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Aerodynamic damping of nonlinear movement of conductor cables in laminar and turbulent wind flow
(2015)
It is widely accepted that aerodynamic damping is a decisive parameter influencing the dynamic response of overhead transmission line conductors in turbulent wind flow. But anyway, methods of how to account for the effects of aerodynamic damping differ significantly and so might do the results. In this work, the source of aerodynamic damping shall be revised leading to the well-known formulation for a linear pendulum being the result of the relative velocity between the structure and wind flow. Based on wind tunnel tests and validated by simulations, the differences to a pendulum movement of a sagging cable are shown. The reasons for that deviation are the large deflections, resulting in a movement non parallel to the acting wind flow. For some analysis, in particular those in frequency domain, it is practically not possible to incorporate aerodynamic damping implicitly by fluid structure interaction. If the dynamic movement can be linearized at a working point of the mean deflection, a modification to the linear approach is suggested. This approach is validated by simulation with a finite element model of an existing overhead transmission line, calibrated with onsite measurements for wind velocities at lower levels. Further accent is put on the different possibilities to incorporate aerodynamic damping in time step analysis, such as Rayleigh damping or modal damping. The differences between both approaches are emphasized and modal damping is shown to be the most adequate representation of aerodynamic damping.
Die Beanspruchung von Freileitungen erfolgt hauptsächlich durch Naturlasten. Dabei spielt für die bemessungsbestimmenden Lastfälle häufig der Wind eine entscheidende Rolle. Die Leiter, die mehrere hundert Meter weit spannen, tragen einen wesentlichen Anteil zur Gesamtbeanspruchung von Tragmasten bei, die wiederum Eigengewicht und Windlasten der Leiter zwischen zwei Abspannmasten abtragen. Wenn die Reaktion der Seile auf Starkwindereignisse abgeschätzt werden soll, müssen sowohl geometrische Nichtlinearitäten durch die großen Verformungen wie auch aerodynamische Nichtlinearitäten berücksichtigt werden. Insbesondere für die Anwendung und Berücksichtigung in Bemessungsvorschriften werden hierfür Vereinfachungen vorgenommen. In diesem Beitrag wird eine umfassende Untersuchung vorgestellt, über Naturmessungen, FEM-Simulationen kombiniert mit Windkanalversuchen und generierten Windzeitreihen. Ziel ist es, existierende Bemessungsvorschriften im Hinblick auf die Abschätzung der Beanspruchung aus Wind auf Leiter zu validieren. Hierbei sind insbesondere die Turbulenzannahmen und das dynamische Verhalten von weitgespannten Leitern wichtig, um die Extremschnittgrößen zu beschreiben. Mithilfe von so genannten Spannweitenfaktoren sollen die relevanten Parameter, wie Spannweite und Windturbulenz, bei der Beanspruchungsabschätzung berücksichtigt werden.
Windeinwirkungen auf Freileitungen wurden in der Vergangenheit meist an exponierten Standorten bestimmt. In einem Langzeitversuch wurden seit 2012 an einer mit moderner Messtechnik ausgerüsteten 380-kV-Leitung der 50 Hertz Transmission GmbH, die im nicht besonders exponierten Gelände verläuft und somit den Leitungen im Netz entspricht, die Windgeschwindigkeiten entlang der Leiter und deren Auswirkungen auf die Stützpunkte gemessen. Die Messungen und die begleitenden Auswertungen bestätigen die heute verwendeten normativen Vorgaben für die Windwirkung auf die Leiter von Freileitungen, soweit dies in der relativ kurzen Zeit von fünf Jahren möglich ist.
The paper focuses on a unique project of wind measurements along a high voltage Overhead transmission line. For reliable information on the horizontal distribution of the wind flow, 13 positions along two spans of an overhead electrical line of about 400 m length each are selected for wind velocity measurements. Simultaneously, the structural response is measured at the towers. Preliminary analyses aim at the appraisal of results what is important for the upcoming system identification. It is shown that system identification of long span transmission lines exposed to gusty wind is possible by derivation of a so called joint acceptance function which describes the admittance from wind velocity to the systems response.
The paper focuses on a recently launched project of wind measurements along a high voltage overhead transmission line. For reliable information on the actual horizontal distribution of the wind flow, 13 positions along two spans of an overhead electrical line of about 400 m length each are selected for wind measurements. Simultaneously, the structural response is measured at the towers. Preliminary analyses aim at the system identification of long span transmission lines exposed to gusty wind by derivation of a so called joint acceptance function which describes the admittance from wind velocity to the system's response. It can be shown that measured structural response can accurately be described using a statistical model which accounts for the irregularity of the wind as well as the structures behaviour.
MOSYTRAF-Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Im Rahmen eines Forschungsprojekts zur Tragverhaltensstudie von Freileitungsseilen unter Böenbeanspruchung soll durch die Kombination von Naturmessungen, Windkanalversuchen und numerischen Simulationen versucht werden, das mechanische Verhalten von Freileitungsseilen und turbulenter Windbeanspruchung genauer abzubilden. Die Unsicherheiten bei der Modellierung dieses Zufallsprozesses sollen durch Windkanalversuche und Naturmessungen auf ein Minimum reduziert werden. Im vorliegenden Beitrag werden Ergebnisse von Simulationen mit den Beobachtungen aus den Naturmessungen verglichen und bewertet. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Bewertung der aktuellen Bemessungsvorschriften für die Berücksichtigung von Wind auf Leiterseile.
MOSYTRAF - Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung
(2014)
Im Rahmen des Forschungsvorhabens MOSYTRAF (Monitoringsystem zur Tragverhaltensstudie von Freileitungen unter Böenbeanspruchung)
werden seit Ende 2011 kontinuierlich Windgeschwindigkeiten entlang eines insgesamt 800 m langen Freileitungsabschnitts gemessen. Gleichzeitig wird die resultierende Windkraft aus Wind auf Leiterseile an den Isolatoren erfasst. Dadurch soll der Zusammenhang zwischen Einwirkung und Bauwerksreaktion möglichst zuverlässig ermittelt werden. Dabei ist besonderes Augenmerk auf die kurzzeitigen
Windgeschwindigkeitsspitzen, die Böen gerichtet. Diese erfassen anders als die konstante mittlere Windgeschwindigkeit, nicht die gesamte Länge des Freileitungsabschnitts, sondern nur einen eingeschränkten Bereich. Aus diesem Grund erfolgen die Windmessungen an insgesamt 13 Stellen entlang des Abschnitts und geben ein fein aufgelöstes Bild des Windfeldes. In dem Beitrag werden Messergebnisse beispielhaft präsentiert und einige Plausibilitätskontrollen vorgestellt, da dies einen unerlässlichen Schritt bei Naturmessungen darstellt. Ausgehend von einem Übersichtsdiagramm der bisherigen Messergebnisse wird die Aufgabenstellung und die Zielsetzung der Messkampagne erörtert.
This paper presents a finite element model of an overhead transmission line using so called cable elements which allow reproducing the cable's nonlinear characteristics accurately employing only a few elements. Aerodynamic damping is considered in the equation of motion by taking into account the relative velocity between the flow of the wind and the moving structure. The wind flow itself is simulated by wave superposition making necessary assumptions on the lateral correlation between the wind velocities along the cable length. As result from the simulation, the following conclusions can be drawn. The first natural frequency of generally used wide spanning cables lies well below 1 Hz where also most of the energy content of the wind excitation is to be expected. Aerodynamic damping is significant for the moving cables holding very low structural damping which leads to a suppression of resonant amplification. This is particularly of interest regarding the support reaction which is dominated by the mean value and the so called background response. The latter is mostly influenced by the randomness of the wind flow, especially lateral to the main wind direction.
Overhead transmission line cables under wind gust loading - measurements and numerical simulations
(2014)
Overhead transmission lines with conductor cables spanning over a few hundred meters are highly
sensitive to the action of wind. Particularly wind acting on the cables signifies a major load on the
suspension towers. In order to identify critical loading parameters and the load-response
mechanism of those structures, measurements are carried out along a high voltage overhead
transmission line capturing the acting wind field as well as the structural response of the cables. A
finite element model of the structure is built and used to simulate the system's response. A method
is presented which allows generating a complete wind field for all the models nodes
incorporating measured wind velocities and estimated parameters of the acting wind. The full
scale measurements of both action and reaction will be compared to the numerical results.