一種輸電線路高塔風振控制方法
2023-05-23 09:18:16
專利名稱：一種輸電線路高塔風振控制方法
技術領域：
本發明涉及輸電技術領域，尤其涉及一種輸電線路高塔風振控制方法。
背景技術：
架空輸電線路鐵塔的風振包括整塔的順風向振動和局部鋼管杆件的橫風向振動 兩類。本發明涉及輸電鐵塔的順風向風振控制方法，主要適用於80米及以上高度的鐵 塔，其他高度的風振嚴重的輸電桿塔或通訊塔等高聳塔架結構也可參考，屬於結構振動 被動控制範疇。 輸電桿塔屬高聳結構，其風振不可避免。隨著我國特高壓電網的建設，同塔多 回線路、緊湊型線路、大截面導線等輸電新技術的推廣應用，輸電桿塔大荷載、大型化 的趨勢愈發明顯。特高壓、大跨越以及一些同塔多回線路的鐵塔，由於結構高大，風振 效應更為顯著。對於順風向整體振動，杆塔結構設計中通過風荷載調整係數(風振係數) 加以考慮，將風振動力荷載轉化為靜力荷載，加強結構以提高杆塔的抗風能力。這種方 法並不能完全抑制結構的振動，人為過大地增大結構剛度，會增加塔重和工程造價。
近年來，國內外學者對輸電桿塔附加耗能或吸振器件的被動振動控制開展了一 些研究，採用的控制器件主要有調諧質量阻尼器TMD、粘彈性阻尼器、摩擦阻尼器等。 國內的研究主要針對大跨越杆塔進行。1000kV特高壓試驗示範工程漢江大跨越鋼管塔採 用了粘彈性鉛芯阻尼器安裝於鋼管杆件內部的風振控制方法。目前的研究和應用，主要 用於鐵塔順風向的彎曲振動的控制，並且大多只適用於鋼管塔。 隨著鐵塔結構的大型化，鐵塔橫擔的尺寸也明顯變大，如特高壓杆塔的橫擔寬 度達到40米以上。鐵塔橫擔的抗扭能力一般較弱，由於風荷載作用引起的兩端導線的不 平衡張力容易使其發生扭轉破壞，需要採取一定的措施減弱橫擔的扭轉振動。
粘彈性阻尼器對彎曲模態具有良好的控制效果，控制成本適中，但對扭轉模態 的模態阻尼比貢獻很小，難以同時滿足風振控制與斷線衝擊扭轉效應控制的要求。調諧 質量阻尼器TMD減振方法對扭轉振動具有很好的控制效果，且成本低，但需要控制彎曲 振型的TMD質量塊質量過大，控制效果對調諧頻率偏差較為敏感，甚至有可能放大調諧 模態之外的模態響應。採用粘彈性阻尼器控制彎曲模態、調諧質量阻尼器TMD控制扭轉 模態的組合控制方法，能夠發揮兩種阻尼器各自的優勢，並可以同時控制杆塔的彎曲和 扭轉振動。
發明內容
本發明提供了一種能同時控制輸電鐵塔彎曲和扭轉風振的新方法。調諧質量阻 尼器TMD減振方法對扭轉振動具有很好的控制效果，控制效果對調諧頻率偏差較為敏 感，甚至有可能放大調諧模態之外的模態響應；粘彈性阻尼器對彎曲模態具有良好的控 制效果，但對扭轉模態的模態阻尼比貢獻很小，難以同時滿足風振控制與斷線衝擊扭轉 效應控制的要求；本發明提出了採用控制彎曲模態的粘彈性阻尼器和控制扭轉模態的調2/4頁
諧質量阻尼器TMD的組合高塔風振控制方法。採用粘彈性阻尼器並聯安裝於鐵塔主材外 側控制彎曲振動，不同於以往的安裝於鋼管內部，而且不局限於鋼管塔，對角鋼塔也同 樣適用；採用調諧質量阻尼器TMD安裝於鐵塔的塔頭或橫擔位置控制扭轉振動，不同於 以往的用於控制彎曲振動。 這一新型控制方法，綜合考慮了不同控制器件的性能、費用、安裝、維護，以 及器件對結構承載性能的影響等因素，具有控制效果好、易於安裝維護、成本低等特 點。
附圖l為鐵塔彎曲和扭轉風振控制的方法示意圖。粘彈性阻尼器控制部分包括 平行並聯於鋼管主材的粘彈性阻尼器。阻尼器兩端連接通過鉸接形式與剛性杆件連接， 剛性連接件兩端固接於主材。兩個獨立的平動調諧質量阻尼器TMD系統設置在橫擔處， 質量塊M沿著導線延伸的方向運動。
控制裝置參數設計計算方法
調諧質量阻尼器TMD系統對杆塔第一、二階彎曲模態的應變能最大部位的影響 組合減振方法的設計遵循先設計粘彈性阻尼器再設計調諧質量阻尼器TMD系統的
很小，思路。
效阻尼
粘彈性阻尼器的參數設計。
1)粘彈性阻尼器的力學模型，採用粘彈性阻尼器的等效線性模型，
F(/) = t+5(fl )iW 《j》
式中x， i:分別為阻尼器的位移與速度，k(")， c(")分別為阻尼器等效剛度和等
2)主要確定等效剛度k和等效阻尼c這兩個參數，計算方法如下
/， 其中A和h分別為粘彈性層的面積與厚度，G'和G〃分別為粘彈性材料的存儲 模量和損失模量。對粘彈性材料進行滯回性能測試試驗，獲得其位移-力滯回曲線，該 曲線為材料的特性曲線，屬公知常識，在此不再詳述。根據位移-力滯回曲線可以得到
_ F
(3》
(4)
-水
振動周期內的耗能。
,雄=^5^!為阻尼器一'
調諧質量阻尼器TMD的參數設計。
1) 確定模態質量比P ， 一般取為2.0 % 5.0% ;
2) 根據式(5) (9)計算調諧質量阻尼器TMD系統的質〗
m'
-TMD、
頻率fmD、模
態阻尼比I 。pt及所需要的彈性剛度k和阻尼係數C
3)對由調諧質量阻尼器TMD和結構組成的系統進行數值模擬，驗證當前的調諧 質量阻尼器TMD參數是否滿足結構響應要求，如果不滿足調整模態質量比P進行重複計
單個調諧質量阻尼器TMD的質j
廳rMD r~^"
(5)
a,，TMD :"TF為調諧質量阻尼器TMD系統需要提供的質量矩。
調諧質量阻尼器TMD的頻率和模態阻尼比分別為 一 1
Zr扁=x ~
formula see original document page 6
每個調諧質量阻尼器TMD系統的軸向剛度和阻尼係數分別為
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在最優參數配置時，質量比(調諧質量阻尼器TMD/主結構的模態質量)越大， 結構的阻尼比就越大，控制效果也就越好。但過大的質量比會給調諧質量阻尼器TMD 製作與安裝帶來困難，並可能影響輸電塔本身結構的安全。
一般取質量比P為2.0% 5.0%。 其中，所述並聯安裝於鐵塔主材外側的粘彈性阻尼器平行並聯安裝於鐵塔主材
上，所述粘彈性阻尼器的兩端通過鉸接的形式與剛性杆件連接，所述剛性杆件的兩端固
接於鐵塔主材上，兩個獨立的平動調諧質量阻尼器TMD系統設置在橫擔處，質量塊M沿
著導線延伸的方向運動。 本發明的有益效果是 1、使用本發明的輸電線路高塔風振控制方法能同時控制輸電桿塔的彎曲和扭轉 振動，控制效果好； 2、安裝、維護方便，成本低； 3、對鋼管塔、角鋼塔均適用； 4、阻尼器的彈性參數和阻尼參數可調； 5、對杆塔結構本身的受力性能無不良影響。
下面結合附圖對本發明進一步說明。為了使本發明的內容被更清楚的理解，並 便於具體實施方式
的描述，下面給出與本發明相關的
如下
圖1是粘彈性阻尼器與調諧質量阻尼器TMD組合減振方法的結構示意圖。
具體實施例方式
本發明提供了一種輸電線路高塔的風振控制方法，並給出控制器件主要參數的 設計方法。由於實現上述方法的裝置可以有多種結構形式，本發明對於裝置的結構不再 詳述。這裡所給出調諧質量阻尼器TMD的示意圖，主要是為了說明其布置的方式，在本 發明中不限於該種布置方式。 為了證實本發明提出方法的減振效果，以附圖1的1000kV同塔雙回線路鋼管塔 為例進行說明。 在鐵塔塔腿主材外側平行並聯16個粘彈性阻尼器，每側塔腿各4個。粘彈性阻 尼器的等效剛度和等效阻尼參數分別取為10.0kN/mm和2.5kN's/mm，這兩個參數根據粘 彈性材料的性能試驗採用(l)-(4)式得到。阻尼器連杆為直徑12.0cm的鋼管，每套剛性連 杆-阻尼器-剛性連杆的長度約為9.0m 12.0m，根據鋼管塔的結構參數及阻尼器的受力 狀況計算得到。 兩個調諧質量阻尼器TMD的安裝位置為上橫擔距塔中軸線20.55m處。單套調 諧質量阻尼器TMD控制元件的設計參數為質量55.4kg，剛度係數3143.6N/m，阻尼系 數71.6N s/m。根據鋼管塔的模態分析結果，其第一階扭轉模態的頻率f為1.2232Hz， 相應的廣義質量矩Is為5151.3kg.m2，調諧質量阻尼器TMD安裝位置處的模態扭轉角小 為0.04694rad，採用(5)-(9)式得到。 對安裝減振裝置前後鐵塔的模態阻尼比進行了計算。安裝組合減振系統後，鋼 管塔的一階橫向彎曲、縱向彎曲和對稱扭轉振型的模態阻尼比明顯提高，考慮鋼管塔的 結構阻尼後， 一階彎曲和對稱扭轉振型的模態阻尼比將超過2.0%，對風振響應控制會有 顯著的效果。 對安裝減振裝置前後鐵塔的風振響應進行了計算。採用組合減振方法後，杆塔 彎、扭振動能夠同時得到控制，位移響應的均方根可降低20 30%左右，加速度響應的 均方根可降低30 45%左右，減振效果明顯。 此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員 來說在不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施 例僅僅是例證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定 義。
權利要求
一種輸電線路高塔風振控制方法，其特徵在於採用粘彈性阻尼器控制杆塔彎曲振動，採用調諧質量阻尼器TMD控制杆塔扭轉振動，所述粘彈性阻尼器(1-8)並聯安裝於鐵塔主材的外側，所述調諧質量阻尼器TMD安裝於鐵塔的塔頭和/或橫擔位置，採用先設計粘彈性阻尼器再設計調諧質量阻尼器TMD系統的步驟進行設計(1)粘彈性阻尼器的參數設計1)粘彈性阻尼器的力學模型，採用粘彈性阻尼器的等效線性模型 F ( t )= k ( )x ( t )+ c x ( t )--- ( 1 ) 式中分別為阻尼器的位移與速度，k(ω)，c(ω)分別為阻尼器等效剛度和等效阻尼；2)確定等效剛度k和等效阻尼c這兩個參數，計算方法如下 k ( )= AG ( ) h, c ( )= AG ( ) h--- ( 2 ) 其中A和h分別為粘彈性層的面積與厚度，G′和G″分別為粘彈性材料的存儲模量和損模量，根據粘彈性材料的位移-力滯回曲線，得到 k ( )= F x--- ( 3 ) c ( )= G A h= E x 0 2 --- ( 4 ) 其中為阻尼器一個振動周期內的耗能；(2)調諧質量阻尼器TMD的參數設計1)確定模態質量比μ，一般取為2.0％～5.0％；2)根據式(5)～(9)計算調諧質量阻尼器TMD系統的質量mTMD、頻率fTMD、模態阻尼比ξopt及所需要的彈性剛度k和阻尼係數c；3)對由調諧質量阻尼器TMD和結構組成的系統進行數值模擬，驗證當前的調諧質量阻尼器TMD參數是否滿足結構響應要求，如果不滿足調整模態質量比μ則進行重複計算，單個調諧質量阻尼器TMD的質量 m TMD= ITMD 2 (L/2) 2 --- ( 5 ) 其中，為調諧質量阻尼器TMD系統需要提供的質量矩。調諧質量阻尼器TMD的頻率和模態阻尼比分別為 f TMD= f s 1 1+ --- ( 6 ) opt= 3 8 (1+) --- ( 7 ) 每個調諧質量阻尼器TMD系統的軸向剛度和阻尼係數分別為 k= TMD 2 m TMD--- ( 8 ) c=2 m TMD TMD opt--- ( 9 ).
2.如權利要求1所述的輸電線路高塔風振控制方法，其特徵在於所述並聯安裝於鐵塔 主材外側的粘彈性阻尼器平行並聯安裝於鐵塔主材上，所述粘彈性阻尼器的兩端通過鉸 接的形式與剛性杆件連接，所述剛性杆件的兩端固接於鐵塔主材上，兩個獨立的平動調 諧質量阻尼器TMD系統設置在橫擔處，質量塊M沿著導線延伸的方向運動。
全文摘要
本發明提供了一種輸電線路高塔風振控制方法，該方法屬於同時控制輸電鐵塔彎曲和扭轉風振的新方法，採用粘彈性阻尼器並聯安裝於鐵塔主材外側控制彎曲振動，不同於以往的安裝於鋼管內部，而且不局限於鋼管塔，對角鋼塔也同樣適用；採用調諧質量阻尼器TMD安裝於鐵塔的塔頭或橫擔位置控制扭轉振動，不同於以往的用於控制彎曲振動。該方法能同時控制輸電桿塔的彎曲和扭轉振動，控制效果好；安裝、維護方便，成本低；對鋼管塔、角鋼塔均適用；阻尼器的彈性參數和阻尼參數可調；對杆塔結構本身的受力性能無不良影響。
文檔編號H02G7/00GK101692566SQ200910091988
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者代澤兵, 華旭剛, 楊靖波, 楊風利, 牛華偉, 陳政清, 韓軍科 申請人:中國電力科學研究院;湖南大學