220 kV复合绝缘子防风偏仿真计算研究

徐兆国,王 涛,刘宁波,张振华,董慎学

(国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司, 宁夏 石嘴山 753000)

0 引言

在“西电东送”“藏电东送”等国家重大工程的推动下,我国输电线路规模不断扩大[1-2],使得线路不可避免地经过一些大风日多、风速快速增加的微地形、微气象地区,增大了风偏事故发生的概率。其次,复合绝缘子由于体积小、机械强度大等优点被广泛运用,但复合绝缘子结构长、质量轻,在风的作用下易发生摆动,使得复合绝缘子串的风偏闪络事故频发,严重影响输电线路的安全运行[3-5]。

为揭示复合绝缘子风偏闪络机制并提出高效的防风偏措施,国内外学者做了大量研究。由于输电线路跨度广,现场试验开展困难,当前对风偏的研究主要依赖缩比模型的风洞试验及ABAQUS、ANSYS等有限元仿真计算软件。在建模方式上,国内外学者采用的方法并不统一,张志劲等[6-7]均采用杆塔-导线-绝缘子串三者耦合的方式建立有限元模型。Liu等[8]和楼文娟等[9]忽略杆塔的影响,通过导线耦合绝缘子建立了有限元力学模型。

Haitham等[10]通过导线和绝缘子的力矩平衡关系以及与导线长度的关系,推导绝缘子3个方向反力和位移分量的耦合方程,得到了导线任意分布模式下的张力和位移半解析解,但过程较复杂。周超等[11]利用有限元仿真计算软件分析不同风载荷作用下V字复合绝缘子串的力学特性,重点分析了其迎风侧和背风侧绝缘子受力及变形特性。向亚超等[12]通过弧长法对风荷载作用下复合绝缘子进行大挠度后的屈曲分析,为V字复合绝缘子夹角设计提出了指导意见。

刘竹丽等[13]根据流场仿真分析了迎风侧导线对背风侧导线的风压屏蔽作用,通过建立 500 kV紧凑型输电线路有限元模型,研究了导线的非同期摇摆过程,提出可通过安装相间间隔棒提高线路防风偏性能。

在风偏角计算上,李黎等[14]通过导线耦合绝缘子串建立力学分析模型,根据仿真结果得到了高差修正系数(反映耦合作用),并提出了刚性直棒法修正公式,提高了线路风偏角计算精度。楼文娟等[15]通过建立四跨导线-绝缘子串有限元模型研究了线路结构参数对风偏角度的影响,结果显示:呼高低的杆塔处于风偏不利位置,相对于档距变化,风偏角对挂点高低更为敏感。

在风偏防治措施上,龚坚刚等[16]发现在采用宽塔身外侧跳线将双串、单串扁担改为双串加扁担等方式后,风偏闪络仍时有发生,建议增加足量的重锤片数使得跳线绝缘子串在无风状态下有5～10°预偏。雷添等[17-18]基于运行实践经验提出输电线路防风偏可采用增加悬垂串串重、缩短悬垂串长度、减小导线线径、增设防风拉线等措施。

上述研究成果为揭示输电线路风偏机理、指导线路防风实践积累了宝贵的经验。当前防风偏措施众多,主要基于运行人员的工程经验,缺乏理论对比。本文以宁夏某风害集中区域220 kV输电线路为研究对象,建立六垮导线-复合绝缘子耦合有限元计算模型,并与集中载荷法进行对比,分析2种方法下复合绝缘子风偏角差异。其次,基于该模型数值化对比分析了八字串、V形串、拉线和重锤防风偏措施的效果,从而为该地区220 kV复合绝缘子串的防风偏工作提供技术参考。

1 复合绝缘子风偏角度计算模型

1.1 集中载荷法

将风速转换为载荷施加绝缘子串模型上,已知规范中绝缘子串受风荷载FI计算公式。

(1)

式中:N为绝缘子片数;V为10 min内测量获得的平均风速,m/s;AI为单片绝缘子的在迎风面的投影面积,m2。对于悬垂复合绝缘子串和导线的耦合系统,水平档距为l的导线,轴线和垂直方向的荷载Wx(N)和Gc分别为:

Wx=0.625α·β·μz·μSC·d·lH·V2·sin2θ

(2)

Gc=lvqn+G1+G2

(3)

式中:μSC、μz、α和β分别为导线的体型系数、风压高度变化系数、风压不均匀系数和风载调整系数;d为导线的外径,m;lH为导线长度,m;θ为风和导线的夹角;q为导线单位长度的重力;n为分裂导线的根数;G1和G2为绝缘子、金具、防振锤和重锤等产生的重力;lv为导线的垂直档距[6]。

以宁夏某220 kV 46#～52#段输电线路为例(见图1),杆塔平均呼高为21 m,46#和52#为耐张塔,其余为直线塔。导线为JL/G1A-400/35,复合绝缘子为FXBW-220/100。

图1 220 kV 46#～52#段示意图

利用ABAQUS软件建立复合绝缘子有限元力学仿真计算模型,将导线自重及风荷载对复合绝缘子串的作用力直接作用在复合绝缘子串下端,用于模拟复合绝缘子串的梁单元如图2所示,得到不同风速下7个杆塔处复合绝缘子风偏角度如图3所示。

图2 复合绝缘子集中载荷风偏计算模型

图3 不同风速下复合绝缘子风偏角度(集中载荷)

对比杆塔46#～52#段复合绝缘子风偏角度可得:整体上,7个杆塔处复合绝缘子风偏角度均随着风速的上升而非线性增大,在15 m/s风速以下,风偏角增长速率较小,15～20 m/s区间内风偏角增长速率最快;位于中间位置的47#～51#段,档距相差小,计算所得风偏角度差异也较小。

1.2 导线-复合绝缘子耦合有限元模型

利用ANSYS软件建立六垮导线-复合绝缘子耦合仿真计算模型,根据迭代找形法[19],当仿真所获导线张力和实测张力接近时,表示模型收敛,获得如图4所示的导线初始位置。改变风速,根据式(1) 、(2)对导线及复合绝缘子施加风荷载,得到不同风速下导线及绝缘子风偏变形结果及风偏角度如图4和5所示。

图4 导线及复合绝缘子风偏变形

图5 不同风速下复合绝缘子风偏角度(分布载荷)

2 集中载荷法和分布载荷法对比

根据电力工程设计手册[1],刚性直棒法和弦多边形法是电力设计工程上常用的2种风偏角经验计算方法。刚性直棒法即本文采用的集中载荷法。弦多边形法将整个绝缘子串等效为刚体长链,通过计算悬垂绝缘子串的水平及垂直投影长度获得风偏角。目前,张志劲等[6-7,20-21]广泛采用有限元法研究绝缘子风偏特性。为比较有限元法(分布载荷法)相对于经验计算方法的准确性,本文将集中载荷法和分布载荷法的计算结果进行了对比。

以50#杆塔处复合绝缘子风偏角对比,可以发现:

1) 2种方法所得绝缘子风偏角度均随着风速的增大而增大,在风速较小时,集中载荷法所得风偏角度相对分布载荷法偏大,随着风速的增大,集中载荷法所得值偏小;

2) 在风速较小和风速较大区域内,即V≤15 m/s和V≥30 m/s范围内,集中载荷法所得风偏角度和分布载荷法相近,10、15、30和32 m/s 4种风速条件下,2种方法的误差分别是13.18%、12.89%、6.95%和0.62%。

3) 在15 m/s

4) 根据上述结论,在线路设计过程中,线路风偏最小气隙间距不能仅以集中载荷法作为参考,应考虑风载荷分布特性的影响,即应引入有限元法对风偏气隙间距的合理性进行校验。

图6 2种风偏计算方法对比

3 防风偏措施效果对比

3.1 八字串和V字串

八字串和V字串复合绝缘子串类似于两根成角的悬垂绝缘子串,上端分别与杆塔连接点铰接,下端与连接金具铰接。在上述导线+复合绝缘子耦合模型基础上增加一串绝缘子,形成八字串和V字串型,得到模型如图7所示。

图7 八字串和V字串防风偏有限元模型

以杆塔50#为例,不同风速下八字和V字复合绝缘子串风偏角度如图8和9所示,可以看到:

1) 同等风速条件下,八字串复合绝缘子夹角γ越大,风偏角越小。

2) 对比悬垂复合绝缘子串计算结果,改装八字串后的风偏角度和改装前差异较小,相同条件下悬垂复合绝缘子串风偏角度和改装后八字复合绝缘子串在夹角γ=60°条件下极为接近,平均误差为4.96%。

3) 相对于悬垂串,八字型复合绝缘子串虽然风偏角度近似相等,但其等效长度更短,风偏位移更小,在复合绝缘子夹角γ=60°时,八字型复合绝缘子串的风偏位移降低14%。

图8 不同风速下八字复合绝缘子串风偏角度

图9 不同风速下V字复合绝缘子串风偏角度

V字串的防风偏效果较好,不同夹角条件下的风偏角相对于悬垂串平均降低99.9%,即可认为V字复合绝缘子串无风偏角。当夹角较大时,迎风侧绝缘子串受到的拉力较大,背风侧绝缘子串受到的是压力,考虑到背风侧绝缘子串受压力过大时易脱钩滑落、铁塔自身条件限制与线路走廊问题,所以V字复合绝缘子串夹角不宜过大。其次,考虑V字串占用宽度大,仅适宜安装在中相,不适合安装在边相。

3.2 拉线和重锤

用拉线方式进行风偏防治的思想与V字串一致,即通过限制导线挂点处的自由度从而防治风偏。拉线一般由绝缘子串与钢绞线组成,钢绞线一端固定在地面上,与绝缘子串所在竖直方向成一夹角。拉线有限元模型及不同拉线角度下复合绝缘子串风偏位移如图10和图11所示,计算结果显示:

1) 拉线的防风偏效果显著。当风速为 20 m/s时,相对于无拉线,倾角为0、15、30、45°的拉线可使得复合绝缘子风偏位移分别降低63.9%、74.1%、86.1%和89.8%,当风速增大到30 m/s时,这一数值变为了65.32%、72.83%、83.24%和86.13%。

2) 在相同风速条件下,随着拉线与竖直方向的夹角α的增大,复合绝缘子风偏位移逐渐减小。在30 m/s风速条件下,α=0°和α=45°的防风偏位移效果相差了20.8%;

3) 拉线倾角的增大可增强其防风偏效果,但也会增大拉线的占地宽度。α=45°相对于α=0°拉线占地宽度增大了21 m,占地宽度成几何级数增加,在不同地域采用拉线防风偏时,应折衷考虑占地和防风偏效果的关系。

图10 拉线有限元模型

图11 不同拉线角度下复合绝缘子串风偏位移

重锤是利用增加复合绝缘子串整体质量的方法减小其风偏角度。不同重锤质量下复合绝缘子串风偏位移如图12所示。仿真结果显示:

1) 2种风速条件下,相对于无重锤,施加重锤后,杆塔47#～51#处复合绝缘子风偏角度均有所降低,且重锤质量越大,风偏角度减少越多。

2) 不同质量重锤条件下,风偏角下降幅度均十分有限,以60 kg重锤为例,杆塔47#～51#处复合绝缘子风偏角度在30 m/s条件下平均减少了1.31°。风偏位移量相对于无重锤平均下降了3.3 cm,总体风偏位移降低了1.96%,抑制风偏效果十分有限。

图12 不同重锤质量下复合绝缘子串风偏位移

4 结束语

本课题组针对220 kV复合绝缘子及导线系统风偏及防风偏措施展开仿真计算研究,基于有限元软件建立了集中载荷及分布载荷模型,对比了不同防风措施防风效果。研究结果表明:在不同风速范围内,使用集中载荷法和分布载荷法所得复合绝缘子风偏结果的差异明显,尤其在极端风速条件下,两者方法差别达到48.57%。因此,在工程风偏校验中不能仅以集中载荷法结果为参考,需考虑风荷载的分布特性。

基于上述结论,本课题组采用分布载荷法对比了“八字串”“V字串”“拉线”及“重锤”4种典型的复合绝缘子防风偏效果。结果表明:

对比单个悬垂串,V字串防风偏效果最好,同等条件下风偏角下降99.9%。

八字与悬垂复合绝缘子串在同等条件下的风偏角度差异仅为4.96%,主要依靠等效串长的缩短抑制风偏位移。

拉线的防风偏效果显著,复合绝缘子风偏位移随拉线倾角的增大而降低63.9%～86.13%不等。

重锤利用增加复合绝缘子串整体质量的方法减小其风偏角度,质量为60 kg重锤可在30 m/s风速下降低复合绝缘子风偏位移1.96%,抑制风偏效果十分有限,在实践中应配合其他措施使用。

本文以宁夏某输电线路风偏、风害集中区域的工程实践为背景,以复合绝缘子风偏为对象,通过建立有限元数值计算模型,明确了工程上常用的集中载荷法的弊端。在此基础上通过数值计算对比分析了4种典型防风偏措施的效果差异,解决了工程上风偏措施的盲目性选择问题,为绝缘子风偏防治提供了理论依据。