环境激励下特高压输电塔线体系气动阻尼的识别

特高压输电

第23卷 第7期Vo.l23No.7

重庆工学院学报(自然科学)

JournalofChongqingInstituteofTechnology(NaturalScience)

2009年7月Ju.l2009

环境激励下特高压输电塔线体系气动阻尼的识别

任 坤,李正良,肖正直,汪之松

(重庆大学土木工程学院,重庆 400030)

*

摘 要:结合 800kV特高压直流输电线路气弹模型的风洞试验,利用经验模态法、随机减量法及Hilbert变换法识别环境激励下气弹模型的结构参数.研究输电单塔及塔线体系在不同风速下气动阻尼及固有频率的变化特性.结果表明:在环境激励下,结构频率有随风速减小的趋势,而气动阻尼比有明显增加,特别是塔线体系较单塔更为显著;塔线体系的频率及阻尼比较单塔均有提高,阻尼比提高较为明显,随着风速的增加,气动阻尼变化明显,气动阻尼对风振响应的影响应引起重视.关

键

词:HHT;气动阻尼;风洞试验;气弹模型;塔线体系

文章编号:1671-0924(2009)07-0064-05

中图分类号:TU317.1;V215.3 文献标识码:A

AerodynamicDampingIdentificationofUHVTransmissionLine

SystemunderAmbientExcitation

RENKun,LIZheng-liang,XIAOZheng-zh,iWANGZh-isong

(CollegeofCivilEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract:Ontheaeroelasticmodeltunneltestof 800kVUHVDCtransmissionlines,thestructuralparametersoftheaeroelasticmodelundertheambientexcitationwiththeempiricalmodedecomposition(EMD),randomdecrementtechnique(RDT)andHilberttransformareidentified.Thecharacteristicsoftheaerodynamicdampingandnaturalfrequencyofthetransmissiontowerandtransmissionlinesystemunderthedifferentwindspeedarestudied.Itisfoundthattheeffectofaerodynamicdampingtothewind-inducedvibrationinthecaseoftransmissionlinesystemcannotbeignored.Keywords:HHT;linesystem

特高压输电塔线体系的阻尼特性十分复杂,

在输电塔线体系的风振响应分析中,结构的气动阻尼特性识别一直是分析中的难题.目前,对于气动阻尼在特高压输电塔线体系风振响应分析中的作用仍然需要深入研究.结构参数及气动阻尼的特性识别方法分为频域方法和时域方法.频域分析法包括对数衰减法、谱距法、半功率带宽法和谱

*

aerodynamicdamping;windtunneltes;taeroelasticmode;ltransmission

线拟合法等;时域分析法包括自相关半率减法、最

大熵法、AR分析法、随机减量法、特征系统实现

[1][2]

法、NExt法、随机子空间法等.Huang于1998年在Hilbert变换的基础上提出了一种全新的数据处理方法Hilber-tHuang变换(Hilber-tHuangtransform,HHT),由经验模态分解法(empiricalmodedeco-mposition,EMD)和Hilbert变换(hilbert

收稿日期:2009-04-02

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678181,50708118);国家电网公司科技项目(SGKJ[2007]413).

作者简介:任坤(1981 ),男,河南濮阳人,硕士研究生,主要从事输电塔抗风研究;李正良(1963 ),男,教授,博

士生导师,主要从事大跨度桥梁及输电塔抗风研究.

特高压输电

任 坤,等:环境激励下特高压输电塔线体系气动阻尼的识别

transform,HT)组成,其核心是EMD分解.HHT变换在准确处理短时数据序列、时域和频域内高分辨识别等方面,均表现出比以往各种信号处理方法更高的优越性.

陈隽使用HHT方法识别出青马桥在台风作用

[3]

下的固有频率和阻尼比,并发展了HHT法在密

[4][5]

频结构阻尼识别中的应用.Yu提出了基于HHT方法的核心经验模态分解的随机子空间法,从结构工作状态下测量非平稳信号识别模态参数.潘[6]

峰还利用HHT变换,识别了大跨屋盖结构的气动阻尼,研究了在不同风速下屋盖气动阻尼的变化特性.本文中将结合 800kV特高压直流输电线路气弹模型风洞试验,利用HHT及RDT法识别环境激励下气弹模型的气动阻尼及固有频率.

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局部极小值点识别出来,然后用三次样条曲线将所有极大值点和极小值点连接起来构成原始信号的上包络线和下包络线,求出上下包络线的平均值m0(t),用原始信号x(t)减去m0(t)就得到了分量h1(t),即:

x(t)-m0(t)=h1(t)(1)

在理想条件下,h1(t)应该为IMF,但是一般条件下,由于样条曲线中的突起和凹陷以及原始信号中的隆包使得h1(t)并不满足IMF条件.为此上述过程应该重复k次,而达到一定标准后以获得最终的hk(t),该hk(t)就是满足条件的IMF分量.每次筛分过程中将上次得到的hk-1(t)作为原始信号,求出本次的hk(t),即

h1(t)-mk-1(t)=hk(t)(2)

Huang定义了如下的标准偏差,作为收敛标准:|hk(t)-hk-1(t)|

dt(3)2

0|hk-1(t)|

通常,SD的取值在0.2与0.3之间,按照此标准处

1

SD=

T

1 HHT方法

1.1 经验模态分解法

[7]

T

2

经验模态分解法是基于信号局部特征的时间尺度,从原信号中提取一组本征模函数分量(intrinsicmodefunction,IMF).本征函数是满足如下条件的函数:

1)在信号的整个持续时间内,零交点的数目与极值点的数目必需相等或至多相差一个;

2)在任意时刻,由局部极大值点定义的上包络线和由局部极小值点定义的下包络线之间的平均值为零.

在上述2个限制条件中,第1个条件类似于传统意义上的平稳高斯过程的窄带要求,第2个条件是Huang提出的一个新的限制条件,他将传统的全局条件修改为局部条件.对于这一条件,Huang认为是一种对信号实现可操作的必要的近似.根据IMF

[2]

的定义,Huang发展了一种将任意信号分解成IF分量的方法,即经验模态分解法(EMD).与其M

他信号处理方法相比,EMD法是直观的、直接的、后验的以及自适应的,其分解所用的基都是基于并且源自于原始信号的.EMD法分解信号有3条基本假定: 信号具有至少2个极值点 一个极大值和一个极小值; 特征时间尺度定义为相邻极值点之间的时间间隔; 如果信号没有极值点而仅有 曲点 ,那么对其分解之前首先将其微分一次或多次,以获得极值点,然后对所得结果进行积分就可以得到相应的分量.

x理后,可以得到第一个IMF分量c1(t),该分量为原始信号中最高频的分量.从原始信号中分离出MF分量后,得到残余信号I

x(t)-c1(t)=r1(t)(4)在第2次分解过程中,以第1次分解得到的残余分量r1(t)作为新的原始信号,重复以上方法,得到新的IMF分量及其残余分量.Huang提出了上述筛分处理的结束标准: 最后得到的IMF分量或残余信号的值低于预先设定的值; 最后的残余信号为时间的单调函数.以上2个标准,只需满足其一即可.原始信号可表示成

x(t)=

[2]

n

ci(t)+rn(t)(5)

i=1

式中:ci(t)(i=1,2, ,n)为n个IMF分量;rn(t)为残余信号.

在上述分解过程中,在信号的边界处,三次样条拟合会引起较大的误差,随着分解的进行,误差会向

[7]

信号内部传播,最终污染整个信号.张郁山利用AR模型对信号边界进行了延拓,取得了很好的效果.1.2 RDT技术

随机减量技术(RDT)是利用随机信号的平均值接近于零这一特点,从线性振动系统的平稳随机样本函数中提取确定性信号的方法.这种确定性信号是在一定初始条件下的自由衰减振动信[8]

号.对于一个线性系统的结构,在任意激励下某

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