三相特高压输电线路相地间隔棒防舞仿真分析

向 玲,唐 亮,卢 明,杨晓辉

(1.华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071000; 2.国网“输电线路舞动防治技术”重点实验室,郑州 450052; 3.国网河南省电力公司 电力科学研究院,郑州 450052)

国家自然科学基金资助项目(51675178)

向 玲(1971—),女,教授,博士后.E-mail:ncepuxl@163.com

三相特高压输电线路相地间隔棒防舞仿真分析

向 玲1,唐 亮1,卢 明2,3,杨晓辉2,3

(1.华北电力大学 机械工程系,河北 保定 071000; 2.国网“输电线路舞动防治技术”重点实验室,郑州 450052; 3.国网河南省电力公司 电力科学研究院,郑州 450052)

相地间隔棒是一种新型的输电线路防舞装置.针对三相特高压线路舞动防治的研究现状,展开了三相常规特高压输电线路舞动和相地间隔棒防舞的仿真研究.建立了单档三角形布置三相特高压输电线路和相地间隔棒的有限元模型;模拟导线舞动时程,通过舞动位移响应、舞动轨迹及位移频谱分析特高压线路的舞动特性;从线路舞动过程中的位移、轨迹以及张力等方面对比安装相地间隔棒前后线路的舞动响应.分析结果表明,舞动对线路的危害极大,安装相地间隔棒能够对特高压线路起到明显的抑舞作用.仿真结论对三相特高压输电线路舞动防治和相地间隔棒防舞实验研究有重要指导意义.

输电线路; 防舞; 相地间隔棒; 仿真分析

舞动是不均匀覆冰导线在自然风的作用下产生的一种低频率(约为0.1～3 Hz)、大振幅(约为导线直径的5～300倍)的自激振动[1].国民经济的快速发展使得电网规模发展迅速,同时近年来极端恶劣天气频繁出现,致使输电线路发生舞动的频率明显增加,危害程度也有所增大,轻则相间闪络、损坏地线和导线、金具及部件,重则线路跳闸停电、断线倒塔等[2-4],严重威胁到电网的安全稳定运行,造成重大经济损失.

目前,我国正处于特高压电网快速发展建设期[5],截至2014年底,国网范围特高压交流1 000 kV输电线路的长度为3 099.327 km,±800 kV直流特高压输电线路的长度为7 793.029 km,而这些线路部分或全部处于一条南起湖南,北至吉林的漫长“舞动带”中.这条区域内的输电线路在气象因素满足了起舞的基本条件后会诱发导线舞动[6-7].保障特高压输电线路的安全可靠运行,打造坚强电网已经成为电力工业发展中的重要问题.

但是,目前针对特高压输电线路开展的舞动研究仍然较少.国网电力科学研究院的胡霁等[8]针对特高压紧凑型输电线路进行舞动分析计算,讨论了舞动对特高压线路最小相间距离的影响;清华大学王黎明等[9]针对特高压线路进行了相间间隔棒的力学特性和配置分析;中国电力科学研究院的任西春等[10]对具有防舞功能的线夹回转式防舞间隔棒进行了建模计算分析.上述研究大多针对特高压紧凑型线路展开,针对常规特高压线路的舞动研究和防舞应用仍然较少,为了最大限度地减少舞动给电力系统和国民经济带来的损失,保障电力系统安全可靠的运行,提出合理有效的抑舞措施,结合数值仿真对防舞装置进行综合评价,不仅具有重大的理论意义,还具有显著的经济和社会价值[11].

相地间隔棒是由国网“输电线路舞动防治技术”重点实验室提出的一种针对超、特高压线路的新型防舞动装置,通过在真型试验线路上的长期挂线试验,已经证明其在防舞动领域具有有效性和优越性.但相地间隔棒在具体三相线路上的防舞研究需要进一步开展.

相地间隔棒主体结构采用复合绝缘子,其特殊之处在于将间隔棒安装于相导线与地(或其他与地等电位的固定绝缘体)之间,即间隔棒一端安装于分裂导线,一端通过水泥浇筑的地锚接地,作为舞动时的约束点.考虑到接地长度较长而绝缘距离足够,因此，可采用部分主体结构与绝缘绳或其他柔性连接组成.

本文建立了三相特高压八分裂线路和相地间隔棒的有限元模型,模拟导线的舞动时程,从舞动幅值、舞动位移频谱等方面分析了特高压线路的舞动特性,并模拟验证了相地间隔棒对特高压线路舞动的抑制效果.

1 舞动机理和气动激励

导线舞动的基本动力学方程为

(1)

式中:M为单元质量矩阵;K和C分别为单元刚度和阻尼矩阵;F是单元的载荷向量.在舞动时程的模拟过程中,单元所受载荷包括静载荷和动载荷两部分,动载荷主要为空气动力载荷[12-13],如图1所示.

图1 导线截面所受气动力及风攻角示意图Fig.1Aerodynamic force and wind attackangle of conductor section

由图1可知,当导线扭转时,由导线的横风向及扭转振动产生的角度β可表示为

(2)

(3)

根据现有的舞动激发机理[14],当水平风速大小为U时,单位导线所受的空气动力载荷主要为与风速方向垂直的升力fL、与风速方向平行的气动阻力fD和扭转力fM:

(4)

(5)

(6)

式中:ρ为气流密度;D为导线直径;CD,CL和CM分别为导线的阻力、升力和扭矩系数,均为风攻角的函数.如图1所示,将气动力fD,fL,fM分别转换到固定坐标系中,可得y,z方向和扭转方向的气动力分别为[15-16]

Fy=fLcosβ-fDsinβ

Fz=fLsinβ+fDcosβ

FM=fM

(7)

建立单档三角形布置特高压八分裂线路的有限元模型,档距为540 m,导线采用索单元模拟,梁单元模拟子间隔棒并进行非线性静平衡分析.为方便论述,三相导线从左至右分别编号A,B和C.

本文中采用的气动力参数,由在浙江大学边界层风洞实验室进行的覆冰八分裂导线气动特性风洞实验中获得.程序中按照D型覆冰八分裂导线整体气动参数进行计算[17].定义分裂导线的整体阻力系数和升力系数如下:

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

整体扭矩MN(t)由3个部分组成,分别表示为

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

2 无防舞装置时的舞动特性

仿真过程中,先采用固定风速10 m/s,分别计算每个载荷步下每个单元的迎风攻角;然后按照上述各式计算相应的气动力进行加载;最后得到整个舞动时程中导线的响应.值得注意的是,在未安装防舞装置时,A,B,C三相导线由于结构和约束情况差异不大,因此舞动过程相似,仅表现为相位上的差异,整体趋势一致.由于篇幅有限只给出A相导线的舞动的位移时程和轨迹.图2和图3分别为未安装防舞装置时A相导线舞动过程中,档距中点的位移时程和舞动轨迹.

图2 A相导线档距中点位移时程Fig.2Time histories of displacements at middlepoint of conductor phase A

图3 A相导线中点的舞动轨迹Fig.3Galloping trajectory at middle pointof conductor phase A

从图2和图3可以看出,舞动以竖直方向为主,初期导线在平衡位置附近呈小振幅的摆动,由于风能的积累和空气负阻尼的作用,水平方向振幅逐渐减小;同时,垂直方向振幅增大,最终受系统阻尼影响而逐渐趋于稳定.这与目前舞动研究领域普遍认同的舞动机理所描述的舞动形态是吻合的,即舞动是一个逐渐形成的过程,这也从侧面证明了仿真过程的正确性.

为分析无防舞装置时八分裂导线的舞动特性,首先进行其动力特性的分析,计算得到A相导线垂直、水平方向的低阶模态和固有频率,如表1所示.

表1 A相导线的模态特征Tab.1 Modal characteristics of conductor phase A

进一步通过位移频谱分析导线的舞动特性.垂直位移和水平位移对应的频谱如图4所示,可以看出在垂直位移频谱中,接近垂直方向的3个半波固有频率0.312 Hz处有明显的峰值;在水平位移频谱中,接近水平方向的1个半波固有频率0.119 Hz处有明显峰值,表明八分裂线路在垂直方向的振动以3半波为主,在水平方向的振动以单半波为主,舞动模式为垂直方向的3半波舞动.

图4 位移频谱图Fig.4 The displacement spectrum

3 防舞装置应用仿真

为起到最佳抑舞效果的同时最大限度节约成本,即三相线路共用一基地锚,采用逆风向的安装方案[18],每支相地间隔棒拉线与地面角度控制在45°～60°范围内,在水平面的投影与风向平行.如图5所示,1为八分裂导线,2为绝缘子,3为相地间隔棒与导线的连接处,地锚5与导线通过相地间隔棒4相连.在本模型中,根据上述舞动特性分析的结论,在档距的1/6,1/2,5/6 三点处安装共9支相地间隔棒,地锚采用固定约束模拟.

图5 安装相地间隔棒后的模型简图Fig.5 Simulation model after installation

图6～图8为安装相地间隔棒后三相导线舞动的位移时程,图9～图11为对应的档距中点的舞动轨迹.可以看出,安装后,线路舞动的幅值明显减小,其中A,C两相导线在经历短暂的震荡后振动基本趋于停止,B相导线振动幅值相对较大,但远小于未安装时的振幅,且振动呈现逐渐减小的趋势.

图6 安装后A相导线档距中点的位移时程Fig.6Time histories of displacements at middlepoint of phase A after installation

图7 安装后B相导线档距中点的位移时程Fig.7Time histories of displacements at middlepoint of phase B after installation

图8 安装后C相导线档距中点的位移时程Fig.8Time histories of displacements at middlepoint of phase C after installation

图9 安装后A相导线中点的舞动轨迹Fig.9Galloping trajectory at middle point ofphase conductor A after installation

图10 安装后B相导线中点的舞动轨迹Fig.10Galloping trajectory at middle point ofphase conductor B after installation

图11 安装后C相导线中点的舞动轨迹Fig.11Galloping trajectory at middle point ofphase conductor C after installation

对以往因舞动而破坏的线路金具进行理化检测表明,交变应力是导致其破坏的主要原因,因此,有必要对线路的动态张力进行分析.表2为相地间隔棒安装前后各相导线张力的统计参数,未安装时,张力波动较大,最大值约为均值的142%,舞动对线路破坏严重;安装后,线路张力的均值变化不大,同时,标准差分别较未安装时降低了91%,84%和91%,最大值减小,最小值增大.因此，装相地间隔棒后线路受到的交变应力明显减小,再次证明课题组提出的相地间隔棒及其配置方案可以明显起到抑制舞动作用.

表2 相地间隔棒安装前后导线张力的统计参数Tab.2 Simulation statistical parameters of tension of line before and after installing the phase to ground spacer

4 结论

国民经济和电网规模的快速发展对特高压线路的安全运行提出了更高的要求,特高压线路的防舞动研究与治理具有必要性和紧迫性.本文建立了三相特高压线路和相地间隔棒的有限元模型,仿真和分析了线路的舞动.从仿真舞动的幅值、轨迹、张力等角度分析了相地间隔棒防舞装置的抑舞效果.得出以下结论:

(1) 特高压线路在垂直方向的振动以3半波为主,在水平方向的振动以单半波为主,舞动模式为垂直方向的3半波舞动;

(2) 未安装相地间隔棒时,特高压线路动态张力波动较大,最大张力值可以达到均值的142%,可见舞动产生的巨大能量以及对线路的破坏;

(3) 安装相地间隔棒后,各相线路张力的均值变化不大,同时,标准差分别较未安装时降低了91%,84%和91%,舞动的幅值明显减小,线路受到的交变应力远小于未安装时情况,相地间隔棒对特高压输电线路的舞动具有明显的抑制作用.

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Simulationofphase-to-groundspacerforthree-phaseUHVtransmissionline’santi-galloping

XIANGLing1,TANGLiang1,LUMing2,3,YANGXiaohui2,3

(1.Department of Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071000, Hebei, China; 2.State Grid Key Laboratory of Power Overhead Transmission Line Galloping Prevention Technique,Zhengzhou 450052, China; 3.Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company,Zhengzhou 450052, China)

Phase-to-ground spacer is a new anti-galloping device,this paper develops simulation research for three-phase ultra high voltage (UHV) transmission line’s anti-galloping.Firstly build the finite element model of phase-to-ground spacer and three-phase UHV transmission line,simulate galloping process of the line,analyse the characteristic of conductor’s galloping by the displacement responses,galloping trajectory and galloping spectrum.Then carry out comparative analysis about the line’s galloping response before and after the anti-galloping devices’ installation according to displacement,trajectory and tention.The result shows that galloping caused great damage for transmission line,at the same time,phase-to-ground spacer works well for anti-galloping.The results provide great significance for three-phase UHV transmission line’s anti-galloping technology and experiment study on the phase-to-ground spacer’ anti-galloping.

transmission line; anti-galloping; phase-to-ground spacer; simulation and analysis

TM 75

A

1672-5581(2017)04-0298-07