220kV輸電線路風(fēng)偏數(shù)值模擬研究

楊秀友

(國網(wǎng)武漢供電公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對電力能源的需求逐漸增長，國家電網(wǎng)公司加快了對輸電線路的大規(guī)模建設(shè)［1］，然而由于輸電線路是長期暴露在自然界的人工構(gòu)筑物，因此其在風(fēng)力作用下發(fā)生風(fēng)偏現(xiàn)象對輸電線路的安全運(yùn)行影響極大。

國內(nèi)外很早就開展了關(guān)于輸電線路風(fēng)偏現(xiàn)象的研究，例如文獻(xiàn)［2］就以一起大同電網(wǎng)發(fā)生的較為罕見的220kV線路兩相風(fēng)偏掉閘故障為例，對引起輸電線路發(fā)生風(fēng)偏現(xiàn)象的多方面原因進(jìn)行了分析和探討，依據(jù)分析的結(jié)果和建議提出了輸電線路預(yù)防和抑制風(fēng)偏的一些措施和策略。關(guān)于輸電線路風(fēng)偏故障應(yīng)對措施方面的研究，文獻(xiàn)［3］結(jié)合一些輸電線路跳閘統(tǒng)計情況從風(fēng)偏發(fā)生的機(jī)理、天氣、地理環(huán)境、線路本體設(shè)計等多方面原因綜合分析了風(fēng)偏故障的成因，依據(jù)風(fēng)偏防治的原則和規(guī)范給出了相應(yīng)的風(fēng)偏故障防范措施，并結(jié)合相關(guān)的電網(wǎng)事故案例對輸電線路風(fēng)偏防治的現(xiàn)行狀況提出了進(jìn)一步的整改措施。由于輸電線路會頻繁發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)事故，因此文獻(xiàn)［4］分析了風(fēng)偏閃絡(luò)的特點(diǎn)和原因，從風(fēng)偏角計算中分析各因素對計算值的影響，結(jié)果表明風(fēng)速、風(fēng)壓不均勻系數(shù)、風(fēng)向與導(dǎo)線軸向夾角以及風(fēng)壓高度變化系數(shù)都對風(fēng)偏角有不同程度的影響。風(fēng)速是輸電線路風(fēng)偏現(xiàn)象主要的影響因素，文獻(xiàn)［5］認(rèn)為輸電線路在強(qiáng)烈大風(fēng)影響下導(dǎo)線會發(fā)生嚴(yán)重的不同期擺動導(dǎo)致導(dǎo)線相間距離減小甚至發(fā)生相間擊穿，對輸電線路的運(yùn)行產(chǎn)生了極大的威脅，因此采用了一個3自由度多檔動態(tài)模型來對輸電線路的不同風(fēng)速的風(fēng)偏動態(tài)特性進(jìn)行研究，并找到抑制大風(fēng)不同步擺動的有效方法。風(fēng)偏計算對于保障輸電線路安全運(yùn)行具有十分重要的意義，文獻(xiàn)［6］認(rèn)為規(guī)范中風(fēng)偏角計算的剛性直棒模型沒有考慮分裂導(dǎo)線間的屏蔽和脈動風(fēng)影響，因此采用有限元仿真的方法建立了絕緣子串－導(dǎo)線耦合模型，對脈動風(fēng)作用下的絕緣子串風(fēng)偏進(jìn)行了動力時程分析，規(guī)范了風(fēng)偏角計算公式。為輸電線路設(shè)計提供了參考依據(jù)。關(guān)于輸電線路導(dǎo)線風(fēng)偏在線監(jiān)測方面的研究，文獻(xiàn)［7］研究了新型風(fēng)偏角計算的數(shù)學(xué)模型，提出了一種新型輸電線路風(fēng)偏在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用無線風(fēng)偏監(jiān)測儀通過上下兩個風(fēng)偏角結(jié)合進(jìn)行計算，得出絕緣子串實(shí)際的風(fēng)偏角，通過在向家壩－上?！?00kV特高壓直流輸電工程實(shí)際運(yùn)行情況表明系統(tǒng)能夠有效指導(dǎo)高壓輸電線路運(yùn)行維護(hù)管理。

本文針對輸電線路風(fēng)偏現(xiàn)象選取武漢市某220kV輸電線路特征段作為研究對象，通過輸電線路荷載的基礎(chǔ)計算以及風(fēng)荷載的處理建立了輸電線路風(fēng)荷載的數(shù)學(xué)計算理論模型，基于有限元法建立該輸電線路特征段的有限元模型對輸電線路風(fēng)偏問題進(jìn)行數(shù)值模擬，通過風(fēng)偏時程分析得到風(fēng)偏角的統(tǒng)計結(jié)果，證明風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)隨著風(fēng)速的增大呈緩慢上升的趨勢。

2 輸電線路風(fēng)荷載

2.1 輸電線路風(fēng)荷載數(shù)值模擬方法

風(fēng)荷載是空氣流動對工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力，也稱風(fēng)的動壓力，通常把自然界的風(fēng)劃分為脈動風(fēng)和平均風(fēng)，平均風(fēng)隨著高度的變化而產(chǎn)生指數(shù)規(guī)律變化，而脈動風(fēng)則隨著空間和時間的變化發(fā)生隨機(jī)變化，本文研究的風(fēng)荷載模擬對象為脈動風(fēng)，工程中常用的風(fēng)速功率譜為 Kaimai譜［8］:

式中，Vi為剪切速度;z0為地面粗糙長度;f為頻率;z為離地面的高度。

脈動風(fēng)交叉功率譜密度函數(shù)可以表示為:

由于在大氣中互譜和正交譜的比值極小，因此在工程應(yīng)用中將上式改寫為:

式中，Skk(zk，f)和 Sll(zl，f)為空間兩點(diǎn)距離為 r的自功率譜;Coh(r，f)為相干函數(shù)。

由于輸電線路結(jié)構(gòu)體系中的脈動風(fēng)荷載可以用零均值的多維高斯平穩(wěn)隨機(jī)過程來描述，因此可采用諧波疊加法來對其進(jìn)行模擬。具有m個零均值的平穩(wěn)隨機(jī)過程{v1(t)，v2(t)，…，vm(t)}的譜密度矩陣為:

式中，ω為圓頻率;Sij(ω)為功率譜函數(shù)。

將S(ω)進(jìn)行分解以后可以得到:

由于在實(shí)際工程應(yīng)用中經(jīng)常忽略正交譜，因此{(lán)v1(t)，v2(t)，…，vm(t)}可以通過下式進(jìn)行模擬:

式中，N為充分大的正整數(shù);Δω為頻率增量;ωml為截止圓頻率;Φml為均勻分布在區(qū)間［0，2π］內(nèi)的隨機(jī)相位角。

通過模擬得到脈動風(fēng)速以后，輸電線路任意一點(diǎn)處的風(fēng)荷載可以通過下式進(jìn)行快速有效地數(shù)值模擬:

2.2 輸電線路風(fēng)荷載數(shù)學(xué)計算模型

風(fēng)荷載的計算與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸因素有關(guān)。根據(jù)我國的電力行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，順風(fēng)方向的風(fēng)荷載在輸電線路風(fēng)偏現(xiàn)象上起決定性作用，其導(dǎo)線上的風(fēng)荷載計算式為:

式中，lH為輸電桿塔的水平檔距;Wx為垂直于輸電線路的水平風(fēng)荷載;βc為輸電線路導(dǎo)線作用于桿塔上的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù);μsc為輸電線路的體形系數(shù);α為輸電線路風(fēng)壓的不均勻系數(shù);d為輸電線路的導(dǎo)線外徑;V為輸電線路規(guī)定基準(zhǔn)高處的設(shè)計風(fēng)速;θ為風(fēng)向與輸電線路導(dǎo)線軸向之間的夾角，式中具體參數(shù)參考文獻(xiàn)［9］。

輸電線路絕緣子串的風(fēng)壓按下式計算，即:

式中，n1為輸電線路每一相的相導(dǎo)線所用的絕緣子串?dāng)?shù)量;n2為每串絕緣子的片數(shù);Ap為每片絕緣子的受風(fēng)面積;Kz為風(fēng)壓的高度變化系數(shù);V為計算風(fēng)速。

3 220kV特征段輸電線路風(fēng)偏時程分析

3.1 特征段輸電線路有限元模型

本文以武漢市某條典型的輸電線路耐張段作為研究的對象，建立有限元理論模型如圖1所示。該輸電線路的耐張段線路包括兩檔，其兩端布置為耐張塔，中間布置為無轉(zhuǎn)角直線桿塔，該輸電線路的導(dǎo)線中間通過懸垂的絕緣子串懸掛在直線桿塔上，兩端則通過耐張絕緣子串連接到耐張塔上，如圖2所示，圖中l(wèi)1和l2分別為直線桿塔兩端導(dǎo)線的檔距，h10和h20分別為直線桿塔兩端導(dǎo)線的高度差。圖3為特征段輸電線路在脈動風(fēng)作用下發(fā)生風(fēng)偏時的狀態(tài)圖。

該輸電線路特征段模型為雙分裂導(dǎo)線，包括兩檔，在整個輸電線路的有限元模型當(dāng)中，輸電線路的懸垂絕緣子串是由15片XP－7型號的陶瓷絕緣子連接而成。雙分裂導(dǎo)線的子導(dǎo)線型號為LGJ－300/40型鋼芯鋁鉸線，間隔棒的型號為 FJZ－300。

圖1 輸電線路特征段線路有限元理論模型

圖2 輸電線路的特征段模型

圖3 特征段輸電線路在脈動風(fēng)作用下發(fā)生風(fēng)偏時的狀態(tài)

3.2 特征段輸電線路風(fēng)偏數(shù)值模擬

針對武漢市220kV特征段輸電線路，按照前文關(guān)于輸電線路風(fēng)荷載模擬方法利用ABAQUS/CAE有限元軟件建立該特征段輸電線路的有限元分析模型，假設(shè)該特征段輸電線路的地面粗糙系數(shù)為a=0.16，地面粗糙長度為z0=0.33，地面高度距離導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)位置為10m，直線桿塔兩端導(dǎo)線的檔距為300m的等檔距，每隔10m模擬一次，模擬時程為500s，模擬風(fēng)速為20m/s、25m/s和30m/s。在進(jìn)行特征段輸電線路風(fēng)偏數(shù)值模擬時，風(fēng)偏角的響應(yīng)時程和懸垂絕緣子串下端點(diǎn)的位移時程是關(guān)注的焦點(diǎn)，由于篇幅有限，本文僅給出了風(fēng)速為20m/s時的風(fēng)偏角時程曲線和絕緣子串下端點(diǎn)的位移時程曲線如圖4、圖5所示。

圖4 風(fēng)偏角時程曲線

圖5 絕緣子串下端點(diǎn)的位移時程曲線

4 風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)的討論

現(xiàn)行輸電線路的設(shè)計規(guī)程中計算其懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角的計算方法沒有考慮到風(fēng)的脈動性對輸電線路導(dǎo)線及其絕緣子串上的動力作用的影響，即輸電線路導(dǎo)線及其絕緣子串的風(fēng)荷載均沒有計入風(fēng)荷載的調(diào)整系數(shù)βC中。根據(jù)目前關(guān)于輸電線路的現(xiàn)行設(shè)計規(guī)程，不考慮實(shí)際環(huán)境中脈動風(fēng)影響時的風(fēng)偏角的正切計算公式為:

式中，PI=Wx/lH;GI為絕緣子串重力;W為導(dǎo)線單位長度自重力;T為導(dǎo)線中的張力;q為塔位高差系數(shù)。

當(dāng)q=0，即無高位差時的風(fēng)偏角正切表達(dá)式為:

此時可推導(dǎo)出風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù):

式中，φ'是考慮風(fēng)的動態(tài)特性后的風(fēng)偏角。

由此計算出3中基本風(fēng)速的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)如表1所示，從表1可以看出在考慮實(shí)際環(huán)境中脈動風(fēng)影響時風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)隨著風(fēng)速的增大呈緩慢上升的趨勢，因此可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行輸電線路設(shè)計規(guī)程中關(guān)于風(fēng)偏角計算方法存在不足。

表1 特征段輸電線路懸垂絕緣子串的風(fēng)偏角統(tǒng)計

5 結(jié)論

本文通過輸電線路荷載的基礎(chǔ)計算以及風(fēng)荷載的處理建立了輸電線路風(fēng)荷載的數(shù)學(xué)計算理論模型，選取武漢市某220kV輸電線路特征段作為研究對象，建立該輸電線路特征段的有限元模型對輸電線路風(fēng)偏問題進(jìn)行數(shù)值模擬，通過風(fēng)偏時程分析得到風(fēng)偏角的統(tǒng)計結(jié)果，證明風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)隨著風(fēng)速的增大呈緩慢上升的趨勢。

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