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导体舞动机制研究 - 第二部分:扭转机制

期刊:ieee transactions on power apparatus and systems

这篇文档属于类型a,即报告了一项原始研究的学术论文。以下是对该研究的详细介绍:

作者及发表信息

该研究由O. Nigol和P.G. Buchan共同完成,他们来自加拿大安大略水电公司(Ontario Hydro)。研究论文发表在1981年2月的《IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems》期刊上,题为“Conductor Galloping - Part II: Torsional Mechanism”。

学术背景

研究的主要科学领域是电力传输线路的导线舞动(conductor galloping)现象。导线舞动是指在风力作用下,覆冰导线发生的大幅度振动,可能对电力传输线路造成严重破坏。传统观点认为,导线舞动主要由Den Hartog机制(Den Hartog mechanism)引起,即垂直方向的气动阻尼(aerodynamic damping)为负时导致的垂直振动。然而,该研究通过详细的实验和分析,提出了另一种机制——自激扭转机制(self-excited torsional mechanism),并认为这是导线舞动的主要原因。

研究的背景知识包括导线舞动的传统理论、Den Hartog机制的气动阻尼理论,以及覆冰导线的气动特性。研究的目的是通过风洞实验,验证自激扭转机制在导线舞动中的作用,并探讨其与Den Hartog机制的区别。

研究流程

研究分为多个步骤,具体如下:

  1. 样品准备
    研究使用了四组覆冰导线样品,每组样品的覆冰厚度和重量不同。样品的覆冰形状通过自然结冰过程生成,并在风洞实验中使用。样品的直径均为2.8厘米,覆冰厚度范围从1.8毫米到7毫米,冰重范围从0.13千克/米到0.27千克/米。

  2. 静态和动态模型构建
    研究构建了静态和动态模型,用于测量覆冰导线的气动特性。静态模型用于测量气动力系数,动态模型用于模拟导线的振动行为。动态模型中,导线被限制在特定的振动模式(如纯扭转或纯垂直振动)下,以分别研究不同机制的作用。

  3. 风洞实验
    实验分为两个系列。第一系列实验中,导线模型被限制在纯扭转模式下,以研究自激扭转机制。第二系列实验中,导线模型被完全释放,允许同时发生扭转和横向振动,以模拟实际导线舞动的情况。实验中记录了振动幅度的变化,并分析了气动阻尼和相位关系。

  4. 数据分析
    实验数据通过对数衰减率(logarithmic decrement)进行分析,以确定气动阻尼的大小和符号。特别是,通过对比裸导线和覆冰导线的对数衰减率,分离出扭转气动阻尼项(m2)。

主要结果

  1. 自激扭转机制的验证
    实验结果表明,在覆冰条件下,扭转气动阻尼为负且大于导线的自然阻尼时,导线会发生自激扭转振动。这种振动在特定风攻角(angle of attack)范围内尤为显著。

  2. 与Den Hartog机制的对比
    研究发现,Den Hartog机制在覆冰导线的垂直振动中并未表现出明显的失稳现象,而自激扭转机制则在多种覆冰形状和风攻角下均能引发导线舞动。这表明自激扭转机制是导线舞动的主要驱动力。

  3. 耦合振动的影响
    在完全释放的实验中,扭转振动与横向振动之间存在明显的耦合效应。当扭转频率接近横向振动的共振频率时,导线的舞动幅度会显著增加。这种耦合效应进一步支持了自激扭转机制的重要性。

结论

研究得出以下结论:在覆冰条件下,导线舞动主要由自激扭转机制引起,而非传统的Den Hartog机制。这一结论对导线舞动的预防和控制具有重要意义,特别是在设计抗舞动装置时,需要更多地考虑扭转振动的影响。

研究亮点

  1. 重要发现
    研究首次通过实验验证了自激扭转机制在导线舞动中的主导作用,挑战了传统的Den Hartog机制理论。

  2. 方法创新
    研究设计了一种特殊的垂直弹簧悬挂系统,用于精确测量扭转振动。此外,通过对比裸导线和覆冰导线的对数衰减率,成功分离了气动阻尼项。

  3. 应用价值
    研究结果为电力传输线路的抗舞动设计提供了新的理论依据,有助于减少导线舞动对电力系统的破坏。

其他有价值的内容

研究还讨论了覆冰形状对扭转频率的影响,以及冰偏心质量对振动耦合效应的贡献。这些内容为进一步研究导线舞动机制提供了重要的参考。

通过这项研究,学术界对导线舞动的理解得到了显著提升,同时也为工程实践提供了新的解决方案。

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