500 kV輸電線路風(fēng)偏特性的有限元分析

黃 剛

（山西省電力公司檢修分公司， 山西 太原 030032）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，人們對(duì)于輸電線路中導(dǎo)線、絕緣子等材料的研究逐步深入，在一定程度上原有輸電線路隨著外界風(fēng)的改變而隨之發(fā)生改變，我國(guó)輸電線路環(huán)節(jié)因風(fēng)偏等問(wèn)題造成的影響也愈發(fā)明顯，由此，輸電線路中風(fēng)偏的問(wèn)題愈發(fā)受到人們的關(guān)注。

1 輸電線路風(fēng)偏特性對(duì)實(shí)際輸電線路運(yùn)行造成的影響及其研究現(xiàn)狀

1.1 輸電線路風(fēng)偏特性對(duì)實(shí)際輸電線路運(yùn)行造成的影響

截止目前，我國(guó)針對(duì)輸電線路風(fēng)偏的研究主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先是針對(duì)塔頭絕緣子部分的研究，另一部分則是針對(duì)相同輸電線路在不同狀態(tài)下?lián)u擺問(wèn)題的研究。就塔頭絕緣子來(lái)說(shuō)，絕緣子下端的帶電導(dǎo)體在實(shí)際的外界風(fēng)吹影響下與實(shí)際塔桿之間的距離會(huì)逐漸減少，并在超越一部分極限后產(chǎn)生放電，進(jìn)而影響輸電線路的正常運(yùn)行；而另一方面，就相間導(dǎo)線之間在不同風(fēng)速等外界因素影響狀態(tài)下的荷載問(wèn)題來(lái)說(shuō)，由于荷載作用的時(shí)間不同，這就在一定程度上造成了實(shí)際相間距離的減少，從而容易使其產(chǎn)生風(fēng)偏閃絡(luò)，同時(shí)風(fēng)力過(guò)大也在很大程度上造成輸電線路中器材的損毀，進(jìn)而對(duì)電路后續(xù)的正常安全運(yùn)行埋下隱患。由此，針對(duì)輸電線路中偏風(fēng)特性的有限元分析逐漸成為了我國(guó)電力施工人員研究的重點(diǎn)[1]。

1.2 輸電線路風(fēng)偏特性的研究現(xiàn)狀

截至目前，我國(guó)針對(duì)輸電線路風(fēng)偏問(wèn)題的研究已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)年的時(shí)間，雖然已經(jīng)針對(duì)相間導(dǎo)線之間的風(fēng)偏問(wèn)題和絕緣子問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但是在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)仍舊缺乏關(guān)于上述兩項(xiàng)對(duì)實(shí)際輸電線路之間造成影響的考量，由此，下文針對(duì)有限元軟件ANSYS進(jìn)行“導(dǎo)線-絕緣子”模型的建立，從而能夠針對(duì)不同檔距之間、檔數(shù)等因素的改變對(duì)實(shí)際500 kV輸電線路風(fēng)偏問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 四分裂輸電線路中“輸電線路-絕緣子”耦合模型的建設(shè)

根據(jù)上述研究，本文針對(duì)實(shí)際輸電線路風(fēng)偏特性的有限元分析進(jìn)行相關(guān)模型的建立[2]。

2.1 “輸電線路-絕緣子”耦合模型的建設(shè)

根據(jù)對(duì)實(shí)際輸電線路的研究可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的建設(shè)環(huán)節(jié)，輸電線路大多呈現(xiàn)懸鏈線的狀態(tài)出現(xiàn)在人們視野范圍之內(nèi)，所以，針對(duì)這一狀態(tài)的有限元模型建立環(huán)節(jié)首先要保證導(dǎo)線在制模環(huán)節(jié)不會(huì)受到外界應(yīng)力的影響，并在找到實(shí)際的形態(tài)后給其模型施加重力影響，進(jìn)而從根本上達(dá)到預(yù)設(shè)的形態(tài)。下面將以LGJ-240/30型輸電線為例，配合XP-16型號(hào)的絕緣子進(jìn)行有關(guān)模式性建設(shè)，其示意圖如圖1所示。

圖1“輸電線路-絕緣子”耦合模型的建設(shè)示意圖

根據(jù)我國(guó)既定的輸電線路標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際的施工環(huán)節(jié)，當(dāng)海拔小于1 000 m的區(qū)域，實(shí)際電壓、相同間隙的操作距離一個(gè)不少于2.5～4.5 m之間，并保持工頻的電壓情況在0.9～2.2 kV之間；與此同時(shí)，針對(duì)輸電線路中帶電部分與桿塔組件之間的實(shí)際最小間隙也應(yīng)不小于1.45～2.7 m之間，從而保證實(shí)際的工頻電壓間隙能夠控制在0.55～1.35 m之間。

2.2 風(fēng)荷載模型的建設(shè)

根據(jù)實(shí)際的風(fēng)荷載模式的建設(shè)環(huán)節(jié)，實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)根據(jù)輸電線路中風(fēng)偏閃絡(luò)等問(wèn)題的實(shí)際情況進(jìn)行有關(guān)風(fēng)荷載模型的選擇。通常情況下，設(shè)計(jì)中一般應(yīng)用穩(wěn)定的風(fēng)荷載模型，將原本動(dòng)態(tài)的風(fēng)荷載情況轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)的進(jìn)行輸電線路的疊加，這種模式雖然能夠針對(duì)實(shí)際的荷載情況進(jìn)行計(jì)算，但是在準(zhǔn)確度等問(wèn)題上仍舊存在一定的偏差，由此，隨著科學(xué)技術(shù)研究的深入，本文將應(yīng)用一種較為新型的陣風(fēng)模型進(jìn)行后續(xù)有關(guān)輸電線路風(fēng)偏特性的有限元分析[3]。

3 不同風(fēng)速對(duì)輸電線路風(fēng)偏特性的有限元分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，本文針對(duì)500 kV輸電線路分別進(jìn)行了多檔和單檔的輸電線路有限元模型分析，從而研究輸電線路在實(shí)際穩(wěn)態(tài)風(fēng)和陣風(fēng)兩種狀態(tài)下的荷載情況：在穩(wěn)定風(fēng)和陣風(fēng)兩種風(fēng)速作用下，不同檔數(shù)輸電線路相間距離與懸垂點(diǎn)之間的距離分析。

根據(jù)過(guò)去的研究，本文根據(jù)不同檔輸電線路中不同檔距、兩種狀態(tài)下的風(fēng)對(duì)于輸電線線路所距中間點(diǎn)的最小距離情況進(jìn)行研究，其研究結(jié)果如下表1所示。

表1 不同檔位下輸電線路在不同風(fēng)速下中點(diǎn)最小距離與實(shí)際懸點(diǎn)塔身之間的距離情況 m

注意：其中最小距離是指在實(shí)際的運(yùn)行環(huán)節(jié)中間點(diǎn)與實(shí)際輸電線路之間的最小距離，而懸點(diǎn)則是指輸電線路中懸垂區(qū)域與塔桿本身的距離。

根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)節(jié)，風(fēng)速相對(duì)穩(wěn)定的穩(wěn)態(tài)風(fēng)狀態(tài)下，其輸電線路的最小間隙情況都符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，可以認(rèn)為這一輸電線路設(shè)計(jì)能夠在穩(wěn)定風(fēng)的影響下正常運(yùn)行；而針對(duì)陣風(fēng)來(lái)說(shuō)，從單檔輸電線路開始，輸電線路的間隙情況會(huì)隨著檔距的增加而逐漸縮小，在檔距控制在300 m之內(nèi)的狀態(tài)時(shí)，其風(fēng)偏間隙情況符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，根據(jù)研究可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)輸電線路重懸垂?fàn)顟B(tài)的絕緣子往往會(huì)和導(dǎo)線發(fā)生耦合作用，從而擴(kuò)大風(fēng)速對(duì)于導(dǎo)線實(shí)際運(yùn)行的影響。例如，在穩(wěn)風(fēng)狀態(tài)下，單檔的輸電線路距離電線之間的最小距離也相對(duì)更小，使其對(duì)于陣風(fēng)影響狀態(tài)下的輸電模型影響也相對(duì)較小，從而為后續(xù)的輸電線路風(fēng)偏的預(yù)防提供一定的理論支持。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)居民生產(chǎn)用電量的增加，實(shí)際輸電線路中電荷的負(fù)載也隨之增加，我國(guó)針對(duì)配電網(wǎng)路電壓輸送的等級(jí)情況也相對(duì)提升，我國(guó)輸電線路網(wǎng)絡(luò)逐漸朝著高電壓、大跨越的方向發(fā)展。根據(jù)上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在陣風(fēng)狀態(tài)下，輸電線路與絕緣子之間的最小距離情況均小于穩(wěn)定風(fēng)狀態(tài)下的最小間距，由此說(shuō)明在實(shí)際的風(fēng)偏研究過(guò)程中應(yīng)用陣風(fēng)的研究是必要的；與此同時(shí)，根據(jù)上述結(jié)論可以認(rèn)為，在風(fēng)速和檔距都增加的狀態(tài)下，輸電線路之間的最小距離也會(huì)隨之減少，從而為其后續(xù)的安全應(yīng)用埋下隱患。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)該針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行綜合性的輸電線路懸垂與桿塔之間最小距離的核算，從而提升實(shí)際輸電線路施工環(huán)節(jié)的安全性[4]。

[1]趙鑫.輸電線路絕緣子風(fēng)偏與非同期搖擺分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[2]王建.輸電線路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與預(yù)警方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[3]古祥科.基于絕緣子—導(dǎo)線耦合模型的輸電線路風(fēng)偏特性研究[D].北京：華北電力大學(xué),2016.

[4]楊悅.脈動(dòng)風(fēng)載下的輸電線路風(fēng)偏計(jì)算研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2015.