착빙 송전선로의 영각변화에 따른 갤러핑 발생특성 연구 :The Research on Characteristics of Galloping according to Angle of Attack in Ice-aAccreted Transmission Lines

박수만

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박수만 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 송오섭

발행연도: 2019

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이용수8

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

착빙 송전선로의 영각변화에 따른 갤러핑 발생특성 연구

박수만 기계·기계설계·메카트로닉스공학과 2019.01 학위논문

2018

3-자유도 풍동실험을 통한 영각 변화에 따른 착빙 송전선로 갤러핑 발생 특성 분석

박수만 , 송오섭 한국소음진동공학회논문집 2018.02 학술저널

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송전선에 발생하는 공력불안정성 진동의 하나인 갤러핑은 송전선에 눈이나 얼음이 부착된 상태로 강풍이 불어, 송전선이 상하로 큰 진폭으로 진동하는 현상이다. 갤러핑이 발생하면 도체간의 충돌이나 플래시 오버로 인해 송전선의 단락, 파손 등으로 인해 전력계통 안정성에 심각한 영향을 미친다. 이와 같은 갤러핑 현상을 밝히기 위해서는 착빙 형상, 풍속, 영각, 스팬 길이, 처짐 상태, 지형, 공력 및 진동 특성 등의 요소를 합리적으로 분석 및 평가해야 한다.
본 연구에서는 비대칭적으로 착빙된 송전선로에서 바람의 영각 범위에 따른 갤러핑 발생 특성을 이론적, 실험적으로 규명하기 위해 송전선로 동적 모델링 및 실증시험선로 진동 실험을 수행하였으며, 그리고 착빙 모형 설계 및 제작, 공기력계수 측정 풍동실험, 갤러핑 영각범위 산출, 갤러핑 재현 진동실험 등을 실시하였고, 이를 바탕으로 영각 변화에 따른 갤러핑 진동특성을 파악하였다.
먼저 송전선로 구조해석을 위해 동적 모델링과 수치계산을 실시하고 이를 검증하기 위하여 실증시험선로에서 진동실험을 수행하였다. 이론모델을 이용한 고유진동수 계산결과가 실험결과와 일치하여 동적 모델의 유효성을 입증하였다. 그리고 풍동실험에서 얻은 공기력계수 실험데이터를 Den Hartog Criteria에 적용하여 갤러핑 현상이 일어날 수 있는 영각 범위를 도출하였다.
다음으로 갤러핑 진동 가진 해석을 위해 구조해석, 공기력계수, 영각 등을 고려한 운동방정식을 유도하고 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 산출된 영각 범위에서 실제 송전선에 나타나는 대변위, 저주파수 갤러핑 진동을 모사할 수 있는 낮은 강성을 갖는 탄성지지구조의 3자유도 실험 장치와 실험 방법을 고안하고 그 적용성을 평가하기 위해 갤러핑 재현 풍동실험을 수행하였다. 3자유도 실험 장치를 이용하여 대 변위 특성을 갖는 송전선의 풍진동을 효과적으로 모사할 수 있음을 확인하였다. 갤러핑 시뮬레이션 해석결과는 3자유도 갤러핑 재현 실험에서 측정된 진동특성과 유사성이 확인되어 3자유도 갤러핑 재현 풍동실험 장치 및 방법, 갤러핑 진동 가진 해석 모델은 상호 타당성이 입증되어 송전선로 갤러핑 연구에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
마지막으로 송전선 갤러핑 현상에 미치는 주요 인자는 착빙 형상, 착빙 두께, 풍속 및 영각 등으로 나타났고, 특히 영각의 변화에 따라 진동 궤적 및 진폭 등 갤러핑 거동 특성에 큰 영향을 준다는 것을 확인하였다.
따라서 갤러핑 현상을 해석적, 실험적으로 밝힌 본 연구결과는 향후 갤러핑 사례와 원인 분석 등의 연구에 적용 가능하며, 갤러핑 등 풍진동 방지 대책 수립 등의 참고자료로 활용될 수 있을 것이다.

Galloping, one of the aerodynamic vibration of a transmission line, was the phenomenon that the wind made a transmission line with snow or ice sticking to it vibrates up and downward with a large magnitude of amplitude. Galloping caused the collision of conductors with each other or flashover among the conductors, in turn a short circuit or damage, and consequently a negative effect on the stability of the electric power transmission network. In order to understand galloping, we have to analyze and evaluate the elementary properties such as shapes of the ice, wind speed, angle of attack, length of span, sag, terrain, aerodynamics, and vibration characteristics in a reasonable manner.
In this research, in order to theoretically and experimentally identify the characteristics of galloping depending on the range of attack angle onto the transmission line with icing on it, the dynamic modeling and the vibration experiments using the demonstration facilities of transmission line were performed. In addition, the design of icing model, wind tunnel experiments for aerodynamic force coefficients, calculation of attack angle, and reproducing experiments of galloping were also performed, and the vibration characteristics of galloping was analyzed based on the experiment results.
First, the dynamic modeling and numerical analysis were performed, and for the purpose of verification, the vibration experiments were performed. The natural frequency of the theoretical model corresponded with the experiment results, and the dynamic model were proved effective. Also, the range of attack angle in which galloping might happen were deduced with the aerodynamic force coefficients from the wind tunnel experiment applied to Den Hartog Criteria.
Next, the dynamic equation considering structural analysis, aerodynamic force coefficients, and angle of attack were found for vibration shake analysis, and the galloping simulation were performed. Also, it was designed the 3-DOF(Degree of Freedom) experimental apparatus and techniques for elastic support with low rigidity that was able to simulate the vibration of galloping having the large magnitude of amplitude and low frequency within the range of calculated attack angle. Then, the wind tunnel experiment was performed to evaluate its applicability, and it is verified that the designed 3-DOF experiment was able to effectively simulate the wind vibration of the transmission line having the characteristics of the large magnitude of amplitude. Since the simulation results showed the similarity with vibration characteristics measured with 3-DOF experiment, the 3-DOF experiment apparatus, experiment method, and the analysis model of galloping were confirmed their feasibility, and they were expected to be used for the research on galloping of the transmission line.
Finally, the primary elements affecting galloping of the transmission line included the shape of ice, the thickness of ice, wind speed, and attack angle, etc., and especially the variation of attack angle had the great impact on the characteristics of galloping including the trajectory and amplitude of vibration.
Consequently, this research that theoretically and experimentally revealed galloping was able to be applied to another research on actual cases and cause analysis of galloping and also be looked up as the reference to measure the wind vibration of the transmission facilities.

1. 서 론 1
1.1 개요 1
1.2 국내외 연구동향 7
1.3 연구내용 9
2. 갤로핑 메키니즘 및 착빙단면 조사 11
2.1 갤로핑의 개념 11
2.1.1 갤로핑 발생 메카니즘 13
2.1.2 갤로핑의 영향 19
2.2 착빙단면 조사 및 분석 20
3. 송전선로 구조해석 및 실증시험선로 진동실험 27
3.1 개요 27
3.2 송전선로 동적 모델 및 수치계산 28
3.2.1 송전선로 동적모델 28
3.2.2 공기력 데이터 입력방법 34
3.2.3 수치계산 40
3.3 동적모델 검증을 위한 실증시험선로 진동실험 41
3.3.1 실험 개요 41
3.3.2 시험선로 진동 계측 실험 및 방법 42
3.4 갤러핑 진동 시뮬레이션 47
3.5 갤러핑 등 풍진동 저감용 댐퍼의 진동특성 해석 50
3.5.1 스페이서 댐퍼 50
3.5.2 스톡브리지 댐퍼 51
4. 착빙 송전선의 공기력 측정 풍동실험 및 영각범위 산출 60
4.1 실험개요 60
4.2 착빙 모형 설계 및 제작 61
4.3 공기력 계수 측정 풍동실험 65
4.3.1 풍동실험장치 구성 및 실험방법 65
4.3.2 풍력, 풍압 실험 정합성 검토 69
4.3.3 공기력계수 측정 실험 71
4.4 갤로핑 발생 영각범위 산출 73
5. 갤로핑 재현 진동실험 75
5.1 실험개요 75
5.2 탄성지지시스템 및 운동방정식 77
5.2.1 탄성지지시스템 77
5.2.2 운동방정식 78
5.2.3 진동수 조정 82
5.3 2자유도 진동실험 83
5.3.1 실험장치 구성 및 실험방법 84
5.4 3자유도 진동실험 90
5.4.1 실험장치 구성 및 실험방법 90
6. 실험결과 및 고찰 98
6.1 송전선로 수치해석 결과 98
6.2 실증시험선로 진동시험 결과 및 고찰 103
6.2.1 시험선로 진동실험결과 103
6.2.2 분석결과 고찰 112
6.3 갤러핑 시뮬레이션 결과 및 고찰 114
6.2.1 단도체, 2도체 시뮬레이션 결과 114
6.2.2 분석결과 고찰 115
6.4 착빙 송전선의 공기력계수 측정 실험결과 119
6.4.1 단도체 공기력계수 119
6.4.2 2도체 공기력계수 120
6.4.3 4도체 공기력계수 121
6.4.4 분석결과 고찰 122
6.5 갤러핑 발생 영각범위 산출결과 및 고찰 127
6.6 갤러핑 재현 진동실험 결과 및 고찰 135
6.6.1 2자유도 진동실험 결과 135
6.6.2 3자유도 진동실험 결과 140
6.6.3 분석결과 고찰 144
7. 결론 161
참고문헌 164

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