一種運動雷暴風(fēng)作用下輸電塔線體系的風(fēng)荷載測試裝置及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸電塔線體系的抗風(fēng)設(shè)計領(lǐng)域，涉及一種可用于測試運動雷暴風(fēng)作用 下輸電塔線體系的風(fēng)荷載裝置及測試方法，具體涉及一種可用于變參數(shù)運動雷暴風(fēng)模擬的 試驗裝置和相應(yīng)的塔線體系風(fēng)荷載測試裝置的開發(fā)技術(shù)及相關(guān)的測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，從經(jīng)濟和社會效益出發(fā)，輸電線路的電壓等級和輸電 距離逐漸提高，通過復(fù)雜地形及惡劣氣候條件地區(qū)的概率隨之增大。輸電塔線體系的柔度 大、阻尼小，屬于典型的風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，近年來，強風(fēng)導(dǎo)致的輸電塔倒塌和線路風(fēng)偏跳閘 事故的發(fā)生頻率呈上升趨勢。據(jù)統(tǒng)計，澳大利亞、美國和南非等國家發(fā)生的80%以上的風(fēng) 致倒塔事故主要是由雷暴風(fēng)作用產(chǎn)生的。而從事故現(xiàn)場的勘測資料以及事故期間的氣象報 告來看，雷暴風(fēng)極可能是部分倒塔事故和風(fēng)偏閃絡(luò)事故的誘因之一。因此，在進行雷暴多發(fā) 地區(qū)或風(fēng)致事故高發(fā)區(qū)域的塔線設(shè)計時，有必要開展雷暴風(fēng)作用下的塔線體系風(fēng)致響應(yīng)驗 算。
[0003] 目前國內(nèi)外關(guān)于雷暴風(fēng)的研究多集中于靜態(tài)雷暴風(fēng)的風(fēng)場結(jié)構(gòu)、風(fēng)場剖面模型以 及雷暴風(fēng)作用下各類輸電塔的風(fēng)荷載分布特征、風(fēng)致響應(yīng)和破壞機理的研究，對于運動雷 暴風(fēng)的風(fēng)場模擬、運動雷暴風(fēng)作用下塔線耦聯(lián)體系的風(fēng)致響應(yīng)以及輸電線路風(fēng)偏響應(yīng)的研 究則較少涉及。在這個計算過程中，運動雷暴風(fēng)作用下各基輸電塔和各跨導(dǎo)線的風(fēng)荷載的 合理取值是主要的難點。現(xiàn)有的研究中，運動雷暴風(fēng)荷載多從模擬瞬態(tài)風(fēng)場出發(fā)，結(jié)合準定 常假設(shè)，根據(jù)風(fēng)壓的計算計算公式直接求得，其中體型系數(shù)多采用邊界層風(fēng)場下的取值，計 算結(jié)果對風(fēng)場模型的依賴性較大，同時，體型系數(shù)的準確性也有待商榷。因此，本發(fā)明結(jié)合 可移動的射流裝置，通過高頻天平測力試驗，可直接獲取運動雷暴風(fēng)作用下，各基輸電塔和 各跨導(dǎo)線的瞬時平均風(fēng)荷載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種運動雷暴風(fēng)作用下輸電 塔線體系的風(fēng)荷載測試裝置及測試方法，它較好地解決了當(dāng)前塔線設(shè)計規(guī)范中并未涉及包 括運動雷暴風(fēng)風(fēng)場在內(nèi)的極端風(fēng)作用下塔線風(fēng)荷載取值方式的問題，提高了輸電塔線體系 的安全性和供電可靠性。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案通過以下步驟來實現(xiàn)，一種運動雷暴風(fēng)作用下輸電塔線 體系的風(fēng)荷載測試裝置，它包括一射流裝置，所述的射流裝置由風(fēng)機段、擴散段、穩(wěn)定段和 可改變出口口徑的收縮段依次相接組成，所述的射流裝置配置有一可調(diào)節(jié)射流高度的升降 機構(gòu)和通過變頻器進行電機轉(zhuǎn)速遠程控制的驅(qū)動機構(gòu)，所述的驅(qū)動機構(gòu)可將安置在滑軌上 射流裝置以指定的速度沿滑軌移動，所述射流裝置與升降機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)一起構(gòu)成了可調(diào) 節(jié)射流高度的非穩(wěn)態(tài)雷暴風(fēng)風(fēng)場模擬裝置，所述的非穩(wěn)態(tài)雷暴風(fēng)風(fēng)場模擬裝置與輸電塔 剛性測壓模型結(jié)合分別組成了塔身截斷模型的單天平測力試驗和塔線體系的多天平測力 試驗。
[0006]作為優(yōu)選：所述的升降機構(gòu)包括一可將光滑鋼板升至指定高度的油壓千斤頂，所 述光滑鋼板配置有在升至指定高度后塞入墊高的墊塊；所述的驅(qū)動機構(gòu)包括一在轉(zhuǎn)軸上配 置有計數(shù)器的電機，一對電機轉(zhuǎn)速進行遠程控制的變頻器，其中變頻器配備了可實時顯示 射流裝置移動速度的液晶顯示屏。
[0007]-種利用所述風(fēng)荷載測試裝置進行運動雷暴風(fēng)作用下輸電塔線體系的風(fēng)荷載測 試方法，所述的測試方法包括如下步驟：
[0008] 步驟一：對射流裝置進行改裝，增加了升降裝置以實現(xiàn)射流高度的快速調(diào)節(jié)，可用 于生成變參數(shù)的靜態(tài)雷暴風(fēng)風(fēng)場；
[0009]步驟二：在改裝后的射流裝置上配備有主要由驅(qū)動電機、變頻器和移動軌道構(gòu)成 的驅(qū)動機構(gòu)，可控制射流裝置以指定的速度沿著滑軌移動，形成運動的雷暴風(fēng)風(fēng)場；
[0010] 步驟三：根據(jù)試驗條件確定試驗的縮尺比，設(shè)計并制作輸電塔線體系的剛性測壓 豐旲型；
[0011] 步驟四：采用多個高頻天平對塔線體系模型同步進行測力試驗，測得塔線體系承 受的整體雷暴風(fēng)荷載時程，并通過塔身截斷模型的單天平測力試驗測定輸電塔各個部位的 瞬時風(fēng)荷載；
[0012] 步驟五：根據(jù)步驟四測得的風(fēng)力時程，采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法，提取風(fēng)荷載中的平均 分量，根據(jù)試驗的縮尺比，進一步計算得出原型的各基輸電塔沿高度方向的瞬時平均風(fēng)荷 載的分布形式和各跨導(dǎo)線承受的瞬時平均風(fēng)荷載。
[0013]作為優(yōu)選：本發(fā)明所述的測試方法中：
[0014]步驟三的具體內(nèi)容是：根據(jù)射流裝置收縮段的射流直徑與擬模擬的雷暴風(fēng)的水平 尺度變化范圍的比例，可確定試驗的長度縮尺比PP其中擬模擬的雷暴風(fēng)的射流直徑Dj^ 宜根據(jù)實際的觀測結(jié)果在適當(dāng)范圍內(nèi)進行選取；隨后，根據(jù)已經(jīng)確定的長度縮尺比，完成塔 線體系剛性測壓模型的設(shè)計和制作工作；同時，可由實際設(shè)計高度Zdf獲取對應(yīng)的射流風(fēng) 洞內(nèi)的高度Zdni，選取特定的射流風(fēng)速V#和射流裝置的移動速度V"，則試驗的速度縮尺比
實際的設(shè)計風(fēng)速；
[0015] 步驟四的具體內(nèi)容是：根據(jù)雷暴風(fēng)的風(fēng)場空間分布特征，風(fēng)場內(nèi)某一點的風(fēng)速大 小和該點與射流中心的距離r密切相關(guān)；運動雷暴風(fēng)風(fēng)場中，由于射流中心的運動，r處于 動態(tài)變化中，即r=r(t);對于輸電線路而言，r(t)的形式直接由輸電線路的走向和運動 路徑的相對關(guān)系決定；因此，試驗工況的確定除了與風(fēng)場參數(shù)（包括Dm、V_和射流高度H) 相關(guān)以外，還直接受輸電線路的走向和運動路徑的相對關(guān)系所影響；
[0016]定義輸電塔的橫擔(dān)方向和垂直橫擔(dān)方向分別為體軸的X向和y向，在進行塔線體 系多天平同步測力試驗的過程中，確定塔線體系的走向與運動路徑的相對關(guān)系時，只需設(shè) 定線路跨中的輸電塔質(zhì)心所在的位置與運動路徑的垂距e和輸電塔體軸X向與運動路徑的 夾角P，則其余各塔和導(dǎo)線的位置坐標可由導(dǎo)線的跨度和桿塔的結(jié)構(gòu)類型相應(yīng)得到；
[0017]所述步驟五的具體內(nèi)容是：經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法采用了自適應(yīng)的廣義基，在篩選信號 的過程中通過逐次提取高頻項，依次分解出信號中的低頻和較低頻的信息，可實現(xiàn)不同頻 段信號的有效分離；此處采用該方法可有效地提取測力天平試驗數(shù)據(jù)的平均分量，分別記 為.戶二〇,('）、和.，:具體為D.jet= 0? 6m，V.jet= 11. 7m/s，H= 2D.jet，e= 0，0 =O 時，從單個測力天平測得的單塔全塔模型Ml和截斷模型M5的試驗結(jié)果提取得到的瞬態(tài)平 均風(fēng)荷載；根據(jù)一定的轉(zhuǎn)換方法，可換算得到各基輸電塔沿高度方向各部位的風(fēng)荷載分布 和各跨導(dǎo)線承受的整體風(fēng)荷載。
[0018] 作為優(yōu)選：本發(fā)明所述的測試方法中：
[0019] 所述的步驟四中，合理設(shè)置試驗工況，分別進行測力試驗，將各個測力天平測得的 三分力分別投影到輸電塔的體軸方向，分別記為拉-?切、CU⑴和匕,(〇，其中，上標n表 示試驗工況，由〇_、￥_、11、6和P確定；下標i表示截斷模型編號，截斷模型的數(shù)量由鐵塔 高度和鐵塔構(gòu)型所決定，若為全塔試驗，則i= 〇 ;〇表示試驗類型為測量單塔全塔或截斷模 型的單天平測力試驗，M為測量塔線體系的多天平測力試驗；j為塔線體系中的鐵塔編號；
[0020] 所述的步驟五中，以三塔為例將三塔分別記為Tl、T2和T3,兩線分別記為Ll和 L2,按順序分別進行塔線體系的多天平同步測力試驗，各塔的單塔全塔測力試驗和截斷模 型測力試驗，并提取平均分量，則第j基輸電塔的全塔荷載為W和^，塔 身部位Sni在不同工況下的X向荷載大小可由下式獲得，同理可得y向荷載和扭矩：
[0021] 、0〇 =巧廣印(')-巧-〇,⑴，其中!L1=m-1，i2=m，m= 1，2, 3, 4
[0022] Fv-S)t、= Fx4-〇i{/、
[0023] 第k跨的導(dǎo)線承受的垂直導(dǎo)線方向的風(fēng)荷載為：
[0028] 作為優(yōu)選：本發(fā)明所述的測試方法中：
[0029] 所述的步驟四中，采用高頻天平進行測力試驗的過程中，通過搭建一道混凝土墻 和數(shù)個可移動的混凝土支座為高頻測力天平提供了剛性支撐，以降低天平采樣過程中的 信噪比；
[0030] 混凝土墻上設(shè)置了滑板和滑軌，使得高頻天平可以沿墻體移動，同時通過改變可 移動的混凝土支座的位置和模型的擺放方向，可考慮輸電線路的走向和射流裝置移動路徑 的相對關(guān)系；
[0031] 由于