220 kV復(fù)合絕緣子防風(fēng)偏仿真計(jì)算研究

徐兆國,王 濤,劉寧波,張振華,董慎學(xué)

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司, 寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

在“西電東送”“藏電東送”等國家重大工程的推動下,我國輸電線路規(guī)模不斷擴(kuò)大[1-2],使得線路不可避免地經(jīng)過一些大風(fēng)日多、風(fēng)速快速增加的微地形、微氣象地區(qū),增大了風(fēng)偏事故發(fā)生的概率。其次,復(fù)合絕緣子由于體積小、機(jī)械強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用,但復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)長、質(zhì)量輕,在風(fēng)的作用下易發(fā)生擺動,使得復(fù)合絕緣子串的風(fēng)偏閃絡(luò)事故頻發(fā),嚴(yán)重影響輸電線路的安全運(yùn)行[3-5]。

為揭示復(fù)合絕緣子風(fēng)偏閃絡(luò)機(jī)制并提出高效的防風(fēng)偏措施,國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。由于輸電線路跨度廣,現(xiàn)場試驗(yàn)開展困難,當(dāng)前對風(fēng)偏的研究主要依賴縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)及ABAQUS、ANSYS等有限元仿真計(jì)算軟件。在建模方式上,國內(nèi)外學(xué)者采用的方法并不統(tǒng)一,張志勁等[6-7]均采用桿塔-導(dǎo)線-絕緣子串三者耦合的方式建立有限元模型。Liu等[8]和樓文娟等[9]忽略桿塔的影響,通過導(dǎo)線耦合絕緣子建立了有限元力學(xué)模型。

Haitham等[10]通過導(dǎo)線和絕緣子的力矩平衡關(guān)系以及與導(dǎo)線長度的關(guān)系,推導(dǎo)絕緣子3個方向反力和位移分量的耦合方程,得到了導(dǎo)線任意分布模式下的張力和位移半解析解,但過程較復(fù)雜。周超等[11]利用有限元仿真計(jì)算軟件分析不同風(fēng)載荷作用下V字復(fù)合絕緣子串的力學(xué)特性,重點(diǎn)分析了其迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)絕緣子受力及變形特性。向亞超等[12]通過弧長法對風(fēng)荷載作用下復(fù)合絕緣子進(jìn)行大撓度后的屈曲分析,為V字復(fù)合絕緣子夾角設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)意見。

劉竹麗等[13]根據(jù)流場仿真分析了迎風(fēng)側(cè)導(dǎo)線對背風(fēng)側(cè)導(dǎo)線的風(fēng)壓屏蔽作用,通過建立 500 kV緊湊型輸電線路有限元模型,研究了導(dǎo)線的非同期搖擺過程,提出可通過安裝相間間隔棒提高線路防風(fēng)偏性能。

在風(fēng)偏角計(jì)算上,李黎等[14]通過導(dǎo)線耦合絕緣子串建立力學(xué)分析模型,根據(jù)仿真結(jié)果得到了高差修正系數(shù)(反映耦合作用),并提出了剛性直棒法修正公式,提高了線路風(fēng)偏角計(jì)算精度。樓文娟等[15]通過建立四跨導(dǎo)線-絕緣子串有限元模型研究了線路結(jié)構(gòu)參數(shù)對風(fēng)偏角度的影響,結(jié)果顯示:呼高低的桿塔處于風(fēng)偏不利位置,相對于檔距變化,風(fēng)偏角對掛點(diǎn)高低更為敏感。

在風(fēng)偏防治措施上,龔堅(jiān)剛等[16]發(fā)現(xiàn)在采用寬塔身外側(cè)跳線將雙串、單串扁擔(dān)改為雙串加扁擔(dān)等方式后,風(fēng)偏閃絡(luò)仍時有發(fā)生,建議增加足量的重錘片數(shù)使得跳線絕緣子串在無風(fēng)狀態(tài)下有5～10°預(yù)偏。雷添等[17-18]基于運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出輸電線路防風(fēng)偏可采用增加懸垂串串重、縮短懸垂串長度、減小導(dǎo)線線徑、增設(shè)防風(fēng)拉線等措施。

上述研究成果為揭示輸電線路風(fēng)偏機(jī)理、指導(dǎo)線路防風(fēng)實(shí)踐積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)前防風(fēng)偏措施眾多,主要基于運(yùn)行人員的工程經(jīng)驗(yàn),缺乏理論對比。本文以寧夏某風(fēng)害集中區(qū)域220 kV輸電線路為研究對象,建立六垮導(dǎo)線-復(fù)合絕緣子耦合有限元計(jì)算模型,并與集中載荷法進(jìn)行對比,分析2種方法下復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角差異。其次,基于該模型數(shù)值化對比分析了八字串、V形串、拉線和重錘防風(fēng)偏措施的效果,從而為該地區(qū)220 kV復(fù)合絕緣子串的防風(fēng)偏工作提供技術(shù)參考。

1 復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度計(jì)算模型

1.1 集中載荷法

將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為載荷施加絕緣子串模型上,已知規(guī)范中絕緣子串受風(fēng)荷載FI計(jì)算公式。

(1)

式中:N為絕緣子片數(shù);V為10 min內(nèi)測量獲得的平均風(fēng)速,m/s;AI為單片絕緣子的在迎風(fēng)面的投影面積,m2。對于懸垂復(fù)合絕緣子串和導(dǎo)線的耦合系統(tǒng),水平檔距為l的導(dǎo)線,軸線和垂直方向的荷載Wx(N)和Gc分別為:

Wx=0.625α·β·μz·μSC·d·lH·V2·sin2θ

(2)

Gc=lvqn+G1+G2

(3)

式中:μSC、μz、α和β分別為導(dǎo)線的體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)壓不均勻系數(shù)和風(fēng)載調(diào)整系數(shù);d為導(dǎo)線的外徑,m;lH為導(dǎo)線長度,m;θ為風(fēng)和導(dǎo)線的夾角;q為導(dǎo)線單位長度的重力;n為分裂導(dǎo)線的根數(shù);G1和G2為絕緣子、金具、防振錘和重錘等產(chǎn)生的重力;lv為導(dǎo)線的垂直檔距[6]。

以寧夏某220 kV 46#～52#段輸電線路為例(見圖1),桿塔平均呼高為21 m,46#和52#為耐張塔,其余為直線塔。導(dǎo)線為JL/G1A-400/35,復(fù)合絕緣子為FXBW-220/100。

圖1 220 kV 46#～52#段示意圖

利用ABAQUS軟件建立復(fù)合絕緣子有限元力學(xué)仿真計(jì)算模型,將導(dǎo)線自重及風(fēng)荷載對復(fù)合絕緣子串的作用力直接作用在復(fù)合絕緣子串下端,用于模擬復(fù)合絕緣子串的梁單元如圖2所示,得到不同風(fēng)速下7個桿塔處復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度如圖3所示。

圖2 復(fù)合絕緣子集中載荷風(fēng)偏計(jì)算模型

圖3 不同風(fēng)速下復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度(集中載荷)

對比桿塔46#～52#段復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度可得:整體上,7個桿塔處復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度均隨著風(fēng)速的上升而非線性增大,在15 m/s風(fēng)速以下,風(fēng)偏角增長速率較小,15～20 m/s區(qū)間內(nèi)風(fēng)偏角增長速率最快;位于中間位置的47#～51#段,檔距相差小,計(jì)算所得風(fēng)偏角度差異也較小。

1.2 導(dǎo)線-復(fù)合絕緣子耦合有限元模型

利用ANSYS軟件建立六垮導(dǎo)線-復(fù)合絕緣子耦合仿真計(jì)算模型,根據(jù)迭代找形法[19],當(dāng)仿真所獲導(dǎo)線張力和實(shí)測張力接近時,表示模型收斂,獲得如圖4所示的導(dǎo)線初始位置。改變風(fēng)速,根據(jù)式(1) 、(2)對導(dǎo)線及復(fù)合絕緣子施加風(fēng)荷載,得到不同風(fēng)速下導(dǎo)線及絕緣子風(fēng)偏變形結(jié)果及風(fēng)偏角度如圖4和5所示。

圖4 導(dǎo)線及復(fù)合絕緣子風(fēng)偏變形

圖5 不同風(fēng)速下復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度(分布載荷)

2 集中載荷法和分布載荷法對比

根據(jù)電力工程設(shè)計(jì)手冊[1],剛性直棒法和弦多邊形法是電力設(shè)計(jì)工程上常用的2種風(fēng)偏角經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法。剛性直棒法即本文采用的集中載荷法。弦多邊形法將整個絕緣子串等效為剛體長鏈,通過計(jì)算懸垂絕緣子串的水平及垂直投影長度獲得風(fēng)偏角。目前,張志勁等[6-7,20-21]廣泛采用有限元法研究絕緣子風(fēng)偏特性。為比較有限元法(分布載荷法)相對于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法的準(zhǔn)確性,本文將集中載荷法和分布載荷法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。

以50#桿塔處復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角對比,可以發(fā)現(xiàn):

1) 2種方法所得絕緣子風(fēng)偏角度均隨著風(fēng)速的增大而增大,在風(fēng)速較小時,集中載荷法所得風(fēng)偏角度相對分布載荷法偏大,隨著風(fēng)速的增大,集中載荷法所得值偏小;

2) 在風(fēng)速較小和風(fēng)速較大區(qū)域內(nèi),即V≤15 m/s和V≥30 m/s范圍內(nèi),集中載荷法所得風(fēng)偏角度和分布載荷法相近,10、15、30和32 m/s 4種風(fēng)速條件下,2種方法的誤差分別是13.18%、12.89%、6.95%和0.62%。

3) 在15 m/s

4) 根據(jù)上述結(jié)論,在線路設(shè)計(jì)過程中,線路風(fēng)偏最小氣隙間距不能僅以集中載荷法作為參考,應(yīng)考慮風(fēng)載荷分布特性的影響,即應(yīng)引入有限元法對風(fēng)偏氣隙間距的合理性進(jìn)行校驗(yàn)。

圖6 2種風(fēng)偏計(jì)算方法對比

3 防風(fēng)偏措施效果對比

3.1 八字串和V字串

八字串和V字串復(fù)合絕緣子串類似于兩根成角的懸垂絕緣子串,上端分別與桿塔連接點(diǎn)鉸接,下端與連接金具鉸接。在上述導(dǎo)線+復(fù)合絕緣子耦合模型基礎(chǔ)上增加一串絕緣子,形成八字串和V字串型,得到模型如圖7所示。

圖7 八字串和V字串防風(fēng)偏有限元模型

以桿塔50#為例,不同風(fēng)速下八字和V字復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏角度如圖8和9所示,可以看到:

1) 同等風(fēng)速條件下,八字串復(fù)合絕緣子夾角γ越大,風(fēng)偏角越小。

2) 對比懸垂復(fù)合絕緣子串計(jì)算結(jié)果,改裝八字串后的風(fēng)偏角度和改裝前差異較小,相同條件下懸垂復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏角度和改裝后八字復(fù)合絕緣子串在夾角γ=60°條件下極為接近,平均誤差為4.96%。

3) 相對于懸垂串,八字型復(fù)合絕緣子串雖然風(fēng)偏角度近似相等,但其等效長度更短,風(fēng)偏位移更小,在復(fù)合絕緣子夾角γ=60°時,八字型復(fù)合絕緣子串的風(fēng)偏位移降低14%。

圖8 不同風(fēng)速下八字復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏角度

圖9 不同風(fēng)速下V字復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏角度

V字串的防風(fēng)偏效果較好,不同夾角條件下的風(fēng)偏角相對于懸垂串平均降低99.9%,即可認(rèn)為V字復(fù)合絕緣子串無風(fēng)偏角。當(dāng)夾角較大時,迎風(fēng)側(cè)絕緣子串受到的拉力較大,背風(fēng)側(cè)絕緣子串受到的是壓力,考慮到背風(fēng)側(cè)絕緣子串受壓力過大時易脫鉤滑落、鐵塔自身?xiàng)l件限制與線路走廊問題,所以V字復(fù)合絕緣子串夾角不宜過大。其次,考慮V字串占用寬度大,僅適宜安裝在中相,不適合安裝在邊相。

3.2 拉線和重錘

用拉線方式進(jìn)行風(fēng)偏防治的思想與V字串一致,即通過限制導(dǎo)線掛點(diǎn)處的自由度從而防治風(fēng)偏。拉線一般由絕緣子串與鋼絞線組成,鋼絞線一端固定在地面上,與絕緣子串所在豎直方向成一夾角。拉線有限元模型及不同拉線角度下復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏位移如圖10和圖11所示,計(jì)算結(jié)果顯示:

1) 拉線的防風(fēng)偏效果顯著。當(dāng)風(fēng)速為 20 m/s時,相對于無拉線,傾角為0、15、30、45°的拉線可使得復(fù)合絕緣子風(fēng)偏位移分別降低63.9%、74.1%、86.1%和89.8%,當(dāng)風(fēng)速增大到30 m/s時,這一數(shù)值變?yōu)榱?5.32%、72.83%、83.24%和86.13%。

2) 在相同風(fēng)速條件下,隨著拉線與豎直方向的夾角α的增大,復(fù)合絕緣子風(fēng)偏位移逐漸減小。在30 m/s風(fēng)速條件下,α=0°和α=45°的防風(fēng)偏位移效果相差了20.8%;

3) 拉線傾角的增大可增強(qiáng)其防風(fēng)偏效果,但也會增大拉線的占地寬度。α=45°相對于α=0°拉線占地寬度增大了21 m,占地寬度成幾何級數(shù)增加,在不同地域采用拉線防風(fēng)偏時,應(yīng)折衷考慮占地和防風(fēng)偏效果的關(guān)系。

圖10 拉線有限元模型

圖11 不同拉線角度下復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏位移

重錘是利用增加復(fù)合絕緣子串整體質(zhì)量的方法減小其風(fēng)偏角度。不同重錘質(zhì)量下復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏位移如圖12所示。仿真結(jié)果顯示:

1) 2種風(fēng)速條件下,相對于無重錘,施加重錘后,桿塔47#～51#處復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度均有所降低,且重錘質(zhì)量越大,風(fēng)偏角度減少越多。

2) 不同質(zhì)量重錘條件下,風(fēng)偏角下降幅度均十分有限,以60 kg重錘為例,桿塔47#～51#處復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角度在30 m/s條件下平均減少了1.31°。風(fēng)偏位移量相對于無重錘平均下降了3.3 cm,總體風(fēng)偏位移降低了1.96%,抑制風(fēng)偏效果十分有限。

圖12 不同重錘質(zhì)量下復(fù)合絕緣子串風(fēng)偏位移

4 結(jié)束語

本課題組針對220 kV復(fù)合絕緣子及導(dǎo)線系統(tǒng)風(fēng)偏及防風(fēng)偏措施展開仿真計(jì)算研究,基于有限元軟件建立了集中載荷及分布載荷模型,對比了不同防風(fēng)措施防風(fēng)效果。研究結(jié)果表明:在不同風(fēng)速范圍內(nèi),使用集中載荷法和分布載荷法所得復(fù)合絕緣子風(fēng)偏結(jié)果的差異明顯,尤其在極端風(fēng)速條件下,兩者方法差別達(dá)到48.57%。因此,在工程風(fēng)偏校驗(yàn)中不能僅以集中載荷法結(jié)果為參考,需考慮風(fēng)荷載的分布特性。

基于上述結(jié)論,本課題組采用分布載荷法對比了“八字串”“V字串”“拉線”及“重錘”4種典型的復(fù)合絕緣子防風(fēng)偏效果。結(jié)果表明:

對比單個懸垂串,V字串防風(fēng)偏效果最好,同等條件下風(fēng)偏角下降99.9%。

八字與懸垂復(fù)合絕緣子串在同等條件下的風(fēng)偏角度差異僅為4.96%,主要依靠等效串長的縮短抑制風(fēng)偏位移。

拉線的防風(fēng)偏效果顯著,復(fù)合絕緣子風(fēng)偏位移隨拉線傾角的增大而降低63.9%～86.13%不等。

重錘利用增加復(fù)合絕緣子串整體質(zhì)量的方法減小其風(fēng)偏角度,質(zhì)量為60 kg重錘可在30 m/s風(fēng)速下降低復(fù)合絕緣子風(fēng)偏位移1.96%,抑制風(fēng)偏效果十分有限,在實(shí)踐中應(yīng)配合其他措施使用。

本文以寧夏某輸電線路風(fēng)偏、風(fēng)害集中區(qū)域的工程實(shí)踐為背景,以復(fù)合絕緣子風(fēng)偏為對象,通過建立有限元數(shù)值計(jì)算模型,明確了工程上常用的集中載荷法的弊端。在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值計(jì)算對比分析了4種典型防風(fēng)偏措施的效果差異,解決了工程上風(fēng)偏措施的盲目性選擇問題,為絕緣子風(fēng)偏防治提供了理論依據(jù)。