建立了输电线路在融冰环境下的连续诱发脱冰模型,对基于热力学除冰的输电线路诱发脱冰动态响应进行研究,为输电线路的设计和融冰装置的应用提供基础。  本文对融冰环境下的输电线路连续诱发脱冰问题的研究主要包括以下工作:  第一,对比分析现有的输电线路建模方法。分别采用有限元软件ANSYS和悬索结构分析的有限单元法建立输电线路模型并进行仿真分析,结果表明后者灵活性更好,更加适用于复杂场景。  第二,建立并求解融冰环境下的输电线路连续诱发脱冰模型。首先依据热平衡方程建立覆冰融冰模型,然后根据覆冰脱落的机理建立覆冰脱落的判定准则,再将两者引入输电线路模型,建立融冰环境下的输电线路诱发脱冰模型,考虑融冰水的流动做质量修正以进行融冰找形,考虑输电导线振动时融冰水的流动和诱发脱冰情况做质量修正进行动态求解分析。  第三,仿真验证不同场景的有效性。通过与融冰实验结果的对比验证本文模型的有效性,通过与整档脱冰和固定量脱冰(非整档)的仿真结果对比验证本文模型的必要性,并采用控制变量法对关键影响因素进行仿真分析,求解跳跃高度。  第四,搭建输电线路脱冰振动模拟实验平台,进行诱发脱冰振动实验并分析结果。首先搭建输电塔线,然后设计覆冰模拟与释放控制系统,分别采用张力传感器、位移传感器和加速度传感器测量脱冰振动过程的导线张力、中间点位移和不同位置的加速度信号,采用电磁铁断电控制进行脱冰模拟。实验结果表明了本文模型与方法的有效性。
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