剛體直桿模型計(jì)算風(fēng)偏角的影響因素分析

（廣東電網(wǎng)韶關(guān)供電局，廣東韶關(guān)512026）

0 引言

在風(fēng)荷載激勵(lì)下，輸電線路的導(dǎo)線、絕緣子串將產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)，大幅度的風(fēng)偏擺動(dòng)減小電纜與桿塔、樹木等之間的空氣間隙，嚴(yán)重情況會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，對輸電線路安全運(yùn)行造成較大風(fēng)險(xiǎn)[1-3]；另一方面導(dǎo)線、絕緣子的往復(fù)運(yùn)動(dòng)容易對絕緣子串、金具造成材料的疲勞破壞[4-7]。

因?yàn)轱L(fēng)偏放電導(dǎo)致的跳閘，是風(fēng)荷載較大，風(fēng)偏致使最小空氣間隙被超越的持續(xù)時(shí)間，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重合閘操作時(shí)限，使得在重合閘操作時(shí)，導(dǎo)線與桿塔的間隙仍然小于空氣間隙要求；同時(shí)，重合閘操作時(shí)，輸電線路中出現(xiàn)操作過電壓，遠(yuǎn)大于工頻放電電壓，導(dǎo)致影響更為嚴(yán)重的二次放電[8-12]。因此，針對性的分析絕緣子風(fēng)偏特性的各個(gè)影響因素，對電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和新建線路的防風(fēng)偏設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

1 絕緣子串風(fēng)偏角計(jì)算模型

在架空輸電線路中，帶電部分與桿塔構(gòu)件之間必須保持足夠的空氣間隙值，需滿足運(yùn)行電壓、操作過電壓及雷電過電壓工況下受不同風(fēng)荷載的最小空氣間隙。懸垂絕緣子串下端帶電導(dǎo)線到桿塔構(gòu)件最小空氣間隙由風(fēng)偏角來計(jì)算。依據(jù)靜力平衡方程，計(jì)算風(fēng)偏角的方法主要有弦多邊形法、剛體直桿模型法[13-15]。對復(fù)合懸垂絕緣子串，可以用剛體直桿模型法來計(jì)算絕緣子風(fēng)偏角，如圖1所示。

圖1 復(fù)合懸垂絕緣子串剛體直桿模型Fig.1 Rigid body straight rod model of composite suspension insulator string

由圖1的懸垂絕緣子串靜態(tài)受力模型可知，設(shè)絕緣子風(fēng)偏角為?，則，

式中，F(xiàn)j是絕緣子串風(fēng)載荷，N；Gd是導(dǎo)線垂直載荷，N；Gj是絕緣子串重力，N，lc是垂直檔距，m；?是懸垂絕緣子串風(fēng)偏角，（°），F(xiàn)d是垂直于導(dǎo)線的水平風(fēng)載荷，N；ls是水平檔距，m。

絕緣子串風(fēng)載荷：

式中：n是絕緣子片數(shù)；sn是每片絕緣子受風(fēng)面積，m2；v為導(dǎo)線上的風(fēng)速，m/s；kz為高度變化系數(shù)；g為重力系數(shù)，N/kg。

垂直于導(dǎo)線方向的水平風(fēng)載荷：

式中：ar是風(fēng)壓不均勻系數(shù)；d是導(dǎo)線直徑，mm。

輸電線路簡化計(jì)算中，水平檔距是用于計(jì)算水平荷載的檔距、垂直檔距是用于計(jì)算垂直荷載的檔距，粗略的講，水平檔距大、垂直檔距小的桿塔對應(yīng)懸垂絕緣子串的水平荷載較大，垂直荷載較小，因此水平檔距和垂直檔距是影響懸垂絕緣子風(fēng)偏角大小的重要因素。

2 絕緣子風(fēng)偏特性影響因素分析

絕緣子風(fēng)偏角的影響因素主要包括：導(dǎo)線基本參數(shù)、絕緣子基本參數(shù)、檔距、以及外界風(fēng)速等。在利用點(diǎn)式風(fēng)速數(shù)據(jù)的計(jì)算中影響因素還包括：高度變化系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、地形等因素的影響。

2.1 不同水平檔距條件下風(fēng)偏特性研究

為了充分研究不同水平檔距下的風(fēng)偏角的變化規(guī)律，控制除水平檔距以外的其它參數(shù)不變，利用式（2）計(jì)算水平檔距變化時(shí)風(fēng)偏角的變化，如圖2所示。

圖2 不同水平檔距條件下風(fēng)偏角Fig.2 The wind deviation angle under different horizontal span

從圖2可以看到，在其他條件一致的情況下，隨著水平檔距的增加，風(fēng)偏角逐漸增大。

2.2 不同垂直檔距條件下風(fēng)偏特性研究

同樣固定其他參量，調(diào)整垂直檔距長度，計(jì)算風(fēng)偏角的變化量，風(fēng)速14m/s，如圖3所示。

圖3 不同垂直檔距條件下風(fēng)偏角Fig.3 The wind deflection angle under different vertical span

從圖3可以看到，隨著垂直檔距的增加，風(fēng)偏角呈快速減小趨勢。輸電線路在設(shè)計(jì)過程中，在平坦的地形（小垂直檔距）環(huán)境中，通常為降低成本，采用較大跨度（大水平檔距），風(fēng)偏問題通常起決定性因素；在高低起伏較大的地形（小垂直檔距）環(huán)境中，跨度?。ㄋ綑n距?。怪焙奢d通常起決定性。

2.3 不同風(fēng)速條件下風(fēng)偏特性研究

以某輸電線路N12直線桿塔附近線路參數(shù)為例計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向?qū)^緣子風(fēng)偏特性的影響情況。N11-N13桿塔形成兩檔的耐張段，N12直線桿塔塔型為ZTA2164-45，呼高45 m，上相絕緣子串懸掛點(diǎn)距塔基高度45+8 m，塔基地面海拔68.58 m，周邊地勢較低點(diǎn)的海拔高度32.30 m，計(jì)算風(fēng)荷載高度變化系數(shù)所用高度選用68.58+45+8-32.30 m，雙聯(lián)懸垂絕緣子串長度1 889-51 mm，重量35.75 kg，受風(fēng)面積（1 889-51）×120×2 mm2。N12直線桿塔水平檔距551 m，垂直檔距379 m，線路的方向角為343.73°（正北方向角為0°，順時(shí)針為正，與氣象風(fēng)向定義一致），導(dǎo)線采用LGJX-630/45，單位長度重量2.06 kg/m，外徑33.6 mm，將參數(shù)帶入式（1）～式（4），風(fēng)速在0-70 m/s區(qū)間變化，風(fēng)向角在0°-180°區(qū)間變化，計(jì)算其絕緣子風(fēng)偏角繪圖見圖4。

圖4 風(fēng)速、風(fēng)向與風(fēng)偏角的關(guān)系Fig.4 The relationship between wind speed，wind direction and wind deflection angle

從圖4至圖5可以看到，當(dāng)風(fēng)向與線路方向一致時(shí)，風(fēng)偏角為零；風(fēng)向與線路方向垂直時(shí)，絕緣子風(fēng)偏角最大；風(fēng)向的影響區(qū)間較大，在垂直于線路約±60°區(qū)間內(nèi)，在風(fēng)速較大的情況下，絕緣子風(fēng)偏角均較大；只有風(fēng)向與線路夾角較小時(shí)，風(fēng)偏角才較小。

圖5 不同風(fēng)向下風(fēng)速與風(fēng)偏角的關(guān)系Fig.5 The relationship between wind speed and winddeflection angle under different wind direction

2.4 風(fēng)壓不均勻系數(shù)對絕緣子風(fēng)偏特性的影響

由上面計(jì)算模型，風(fēng)壓不均系數(shù)取不同的值時(shí)，風(fēng)偏角變化如表1所示。

表1 不同風(fēng)壓不均勻系數(shù)下某一檔距的風(fēng)偏角Table 1 A span of the wind deflection angle at different pressure uniformity coefficient

中南電力設(shè)計(jì)院認(rèn)為水平檔距是影響風(fēng)壓不均勻系數(shù)的關(guān)鍵，建議α=0.5+60/ls，該取值得到了普遍的認(rèn)可，風(fēng)壓不均勻系數(shù)隨水平檔距的增大而降低，取值見表2。

表2 不同水平檔距的風(fēng)壓不均勻系數(shù)取值Table 2 Uneven air pressure coefficient value of different horizontal span

2.5 地形的影響

設(shè)計(jì)輸電線路采用的風(fēng)荷載，通常以該地區(qū)的氣象臺(tái)站多年觀測統(tǒng)計(jì)得來，而氣象站多設(shè)置在城區(qū)，輸電線路多處在遠(yuǎn)離城市的區(qū)域，由氣象站所觀測到的風(fēng)速歷史數(shù)據(jù)需要進(jìn)行修正。仍然以直線塔為例來分析不同地形對絕緣子風(fēng)偏角的影響，圖6所示為盆地谷地、平原以及及風(fēng)口對懸垂絕緣子串風(fēng)偏角的影響。

圖6 地形對風(fēng)偏角的影響（24 m/s）Fig.6 Influence of topography on wind deflection angle

從圖6中可以看到，相同風(fēng)速下盆地谷地絕緣子串風(fēng)偏角最小，微地形風(fēng)口處的絕緣子串風(fēng)偏角最大，相對來說更易發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)坡度變化對絕緣子風(fēng)偏的影響規(guī)律是，懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角隨著坡度的增加而增大，但是增大到一定程度之后風(fēng)偏角不再隨坡度變化，這與建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范中山坡修正系數(shù)不再隨坡度變化的規(guī)定相符合。

2.6 絕緣子加重錘對風(fēng)偏角的影響

復(fù)合絕緣子較瓷絕緣子更輕，由上面計(jì)算模型，計(jì)算出的風(fēng)偏角更大，因此，在防風(fēng)偏措施中，可在懸垂絕緣子串下方掛重錘，通過改變加裝絕緣子重量。經(jīng)過研究，不同重量的加重錘與風(fēng)偏角之間的關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7可以看到隨著增加重錘的重量，風(fēng)偏角減小。說明懸垂絕緣子假裝加重錘對抑制風(fēng)偏有一定的效果。

3 結(jié)論

對剛體直桿模型計(jì)算風(fēng)偏角的影響因素進(jìn)行研究，可得出如下結(jié)論。

圖7 不同加重錘條件下的風(fēng)偏角Fig.7 The wind deflection angle of different weight hammer

1）在其他條件一致的情況下，風(fēng)偏角是水平檔距的增函數(shù)；是垂直檔距的減函數(shù)，在水平檔距大，垂直檔距小的情形下，要更關(guān)注風(fēng)偏的監(jiān)測。

2）當(dāng)風(fēng)向與線路方向一致時(shí)，絕緣子串不產(chǎn)生風(fēng)偏角；風(fēng)向與線路方向垂直時(shí)，絕緣子風(fēng)偏角最大；風(fēng)向的主要影響區(qū)間在垂直于線路約±60°區(qū)間內(nèi)，在風(fēng)速一定的情況下，此區(qū)間懸垂絕緣子串風(fēng)偏角較大。

[1] 王聲學(xué)，吳廣寧，范建斌，等.500 kV輸電線路懸垂絕緣子串風(fēng)偏閃絡(luò)的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（9）：65-69.

WANG Shengxue，WU Guangyu，F(xiàn)AN Jianbin，et al.Study on Flashover of Suspension Insulator String Caused by Windage Yaw in 500kV Transmission Lines[J].Power System Technology，2008，32（9）:65-69.

[2] 孫保強(qiáng)，侯鐳，孟曉波，等.不同風(fēng)速下導(dǎo)線風(fēng)偏動(dòng)力響應(yīng)分析[J].高電壓技術(shù)，2010，36（11）：2808-2813.

SUN Baoqiang，HOU Lei，MENG Xiaobo，et al.Character?istics analysis of conductors diaplacement under different wind speed[J].High Voltage Engineering，2010，36（11）:2808-2813.

[3] 陶鈴宏，李濤，甘宏軍，等.跳線絕緣子在臺(tái)風(fēng)中的風(fēng)偏特征分析[J].電瓷避雷器，2017，4:157-159.

TAO Linghong，LI Tao，GAN Hongjun，et al.Analysis of the Windage Yaw Characteristics of the Jumper Insulators in Typhoon[J].Insulators and Surge Arresters，2017，4:157-159.

[4] 胡毅.500 kV輸電線路風(fēng)偏跳閘的分析研究[J].高電壓技術(shù)，2004，30（8）：9-10.

HU Yi.Study on trip caused by windage yaw of 500 kV transmission line[J].High Voltage Engineering，2004，30（8）：9-10（in Chinese）.

[5] LONG Lihong，HU Yi，LI Jinglu，et al.Parameters for windcausedoverhead transmission line swing and fault[C].2006 IEEE Region Conference，2006.

[6] 王黎明，高亞云，盧明，等.特高壓輸電線路新型防舞技術(shù)計(jì)算[J].高電壓技術(shù)，2017，43（8）：2541-2550.

WANG Liming，GAO Yayun，LU Ming，et al.Calculation on a New Anti-galloping Technique for UHV Transmis?sion Lines[J].High Voltage Engineering，2017，43（8）:2541-2550.

[7] 楊曉輝，呂中賓，韓寶林，等.輸電桿塔聯(lián)接件的抗舞防松性能測試與分析[J].電力建設(shè)，2014，35（4）：44-49.

YANG Xiaohui，Lü Zhongbin，HAN Baolin，et al.Antigalloping and locking performance test and analysis of joint bolts in transmission tower[J].Electric Power Con?struction，2014，35（4）:44-49.

[8] HU J，YAN B，ZHOU S，et al.Parameter study on gallop?ing of iced bundled conductors[C]∥2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference.[S.l.]：[s.n.]，2010:1-4.

[9] 王少華，蔣興良，孫才新.覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)特性及其引起的導(dǎo)線動(dòng)態(tài)張力[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（1）：159-166.

WANG Shaohua，JIANG Xingliang，SUN Caixin.Charac?teristics of icing conductor galloping and induced dynam?ic tensile force of the conductor[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2010，25（1）:159-166.

[10]樓文娟，李天昊，呂中賓，等.多分裂子導(dǎo)線氣動(dòng)力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，33（6）：787-792.

LOU Wenjuan，LI Tianhao，LV Zhongbing，et al.Wind tun?nel test on aerodynamic coefficience of multi-bunled subconductors[J].Acta Aerodynamica Sinica，2015，33（6）:787-792.

[11]張振泉，張東，李曉光等.一起750 kv輸電線路風(fēng)偏跳閘原因分析及改造措施研究[J].電瓷避雷器，2017，02（276）:168-173.

ZHANG Zhenquan，ZHANG Dong，LI Xiaoguang，Analy?sis and Transformation Measures of 750 kV Transmission Line Wind Biased Tripped[J].Insulators and Surge Arrest?ers，2017，02（276）:168-173.

[12]馬鋼，謝金華，110 kV/220 kV大風(fēng)區(qū)防風(fēng)偏復(fù)合絕緣子[J].電瓷避雷器，2012，247（3）:15-18.

MA Gang，XIE Jinhua，The Windage Pretection Com?postise Insulator in 110 KV and 220 KV Strong Wind Area[J]，Insulators and Surge Arresters，2012，247（3）:15-18.

[13]龍力宏，胡毅，李景祿等，輸電線路風(fēng)偏放電的影響因素研究[J].高電壓技術(shù)，2006，32（4）:19-21.

LONG Lihong，HU Yi，LI Jinglu1，HU Tao，Study on Wind?age Yaw Discharge of Transmission Line[J]，High Voltage Engineering，2006，32（4）:19-21.

[14]李軍闊.高壓輸電導(dǎo)線微動(dòng)疲勞研究[M].華北電力大學(xué)，2013.

LI Junkuo，Research on Fretting Fatigue of High-Volt?age Transmission line[M]，North China Electric Power Uni?versity，2013.

[15]孟遂民，孔偉，架空輸電線路設(shè)計(jì)[M]，北京：中國電力出版社，2007:187-189.

MENG Suimin，KONG Wei，Overhead transmissi-on line design[M]，China Electric Power Press，2007:187-189.