特高壓長(zhǎng)串絕緣子風(fēng)偏研究

羅先國，何 川，鄒相國

（湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430040）

在電網(wǎng)運(yùn)行中，絕緣子串在風(fēng)荷載下發(fā)生風(fēng)偏現(xiàn)象將會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2007年以后，我國輸電線路發(fā)生多次風(fēng)偏跳閘事件，范圍涉及全國大部分省份?？梢娸旊娋€路發(fā)生風(fēng)偏跳閘事故比較頻繁，因此研究絕緣子串在脈動(dòng)風(fēng)作用下的風(fēng)偏角大小很有必要。由于特高壓輸電線路具有以下特征：絕緣子串長(zhǎng)、片數(shù)多、噸位大；導(dǎo)線截面大、分裂數(shù)多；檔距長(zhǎng)；金具尺寸大、噸位大等，而我國現(xiàn)行電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算絕緣子串風(fēng)偏角采用剛體靜力學(xué)模型，存在以下問題：未考慮長(zhǎng)串絕緣子的柔性影響；未考慮導(dǎo)線之間風(fēng)壓屏蔽尾流影響；未考慮脈動(dòng)風(fēng)的動(dòng)力放大系數(shù)影響；未考慮輸電線與絕緣子串之間的耦合作用。針對(duì)上述不足很多學(xué)者進(jìn)行了研究，但均未考慮分裂導(dǎo)線之間風(fēng)壓屏蔽尾流對(duì)風(fēng)偏角的影響。本文就是在脈動(dòng)風(fēng)基礎(chǔ)上，考慮導(dǎo)線之間的風(fēng)壓屏蔽尾流影響，建立絕緣子串-導(dǎo)線耦合有限元模型，進(jìn)一步研究絕緣子串風(fēng)偏動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1 多分裂導(dǎo)線屏蔽系數(shù)確定

多分裂導(dǎo)線屏蔽尾流影響是指流體經(jīng)過上游子導(dǎo)線后生成的尾流對(duì)下游子導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生影響，因此各子導(dǎo)線在流體作用下的氣動(dòng)力特性系數(shù)會(huì)不同。本文利用CFD數(shù)值仿真技術(shù)，計(jì)算出各子導(dǎo)線的阻力系數(shù)Cd，通過分析各子導(dǎo)線Cd值從而得出分裂導(dǎo)線的屏蔽影響系數(shù)。

首先運(yùn)用Gambit進(jìn)行流體模型建立，再將該流體模型導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行計(jì)算。圖1為計(jì)算后的速度云圖。

提取1、5、7子導(dǎo)線Cd值時(shí)程曲線（見圖2）。

圖1 CFD速度云圖

圖2 1、5和7子導(dǎo)線Cd值時(shí)程曲線

分析圖2得到如下結(jié)論：

（1）1導(dǎo)線Cd最大，均值為1.05，與規(guī)范中μSC取值1.1相比誤差不大，證明了模型的正確性。

（2）5導(dǎo)線Cd最小，均值為0.6，因?yàn)?導(dǎo)線與5導(dǎo)線距離很近，因此3導(dǎo)線產(chǎn)生的尾流對(duì)其影響很大。

（3）7導(dǎo)線Cd均值為0.84，介于1和5導(dǎo)線之間，因?yàn)?導(dǎo)線距1導(dǎo)線距離遠(yuǎn)，因此對(duì)其影響就小些。

最后提取出各子導(dǎo)線Cd均值（見表1），并作為各子導(dǎo)線的體型系數(shù) μSC。

表1 各子導(dǎo)線Cd均值

定義多分裂導(dǎo)線屏蔽影響系數(shù)為多分裂導(dǎo)線總體Cd值（各子導(dǎo)線Cd值之和）與規(guī)范μSC（分裂數(shù)×1.1）之比，得出本文屏蔽影響系數(shù)為0.807。

2 長(zhǎng)串絕緣子風(fēng)偏計(jì)算

本文采用文獻(xiàn)[3]中的改進(jìn)Deodatis譜表示法模擬空間相關(guān)的風(fēng)速時(shí)程曲線。再將脈動(dòng)風(fēng)帶入《電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)》中計(jì)算風(fēng)荷載公式中，即可得到每根導(dǎo)線每點(diǎn)風(fēng)荷載時(shí)程曲線。

懸垂絕緣子串、導(dǎo)線分別采用桿單元、索單元進(jìn)行模擬。

懸垂絕緣子串最上端與導(dǎo)線兩端均采用鉸約束。

根據(jù)懸鏈線方程，得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)空間坐標(biāo)，從而建立絕緣子串-導(dǎo)線有限元模型。

3 結(jié)果與分析

基于以上有限元模型，計(jì)算出絕緣子串考慮屏蔽尾流作用和不考慮屏蔽尾流作用的風(fēng)偏角。再與規(guī)范中的剛體靜力學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

表2 絕緣子串風(fēng)偏角計(jì)算工況

其中工況1和2基本風(fēng)速都一樣，工況1考慮了屏蔽尾流影響，工況2未考慮屏蔽尾流影響；工況3和工況4均是規(guī)范中的剛體靜力學(xué)模型。

4種工況風(fēng)偏角隨時(shí)間變化的曲線見圖3，提取每種工況的風(fēng)偏角最大值，見表3。

根據(jù)圖3和表3得出如下結(jié)論：

（1）在脈動(dòng)風(fēng)作用下，前40s的絕緣子串動(dòng)態(tài)風(fēng)偏角響應(yīng)比較大，不考慮屏蔽影響時(shí)風(fēng)偏角達(dá)到71.08°，考慮屏蔽影響時(shí)風(fēng)偏角達(dá)到62.44°，因?yàn)榻^緣子串-導(dǎo)線有限元模型是柔性結(jié)構(gòu)，其側(cè)向剛度從無到有需要一個(gè)過程，因此剛開始時(shí)風(fēng)偏角很大，這是發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)最危險(xiǎn)時(shí)刻，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)線側(cè)向剛度會(huì)增大，同時(shí)導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)阻尼也會(huì)影響風(fēng)偏角的大小，因此40s后風(fēng)偏角基本上在一個(gè)固定的值上下擺動(dòng)。

圖3 各工況絕緣子串風(fēng)偏角時(shí)程曲線

表3 各種工況最大風(fēng)偏角

（2）在脈動(dòng)風(fēng)作用下，考慮屏蔽影響（工況1）要比不考慮屏蔽影響（工況2）算出的風(fēng)偏角要小8～9°左右，可見屏蔽作用對(duì)風(fēng)偏角的影響是明顯的。

（3）脈動(dòng)風(fēng)作用下絕緣子串的風(fēng)偏角（工況2）比規(guī)范中靜力學(xué)模型（工況3）要明顯偏大，定義風(fēng)偏角放大系數(shù)為仿真模擬計(jì)算的風(fēng)偏角與按規(guī)范計(jì)算出的風(fēng)偏角的比值，由圖3可以看出開始時(shí)風(fēng)偏角放大系數(shù)約為1.48左右，比靜力學(xué)模型大29.54%，隨著時(shí)間的變化，風(fēng)偏角放大系數(shù)約為1.2。

（4）綜合考慮脈動(dòng)風(fēng)和導(dǎo)線屏蔽尾流影響計(jì)算出的風(fēng)偏角（工況1）為規(guī)范風(fēng)偏角（工況3）的1.295倍，本文建議在規(guī)范基礎(chǔ)上乘以一個(gè)考慮脈動(dòng)風(fēng)動(dòng)力放大系數(shù)1.475和屏蔽尾流影響的影響系數(shù)0.807。

（5）本文的研究是風(fēng)偏角優(yōu)化設(shè)計(jì)中需考慮的內(nèi)容之一，其結(jié)論可為輸電線路的防風(fēng)偏差異化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。