特高壓耐張復合絕緣子串斷聯(lián)沖擊影響因素分析

劉操蘭，朱寬軍，劉彬，劉勝春

(中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引言

復合絕緣子具有質量小、強度高、耐污閃能力強、制造和維護方便的特點，已廣泛應用于我國輸電線路中［1-2］。它的機械性能直接影響著輸電線路的運行安全，必須引起重視［3］。耐張復合絕緣子串在實際運行過程中需要承受嚴酷的靜、動態(tài)載荷，通常靜態(tài)載荷的作用在設計階段考慮得較為詳細，并利用安全系數(shù)對其留有足夠的裕度，容易滿足實際工程需要;對于動態(tài)載荷，在我國目前的設計規(guī)范［4］中，在設計階段并沒有詳細的技術要求，主要通過提高安全系數(shù)來滿足絕緣子承受各種動態(tài)載荷的需要。但在實際條件下，脈動風、導線舞動和脫冰、絕緣子斷聯(lián)等動態(tài)作用都會對絕緣子結構產(chǎn)生較大的動態(tài)載荷，往往對耐張串的使用安全造成威脅。因此，斷聯(lián)工況是設計絕緣子多聯(lián)結構需要考慮的一種重要的動載荷破壞形式，有必要對復合絕緣子斷聯(lián)沖擊影響因素進行詳細的分析。

已有國內(nèi)外學者對復合絕緣子的機械特性做了研究。文獻［5］研究了直流復合絕緣子的受力和運行情況;文獻［6］在設計和應用方面對220 kV輸電線路瓷芯復合絕緣子耐張串進行了研究;文獻［7］分析了導線自由跌落對輸電線路的動力沖擊作用;文獻［8］對已掛網(wǎng)運行的220 kV復合絕緣子的機電性能進行了試驗研究;文獻［9］和文獻［10］研究了復合絕緣子脆斷的力學性能;文獻［11］總結了國內(nèi)外復合絕緣子耐張串的使用情況，并分析了耐張串中使用絕緣子的受力情況?，F(xiàn)有研究成果主要集中在復合絕緣子的機械拉斷力和脆性斷裂方面，在特高壓線路復合絕緣子耐張串斷聯(lián)特性方面，可借鑒的研究成果非常有限，有必要對復合絕緣子耐張串斷聯(lián)特性進行研究。

由于耐張串斷聯(lián)沖擊是一個比較復雜的動力學過程，加之線路結構較為復雜以及受非線性因素的影響，所以理論分析動態(tài)載荷對于絕緣子的影響是不現(xiàn)實的，特別是局部結構的受力狀態(tài)，理論分析目前還很難實現(xiàn)。雖然可以采用成熟的有限元軟件進行計算，但是計算模型的選擇和取值會直接影響結果的正確性。因此，先通過試驗手段驗證數(shù)值模型和數(shù)值算法的準確性，用數(shù)值計算方法研究影響線路復合絕緣子斷聯(lián)沖擊的主要因素，為進一步研究復合絕緣子的機械性能和制定相應的設計規(guī)范提供參考和依據(jù)。

1 耐張復合絕緣子斷聯(lián)試驗

耐張絕緣子串斷聯(lián)時會產(chǎn)生較大的沖擊荷載，對懸掛點具有較高的強度要求。為真實地模擬斷聯(lián)沖擊作用，試驗選擇在中國電力科學研究院導線力學性能實驗室導線微風振動試驗大廳進行，試驗參考絕緣子機械試驗方法［12］。

試驗檔距為149 m，兩端為終端構架，試驗檔上架設1根導線，試驗絕緣子布置如圖1所示。試驗采用大截面導線KTACSR－1000，彈性模量為93.2×109N/m，導線橫截面積為1.259 ×10－3m2，線膨脹系數(shù)為 1.77 ×10－5℃－1。復合絕緣子型號為FXBW－1000/550，芯 棒 直 徑 為 0.04m，自 重為95.5 kg/m。

圖1 試驗絕緣子布置示意圖Fig.1 Tested insulators arrangement

試驗時讓1聯(lián)絕緣子串卸去所承受的載荷，此時導線對未斷聯(lián)的絕緣子串產(chǎn)生沖擊作用，將張力變化過程記錄下來。

2 數(shù)值計算的基本假設

通常，對于導線結構靜力分析計算采用桿或索單元，只考慮3個方向平動自由度［13］，而對于動力分析，扭轉自由度往往不能忽略。因此，分析過程中需要考慮單節(jié)點6個自由度的模型。

絕緣子和金具采用傳統(tǒng)的梁或板單元模擬，為便于導線單元和金具單元聯(lián)結，導線也采用梁單元模擬。梁單元中1個節(jié)點有3個平動自由度和3個轉動自由度。U形環(huán)、螺栓、螺母、調(diào)節(jié)聯(lián)板等連接金具均做相應的考慮。

為簡化計算和提高運算收斂速度，考慮到耦合結構的復雜性，數(shù)值模型的建立盡量忽略相對次要的因素。較之實際模型，數(shù)值計算模型采用的主要假設條件如下:

(1)忽略桿塔結構彈性變形對斷聯(lián)沖擊的影響，相關桿塔采用固定邊界代替;

(2)考慮導線與金具、絕緣子與金具以及金具之間的連接為鉸接的情況，即在斷聯(lián)過程中，相關連接處可轉動，實際條件下由于金具設計形狀和尺寸的限制，斷聯(lián)過程中鉸接點只能轉動一定的角度，無法實現(xiàn)自由轉動。但是如果金具局部鉸接點的碰撞力，在完全轉動時比部分轉動對于絕緣子的沖擊載荷更大，因此利用自由轉動屬于偏于安全的考慮。

3 數(shù)值計算結果與試驗結果對比

用數(shù)值計算方法計算斷聯(lián)工況，并與試驗結果進行比較，如圖2所示。通過試驗結果分析，導線－絕緣子系統(tǒng)斷聯(lián)后的結構阻尼比在0.09～0.1。數(shù)值計算方法準確、可靠。

圖2 未斷絕緣子動力影響系數(shù)時程曲線Fig.2 Time-interval curves of dynamic influence coefficient for unbroken insulator

4 影響復合絕緣子斷聯(lián)沖擊的主要因素

分析復合絕緣子斷聯(lián)沖擊載荷的影響參數(shù)對于特高壓用復合絕緣子的設計十分重要，可以通過改變主導影響參數(shù)實現(xiàn)降低斷聯(lián)沖擊的效果。根據(jù)實際經(jīng)驗和試驗情況，影響絕緣子斷聯(lián)沖擊載荷特性的主要參數(shù)包括結構尺寸、檔距等。

4.1 聯(lián)板結構高度對斷聯(lián)沖擊的影響

利用試驗工況條件分析2聯(lián)絕緣子金具尺寸對斷聯(lián)動態(tài)載荷的影響。根據(jù)計算模型，金具尺寸參數(shù)主要有2個，其一為2串并聯(lián)絕緣子之間的寬度，即聯(lián)板結構寬度;其二為連接絕緣子和導線之間的距離，即聯(lián)板結構高度。圖3給出了固定聯(lián)板結構寬度為0.45 m時，不同聯(lián)板結構高度和絕緣子斷聯(lián)動力影響系數(shù)的對應關系。

圖3 動力影響系數(shù)與L形聯(lián)板長度(寬度不變)的關系Fig.3 Relationship between dynamic influence coefficient and L-type junction length(with width is constant)

由圖3可知，當聯(lián)板結構寬度確定后，聯(lián)板結構高度越大，對應的斷聯(lián)動力影響系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢。

4.2 檔距對斷聯(lián)沖擊的影響

利用試驗工況參數(shù)，分析單檔條件下不同檔距對絕緣子斷聯(lián)的影響。圖4給出了試驗工況條件下，不同檔距和絕緣子斷聯(lián)動力沖擊系數(shù)之間的對應關系。

圖4 動力沖擊系數(shù)與檔距的關系Fig.4 Relationship between dynamic influence coefficient and span

由計算結果可知，在導線運行張力相同的情況下，對于孤立檔的情況，檔距的大小對于絕緣子斷聯(lián)動力沖擊系數(shù)的影響很小。

5 結論

(1)根據(jù)線路絕緣子斷聯(lián)工況設計的試驗模型是可行有效的。

(2)通過試驗驗證，本項目提出的數(shù)值計算模型和方法能夠有效地模擬復合絕緣子斷聯(lián)工況動態(tài)沖擊載荷特性。

(3)分析影響復合絕緣子耐張串斷聯(lián)動態(tài)載荷的主要參數(shù)表明，聯(lián)板尺寸對于斷聯(lián)沖擊載荷有明顯的影響，而導線檔距大小對斷聯(lián)沖擊載荷影響較小。

(4)動力影響系數(shù)是單串絕緣子最大沖擊荷載與單串絕緣子初始張力的比值。如果動力影響系數(shù)超過了設計安全系數(shù)，可通過提高絕緣子靜態(tài)時安全系數(shù)或改變聯(lián)板尺寸2種途徑來保證絕緣子的強度滿足要求。

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