支持式管母线风致振动数值仿真分析_施浩楠.pdf

2023 年第 42 卷7 月第 7 期机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and Technology for Aerospace EngineeringJulyVol422023No7http:/journalsnwpueducn/收稿日期:20210803基金项目:航空科学基金项目(20170153001)作者简介:施浩楠(1991)，本科，研究方向为变电站设计，3431674qqcom通信作者:耿小亮，博士，高级工程师，gengxiaoliang nwpueducn施浩楠，白英，冯玉清，等支持式管母线风致振动数值仿真分析 J 机械科学与技术，2023，42(7):1009-1015支持式管母线风致振动数值仿真分析施浩楠1，白英1，冯玉清2，耿小亮2，席婉婉2，李伟男2(1 宁夏宁电电力设计有限公司，银川750001;2 西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安710129)摘要:支持式管母线在野外长期服役期间经常遇到风致振动的问题。本文采用数值模拟方法，对支持式管母线抗强风振动特性及阻尼对振动的影响进行了分析。计算了管母线简化模型的固有频率和振型以及受到风荷载作用时的变形特征，采用静态算法和动态算法对比分析了阻尼线对管母线抗风振动所起到的作用。进而对支持式管母线全尺寸结构在风荷载作用下的动态特性进行了计算，分析了阻尼线及管母线结构阻尼对抗风振动的影响。结果表明，理想条件下，阻尼线能有效减小受风载后管母线简化模型的振动变形，但在真实全尺寸管母线结构中，由结构连接等形成的结构阻尼比阻尼线对管母线抗风振动的效果更为显著，有无阻尼线对真实结构振动特性不产生明显区别。关键词:管母线;阻尼线;固有频率;风致振动中图分类号:TB123文献标志码:ADOI:1013433/jcnki1003-872820220072文章编号:1003-8728(2023)07-1009-07Numerical Analysis of Wind Induced Vibrationof Supporting Type Tubular BusbarsSHI Haonan1，BAI Ying1，FENG Yuqing2，GENG Xiaoliang2，XI Wanwan2，LI Weinan2(1 Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750001，China;2 School of Mechanics，Civil Engineering and Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xian 710129，China)Abstract:Supporting type tubular busbars often encounter wind-induced vibration problems during long-termservice in the field Numerical simulation methods are used to analyze the wind vibration characteristics of thesupported tubular busbar and the influence of damping on vibration The natural frequency and mode shape of thebusbar under ideal conditions and the deformation characteristics when subjected to wind load are calculated Thestatic algorithm and the dynamic algorithm are respectively used analyze the effect of the damping line on the windresistance of the busbar Furthermore，the dynamic characteristics of the full-scale supported tubular busbarstructure under wind load are calculated，and the influence of the damping line and the busbar structural dampingagainst wind vibration is analyzed The results show that in an ideal state，the damping line can effectively reducethe deformation of the busbar after wind load However，in the real full-size tubular bus structure，the structuraldamping formed by structural connections is more significant than the effect of the damping wire on the windvibration of the busbarKeywords:tubular busbar;damping wire;natural frequency;wind induced vibration电力资源是我国重要战略能源之一，涉及到人民生活和社会发展的各个方面。近年来，随着国民经济的快速发展，居民生活水平的提高及工业化进程的提升对电力系统提出了更高的需求，因此电力机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/系统的安全可靠性受到了社会广泛关注。而强风和地震是威胁我国电力系统安全运行的主要自然灾害，变电站作为我国电力工程中的重要组成部分，其一旦发生破坏失效，将严重影响正常的生产和生活，使国家财产蒙受巨大的损失1-2。支持式管母线配电装置具有结构简单、占地少、布置清晰、运行维护和安装检修均较为方便等优点，在变电站中得到广泛应用3。支持式管母线在电力系统输送容量日益增大的发展中发挥重要作用，但是变电站往往分布在地域较为空旷的野外，在管母线安装和长期使用过程中，常常会遇到地震和风致振动现象导致管母线系统失效或故障。这些导致管母线发生疲劳破坏、与管母线相连接的金具发生松动、绝缘子的法兰盘粘接处松动等，这将威胁电力系统的安全运行4。因此，降低管母线风致振动问题带来的危害，预防管母线在风荷载作用下发生振动进而导致管母线结构发生破坏性的事故是支持式管母线设计安装中不可忽视的一方面。目前工程中较常采用的防振方法是管母线内放置松弛的阻尼线、改变母线支持方式、合理选择管母线外形尺寸等5。采用有限元法对变电站中的大型结构受到地震、强风等载荷开展分析，可全面准确地获得结构的应力、变形等响应，正在推动在变电站结构安全评估水平不断提高。王海菠等6 研究了管母支撑滑动金具耦联体系抗震性能，提出了将滑动金具等效为非线性弹簧的计算方法。罗宏建等7 对 GIS 设备进行了有限元结构分析，主要研究了温度效应。赖炜煌等8-9 则分析了不同结构型式的滤波器回路抗震性能，探究了悬臂支柱状特点，并指出了抗震设计的薄弱位置。本文以宁夏地区变电站 110 kV 支持式管母线结构为研究对象(见图 1)，使用 ABAQUS 软件建立三维计算模型，对比研究管母线内是否布置阻尼线对强风荷载的动态响应的差别，分析阻尼线对降低管母线风致振动问题的效果，进而讨论了管母线实际支撑结构条件下风致振动及阻尼问题。图 1110 kV 支持式管母线安装图Fig 1Installation diagram of the 110 kV supported bus duct1管母线受力分析11管母线风致振动的形成机理管母线跨距一般较大，从几十米到几百米不等，在运行过程中常常会遇到风致振动现象10-11。在我国火力发电、水力发电和风能发电是主要的 3 大电力来源，这就意味着管母线结构长期在野外地区服役。在台风等强风作用下，管母线会发生振动和摇摆，导线和设备之间相互作用，管母线结构很可能发生灾难性破坏;另外，在微风作用下，根据卡门涡街原理，当流体流过与流速方向垂直的柱体时，在柱体的下区一侧形成一个低压区，这个低压区被流体带走时，在另一侧又形成一个涡旋。这种现象会对管母线形成周期性的干扰，当干扰频率与管母线固有频率相同时，还会发生共振12-14。本文主要研究管母线在野外服役可能发生的强风作用下的振动问题。在 110 kV 支持式管母线系统结构中，立柱、横梁和支柱绝缘子主要起支持和固定管母线的作用，故要满足在风荷载条件下对结构强度的要求，而支柱绝缘子和底部门式支架具有重心高、阻尼小、瓷件强度低等特点，使得结构在风载作用下产生较大弯矩，形成显著的弯曲应力;此外，管母线系统的固有频率与其所受风载的频率分布范围比较接近，容易发生共振;而多个底部门式支架通过管母线连接，在风振作用下有耦合作用，从而可能加重管母线结构的损坏情况。以我国宁夏地区变电站为例，此处全年风沙天气较多，曾经发生过强风作用下，管母线出现严重损坏的现象。12110 kV 支持式管母线材料属性和管母线截面几何特性110 kV 支持式管母线结构典型尺寸如图 2 所示，各部件材料属性如表 1 所示。表 1材料参数表Tab 1Material parameters材料部件弹性模量E/MPa泊松比密度/(kgm3)金具72 0000.32 800铝合金阻尼线1000.32 800金具托架、耳片72 0000.32 800钢 Q235底部支架、横梁、管母线210 0000.37 800陶瓷支柱绝缘子110 0000.36 000绝缘子下法兰盘173 0000.33 440法兰盘上法兰盘173 0000.32 3400101第 7 期施浩楠，等:支持式管母线风致振动数值仿真分析http:/journalsnwpueducn/图 2支持式管母线典型结构尺寸Fig 2Typical structural dimensions of supported bus ducts其中，由于金具本身的形状较为复杂，不便于开展计算，故建模时对其进行合理几何简化，简化前后金具的质量保持一致。管母线截面为一薄壁圆管，如图 3 所示，可通过计算得出其截面面积、惯性矩等参数。图 3管母线截面尺寸Fig 3Cross-sectional dimensions of thebus duct13管母线所受风荷载计算根据 建筑结构荷载规范15，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值按式(1)计算，即k=ZSZ0(1)式中:k为风荷载标准值，kN/m2;Z为高度方向的风振系数;S为风荷载体型系数;Z为风压高度变化系数;0为基本风压，kN/m2。根据宁夏变电站结构安全性校核选用 30 年一遇风速，最大风速取 29 m/s，则0=12v2=12 1.25 292=525.625 N/m2 0.53 kN/m2(2)风振系数 Z、风压高度变化系数 Z均采用 B类地面所对应的值。B 类地面是指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇。BZ=17BZ=17(3)风荷载体型系数 S是指风作用在建筑物表面一定面积范围内所引起的平均压力(或吸力)与来流风的速度压的比值，它主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。根据管母线截面形状可确定为S=1.4(4)则管母线风荷载为k=1.7 1.4 1 0.53=1.2614 kN/m2(5)2有限元仿真分析21管母线简化模型的模态分析模态分析属于线性分析，主要用于确定结构的固有频率和振型。为对比分析管母线施加阻尼线前后的动态特性，利用 ABAQUS 有限元软件进行模态分析。110 kV 支撑式管母线三跨为一组的平面结构图和三维模型如图 2 和图 4 所示。图 4110 kV 支撑式管母线三维结构图Fig 43D structural diagram of the 110 kV supported bus duct本节主要关注的是内部布置阻尼线对管母线固有特性产生的影响，故在计算模型中仅包含第一组上的管母线，并略去了托架、金具、绝缘子、横梁、立柱等实际结构，将支撑结构简化为等效的约束条件。第一组管母线长 23 038 mm，截面尺寸如图 3 所示。阻尼线长度与管母线长度相等，截面积为 630 mm2，1101机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/每米质量为 1.8 kg。结构各部件的材料属性如表 1所示，根据实际情况，管母线内部安装的阻尼线是松弛的软导线，将其简化为弹性模量为 100 MPa 以模拟阻尼线的低刚度。选取四节点一阶减缩积分连续壳 S4 单元模拟管母线，两节点线性三维桁架T3D2 单元模拟阻尼线，阻尼线和管母线之间采用 Tie 约束，见图 5;参照管母线真实安装状态，将边界条件设为 A 处固支，B、C 和D 处为铰支;分析步选择线性摄动-频率分析，通过特征值的提取计算固有频率和相应的振型。默认的Lanczos 求解器计算精度较高，故本文选用 Lanczos 求解器求解管母线前 4 阶的固有频率和振型。图 5阻尼线简化示意图Fig 5Simplified diagram of the damping wires对于无阻尼单自由系统而言，其固有频率 fn计算公式为fn=12km(6)从式(6)中可以看出，单自由度系统的固有频率主要受到刚度 k 和质量 m 的影响，随着质量 m 的增加，系统的固有频率会降低。图 6、图 7 分别为有/无阻尼线管母线的前 4 阶振型图，两者振型基本一致。模态振型为波浪弯曲状，第 1、2 阶模态振型最大变形出现在管母线右部;第 3 阶模态振型最大变形出现在管母线左部;第 4阶模态振型最大变形出现在管母线中部。图 6无阻尼线管母线的前 4 阶振型图(变形放大 1 000 倍)Fig 6The preceding four first-order mode figures of undampedbus ducts(deformation amplified 1 000 times)图 7有阻尼线管母线的前 4 阶振型图(变形放大 1 000 倍)Fig 7The preceding four first-order mode figures of dampedbus ducts(deformation amplified 1 000 times)相比阻尼线施加前后管母线的固有频率，由图8 可见，无阻尼线管母线第 1 阶固有频率值是10.275 Hz，有阻尼线管母线第 1 阶固有频率值是10.152 Hz，改变了 1.2%。同样，阻尼线施加前后，第 2 阶固有频率由 10.276 Hz 降到 10.162 Hz，改变了 1.11%;第 3 阶固有频率由 14.366 Hz 降 到14.194 Hz，改 变 了 1.2%;第 4 阶 固 有 频 率 由14.369 Hz降到 14.210 Hz，改变了 1.11%。可见，在相同的约束条件下，管母线的自振频率和单位长度的质量有关，阻尼线的施加增加了管母线单位长度的质量，故有阻尼线管母线的固有频率略低于无阻尼线管母线，但降低的程度并不显著。图 8阻尼线施加前后管母线的固有频率Fig 8Natural frequencies of the bus duct beforeand after applying damping wires22结构阻尼计算在风载作用下，管母线将产生动态力学响应，该响应将与结构中的阻尼特性相关。结构阻尼受到材料、几何构造、部件连接关系、荷载等多种因素的影响。在实际应用中，对于均质材料可以采用瑞利比例阻尼的假定，阻尼矩阵可表示为质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，即C=M+K(7)2101第 7 期施浩楠，等:支持式管母线风致振动数值仿真分析http:/journalsnwpueducn/式中:，为比例常数，可由系统的前两阶固有频率求得。根据水工建筑物抗振设计规范，临界阻尼 取5%。=212(21)2221(8)=2(21)2221(9)经计算得:1)管母线简化模型中，=3.226 509，=7.748 617104;2)支持式管母线全尺寸结构中，=0.834 78，=2.994 78103。23风荷载作用下管母线变形分析一般来说，工程算法只是将风载等价为分布式载荷，称为静态分析，能计算出在稳定载荷下的结构变形和应力水平。但是若考虑风载激励引起管母线结构振动问题以及在阻尼作用下的衰减效果，则需采用动态算法。本文对这两种计算方法进行了对比。运用 ABAQUS 分别对有/无阻尼线的管母线施加相同风荷载时进行计算，风荷载量级如 1.3 节所述。假设风向沿 x 正向垂直于柱体表面，故模拟中仅在管母线结构横向迎风面一侧施加风荷载 14，如图9 所示。图 9风荷载施加方向Fig 9Direction of wind load application1)静态计算方法的结果在静态计算中，风荷载是以均布载荷方式施加，结构变形与加载速率、自身阻尼及振动特性无关，如图 10 与图 11 所示，采用静态计算的方法，无阻尼线管母线的最大变形是 8.307 mm，有阻尼线管母线的最大变形是 2.849 mm，可见施加阻尼线使得变形显著减小。这是由于松弛的阻尼线作用在管母线内部下方，增加了管母线重量同时也降低了结构质心，进而提高了管母线的稳定性，故在管母线侧面受风载后，阻尼线起到了减小风向变形的作用。图 12 是在有/无阻尼线管母线的两模型上变形较大处取相同点，绘制其在风荷载加卸载过程中的变形情况，可见采用静态算法，在风载加、卸载过程中，变形均随载荷作用过程呈线性变化，阻尼线能够有效减小变形幅度。其中横坐标上的单位 s 为计算给定时间步长，由于是静态分析步，不具有实际意义。图 10无阻尼线管母线沿风向变形(变形最大时刻，变形放大 100 倍)Fig 10Deformation of the undamped bus duct along the winddirection(at maximum deformation moment，deformation amplified 100 times)图 11有阻尼线管母线沿风向变形(变形最大时刻，变形放大 100 倍)Fig 11Deformation of the damped bus duct along the winddirection(at maximum deformation moment，deformation amplified 100 times)图 12有/无阻尼线管母线的最大变形(静态算法)Fig 12Maximum deformation of the bus duct withand without damping wires(static analysis)3101机 械 科 学 与 技 术第 42 卷http:/journalsnwpueducn/2)动态计算方法的结果在动态计算方法中，考虑到管母线的振动周期，风荷瞬时施加到管母线上，载持续作用时间为 5 s，然后瞬时卸载到 0 后继续计算 5 s。由图 13 可见，管母线在风载作用下振动幅值的变化过程为:在风载作用下，幅值变化曲线为频率约为 10 Hz 的带衰减的正弦曲线，其频率与管母线的前两阶固有频率非常接近。该结果说明，在持续稳定的风载作用下，将使得管母线产生振动，在结构阻尼作用下，其振幅将不断降低趋于零，管母线变形最终达到一个稳定状态，该稳定状态与静态算法得到的对应结果一致。图 13有/无阻尼线管母线的最大变形(动态)Fig 13Maximum deformation of the bus duct withand without damping wires(dynamic analysis)由图 13 中两种状态相比可见，有阻尼线管母线无论是稳定后变形水平，还是振动阶段的振幅，均显著小于无阻尼线的管母线，而且有阻尼线管母线振动衰减的速度也更快，这说明了风荷载作用下，在管母线内部布置阻尼线可以对管母线起到减小振动变形和提高抗风稳定性的作用。24风载作用下支持式管母线全尺寸结构仿真分析支持式管母线系统在风载作用下动态力学特性不仅与自身结构有关，也与整个管母线支持系统及线路铺设有关。根据 2.3 节可见，动态算法能反映管母线结构在风载作用下的振动及衰减过程，本节采用动态计算方法对 110 kV 支持式管母线系统全尺寸真实结构进行风载作用下的仿真，并进一步对阻尼线的作用进行了分析。全尺寸结构仿真边界条件为:底部门式支架施加固定约束，风荷载方向沿 x 轴正向，作用于结构上所有的迎风面，结构各部件之间按照实际情况施加接触或约束。图 14、图 15 分别为有/无阻尼线的管母线系统受风荷载作用时 5 s 时刻的结构侧向变形云图，两者变形特征与幅值基本一致，结构上最大变形均发生在金具 P 点处。根据图16 中变形幅值曲线可知，全尺寸结构在风载作用下的振动频率为 2.5 Hz，有/无阻尼线的管母线最大变形的幅值基本相同，振动衰减规律相似。而在 2.3 节中的理想简化状态下，其 1 阶振动频率大致在 10 Hz，管母线中的阻尼线对降低振动幅值有明显作用。这是因为理想模型中仅包含管母线和阻尼线两个部件，并不包含管母线托架、金具等结构，其约束边界条件的施加是一种理想状态;本节的计算模型是 110 kV 支撑式管母线全尺寸结构，管母线支撑结构本身具有细长的几何特征或部件之间的运动及摩擦条件，比起理想状态对管母线的约束刚度要低很多，这些支撑显著降低了整个系统的振动频率。全尺寸结构中管母线下部有托架支持，托架和金具之间又通过耳片铰接或可滑动，托架下有高耸的立柱，这些连接以及部件也形成了显著的阻尼，因此仅由管母线内铺设的阻尼线产生的阻尼效果并没有充分展现出来。也就是说，管母线上各部件内部、部件之间连接、间隙均形成了结构阻尼，相对来说，真实管母线内有/无阻尼线对结构抗风振动效果并不产生明显的差异。图 14无阻尼线 110 kV 支持式管母线 x 向变形(5 s 时刻)Fig 14x-directional deformation of the undamped 110 kVsupported bus duct(at 5 s moment)图 15有阻尼线 110 kV 支持式管母线 x 向变形(5 s 时刻)Fig 15x-directional deformation of the damped 110 kVsupported bus duct(at 5 s moment)图 16有/无阻尼线 110 kV 支持式管母线的最大变形Fig 16Maximum deformation of the 110 kV supported busduct with and without damping wires4101第 7 期施浩楠，等:支持式管母线风致振动数值仿真分析http:/journalsnwpueducn/3结论1)管母线的简化模型在理想支持条件下，有阻尼线管母线的固有频率略低于无阻尼线管母线，两者振型一致;2)管母线的理想简化模型受到风荷载作用时，相比内部无阻尼线的状态，内部布置阻尼线能显著降低管母线的变形，振动衰减更快，其变形过程呈幅值逐渐减小的正弦衰减曲线，并最终趋于稳定;3)采用动态计算方法对 110 kV 支撑式管母线全尺寸结构进行风载作用下的仿真分析。由于全尺寸结构中各部件阻尼的影响，以及各部件之间的连接、间隙等关系形成了更为明显的阻尼效应。是否铺设阻尼线对真实结构的抗风振动效果并无显著区别。参考文献 1 孙启林变电站架构与设备体系抗震性能研究D 徐州:中国矿业大学，2018SUN Q L Study on seismic behaviour of structures andequipments in substation D Xuzhou:China Universityof Mining and Technology，2018(in Chinese)2 SUN Q L，YUAN G L，HUANG Y E，et al Structuralbehavior of supported tubular bus structure in substationsunder seismic loading J Engineering Structures，2018，174:861-872 3 谢强，朱瑞元汶川地震中支持式管型母线破坏机理分析 J 电力建设，2010，31(3):8-12XIE Q，ZHU Y Seismic failure analysis of supporttype pipe bus in Wenchuan earthquakeJ ElectricPower Construction，2010，31(3):8-12(in Chinese)4 郝小卫支持式管母线微风振动的防治J 山西电力，2003(3):5-6HAO X W Prevention and cure of gentle breeze syntonyabout sustained tubate generatrixJ Shanxi ElectricPower，2003(3):5-6(in Chinese)5 傅增茂从龙门变电所看铝管母线的微风振动及其消减 J 吉林电力技术，1986(5):31-33FU Z M Gentle breeze vibration and reduction of tubularbusbar at Longmen substation J Jilin Electric Power，1986(5):31-33(in Chinese)6 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