基于有限元法特高壓直流線路大跨越電暈振動(dòng)分析

張華富, 趙天成, 馬愛清

(1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司金山供電公司, 上海 200540; 2.上海電力學(xué)院, 上海 200090)

高壓架空輸電線路運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)線電暈放電現(xiàn)象[1]。電暈現(xiàn)象包括可聽噪聲、電暈損失、無(wú)線電干擾等,會(huì)對(duì)周圍居民的正常生活以及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。在電極尖端或?qū)Ь€毛刺的地方,由于場(chǎng)強(qiáng)的作用,附近空氣中離子和電子會(huì)高速運(yùn)動(dòng)并發(fā)生碰撞,在此過(guò)程中伴隨著能量的交換,形成“電風(fēng)”。當(dāng)導(dǎo)線下方懸掛雨滴時(shí),導(dǎo)線在電風(fēng)的作用下會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)或振動(dòng)。電暈振動(dòng)會(huì)致使金具受到嚴(yán)重磨損,引起線路閃絡(luò)跳閘、傷股、斷股,甚至出現(xiàn)桿塔倒塌等現(xiàn)象,將嚴(yán)重影響高壓輸電線路的正常工作。

自然環(huán)境會(huì)對(duì)架空輸電線路的表面狀況產(chǎn)生一定的影響,導(dǎo)致電暈振動(dòng)現(xiàn)象加劇,如霧霾使導(dǎo)線表面污穢,酸雨腐蝕線路改變其表面粗糙程度[2-3]。在良好的天氣條件下,架空輸電線路不太會(huì)發(fā)生電暈振動(dòng)。但當(dāng)大氣濕度較大,如雨霧天氣下,導(dǎo)線表面會(huì)形成水滴,導(dǎo)致表面電場(chǎng)分布不均,起暈電壓降低[4-7],從而導(dǎo)致電暈放電。在我國(guó)9個(gè)典型氣象區(qū)中,50%以上具有導(dǎo)線電暈振動(dòng)的自然條件。歷史上也發(fā)生過(guò)導(dǎo)線電暈現(xiàn)象導(dǎo)致輸電線路,尤其是跨江線路和大跨越線路遭受巨大損失的重大事故。因此,深入研究雨霧天氣下高壓交直流輸電線路上的電暈振動(dòng)現(xiàn)象十分必要。

為研究降雨條件下導(dǎo)線電暈振動(dòng)幅值的大小,本文以向家壩—上海±800 kV高壓直流輸電工程中楊家廠長(zhǎng)江大跨越為例,建立了大跨越段輸電線路的簡(jiǎn)化模型,給導(dǎo)體模型添加邊界條件和外加載荷,在ANSYS仿真軟件上利用有限元法求解其振動(dòng)位移幅值,并在該模型的基礎(chǔ)上研究了降雨強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)線電暈振動(dòng)幅值的影響。

1 計(jì)算模型

本文建立的模型為向家壩—上海±800 kV高壓直流輸電工程的楊家廠長(zhǎng)江大跨越,楊家廠長(zhǎng)江大跨越工程采用耐—直—直—耐的跨越方式,跨越檔檔距長(zhǎng)度為1 580 m,跨越直線塔型號(hào)為ZK-181,導(dǎo)線使用4×AACSR/EST-640/290特強(qiáng)鋼芯鋁絞線,主要參數(shù)如表1所示。每相為四分裂單回路。地線采用JLB14-340鋁包鋼絞線,另一根地線采用OPGW-350光纜。

表1 AACSR/EST-640/290導(dǎo)線的主要參數(shù)

用于固定分裂導(dǎo)線的間隔棒的主要參數(shù)如表2所示。

表2 間隔棒的主要參數(shù)

在用仿真軟件對(duì)導(dǎo)線電暈振動(dòng)進(jìn)行有限元分析時(shí),首先建立輸電線路的模型。由于本文主要是研究導(dǎo)線電暈振動(dòng)幅值的大致趨勢(shì),故沒(méi)有必要建立1 580 m長(zhǎng)的導(dǎo)線,次檔距長(zhǎng)度的導(dǎo)線足以反映整體振動(dòng)趨勢(shì)。這里選取了其中的一段次檔距的長(zhǎng)度,即型號(hào)為4×AACSR/EST-640/290,長(zhǎng)度為10 m的四分裂導(dǎo)線,以此建立模型進(jìn)行仿真求解。

所建立的輸電導(dǎo)線模型如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)度為10 m的四分裂高壓輸電線路模型

由于該仿真系統(tǒng)自帶的數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有所需材料,所以在設(shè)置導(dǎo)線和間隔棒的相關(guān)物理參數(shù)時(shí)需要先在材料庫(kù)中添加這兩種材料,再對(duì)模型進(jìn)行材料設(shè)置。添加新材料時(shí)所用到的參數(shù)見表1和表2。

采用有限元法分析時(shí),需對(duì)導(dǎo)體及間隔棒進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格分析的結(jié)果如圖2所示。

引起導(dǎo)線電暈振動(dòng)的電暈力fsin為正弦函數(shù)。為了求解導(dǎo)線振動(dòng)位移,需要知道正弦函數(shù)表達(dá)式,因此需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,求解其固有振動(dòng)頻率,即電暈力表達(dá)式中的頻率。

首先對(duì)系統(tǒng)設(shè)置邊界條件,即將分裂導(dǎo)體兩段固定,然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析,所得結(jié)果如圖3所示。

圖2 模型的網(wǎng)格劃分

圖3 模態(tài)分析結(jié)果

軟件默認(rèn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行六階模態(tài)分析,而其中起主要作用的是一階模態(tài)分析的結(jié)果。由圖3(b)可知,系統(tǒng)固有頻率取13 Hz。

本文的目的是探究降雨強(qiáng)度對(duì)導(dǎo)線電暈振動(dòng)幅值的影響,對(duì)相同的導(dǎo)線施與不同的降雨強(qiáng)度,利用有限元法求解各個(gè)降雨強(qiáng)度下導(dǎo)線電暈振動(dòng)的幅值,并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行比較分析。

降雨強(qiáng)度是指單位時(shí)間內(nèi)的降雨量,降雨強(qiáng)度不同時(shí),懸掛在相同長(zhǎng)度導(dǎo)線上的水滴數(shù)量不同,也由此導(dǎo)致導(dǎo)線上電暈力的大小也不同,這將影響電暈振動(dòng)的幅值。本文求解了10 m長(zhǎng)的四分裂導(dǎo)線在4個(gè)降雨強(qiáng)度(分別為小雨、中雨、大雨和暴雨)下的振動(dòng)位移幅值。在不同降雨強(qiáng)度下每米導(dǎo)線上懸掛的水滴數(shù)量如表3所示[8]。

表3 不同降雨強(qiáng)度下每米導(dǎo)線懸掛水滴數(shù)量

電暈力隨時(shí)間的變化難以評(píng)估。文獻(xiàn)[8-9]獲得了與高壓導(dǎo)體移動(dòng)同步的脈沖力Fimp與正弦電暈力幅值fsin的關(guān)系為

(1)

式(1)適用于各種條件(施加電壓的極性和水平、降雨強(qiáng)度),當(dāng)水滴噴出時(shí),Fimp隨之消失。通過(guò)查閱文獻(xiàn)[10-12]可知,一個(gè)水滴所產(chǎn)生電暈力的數(shù)量級(jí)是10-4N。本文取每個(gè)水滴所受的移動(dòng)同步的脈沖力fc=5×10-4N。

2 數(shù)值分析及結(jié)果比較

2.1 小雨條件下振動(dòng)位移求解

圖4 小雨條件下的諧響應(yīng)分析結(jié)果

2.2 中雨條件下振動(dòng)位移求解

中雨條件下,導(dǎo)線上每米懸掛水滴數(shù)量約為27滴。同理計(jì)算得10 m長(zhǎng)的導(dǎo)線上單根導(dǎo)線所受電暈力幅值為0.073 4 N,頻率為13 Hz。在4根分裂導(dǎo)線上分別添加方向相同、大小均為0.073 4 N的正弦力,然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,求得振動(dòng)幅值如圖5所示,為12.243×10-3mm。

圖5 中雨條件下的諧響應(yīng)分析結(jié)果

2.3 大雨條件下振動(dòng)位移求解

大雨條件下,導(dǎo)線上每米懸掛水滴數(shù)量約為33滴。結(jié)合式(1)和式(2),計(jì)算得10 m長(zhǎng)的導(dǎo)線上單根導(dǎo)線所受電暈力幅值為0.089 7 N,頻率為13 Hz。在4根分裂導(dǎo)線上分別添加方向相同、大小均為0.089 7 N的正弦力,然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,求得振動(dòng)幅值如圖6所示,為14.961×10-3mm。

圖6 大雨條件下的諧響應(yīng)分析結(jié)果

2.4 暴雨條件下振動(dòng)位移求解

暴雨條件下,導(dǎo)線上每米懸掛水滴數(shù)量約為39滴。結(jié)合式(1)和式(2),計(jì)算得10 m長(zhǎng)的導(dǎo)線上單根導(dǎo)線所受電暈力幅值為0.106 N,頻率為13 Hz。在4根分裂導(dǎo)線上分別添加方向相同、大小均為0.106 N的正弦力,然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,求得振動(dòng)幅值如圖7所示,為17.68×10-3mm。

圖7 暴雨條件下的諧響應(yīng)分析結(jié)果

2.5 仿真結(jié)果對(duì)比分析

在保持其他條件完全相同的情況下,對(duì)相同的導(dǎo)線施與不同的降雨強(qiáng)度,利用有限元法求解各降雨強(qiáng)度下導(dǎo)線電暈振動(dòng)的幅值。將小雨、中雨、大雨、暴雨4個(gè)降雨強(qiáng)度下導(dǎo)體振動(dòng)幅值進(jìn)行整理歸納,結(jié)果如表4所示。

表4 不同降雨強(qiáng)度下導(dǎo)體電暈振動(dòng)幅值

由表4可以看出,隨著降雨強(qiáng)度的增大,導(dǎo)線振動(dòng)幅值隨之增大,振動(dòng)幅值與降雨強(qiáng)度成正比。究其原因,一方面是由于降雨強(qiáng)度越大,導(dǎo)線上懸掛的水滴數(shù)量越多,導(dǎo)線整體所受的電暈力越大,而電暈力是導(dǎo)致導(dǎo)線電暈振動(dòng)的主要因素;另一方面,導(dǎo)線表面懸掛水滴后,會(huì)改變導(dǎo)線表面的等效粗糙系數(shù),同時(shí)也將改變導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)。降雨強(qiáng)度越大,導(dǎo)線表面懸掛水滴數(shù)量越多,等效粗糙系數(shù)越小,起暈場(chǎng)強(qiáng)越小。導(dǎo)線表面起暈場(chǎng)強(qiáng)隨粗糙系數(shù)的變化情況如表5所示[5]。

表5 導(dǎo)線表面起暈場(chǎng)強(qiáng)與粗糙系數(shù)的關(guān)系

由表5可以看出,降雨強(qiáng)度越大,導(dǎo)線表面等效粗糙系數(shù)越小,導(dǎo)線表面的起暈場(chǎng)強(qiáng)越小,即越容易發(fā)生導(dǎo)線電暈振動(dòng)。

綜合以上兩方面的因素可知,導(dǎo)線電暈振動(dòng)幅值隨降雨強(qiáng)度的增大而增大。在其他條件相同時(shí),暴雨條件下導(dǎo)線電暈振動(dòng)的幅值約為小雨條件下振動(dòng)幅值的2倍。因此,惡劣天氣條件下的導(dǎo)線電暈振動(dòng)現(xiàn)象尤其需要重視。

3 應(yīng)對(duì)措施

高壓架空輸電線路的電暈振動(dòng)具有振幅小、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn),容易造成導(dǎo)線的磨損、斷股或金具損壞等現(xiàn)象。一般條件下,導(dǎo)線的電暈振動(dòng)難以用肉眼觀測(cè)到,天氣條件良好時(shí),電暈振動(dòng)現(xiàn)象比較微弱,但是在雨霧天氣下,電暈振動(dòng)更為嚴(yán)重。因此,在設(shè)計(jì)抑制或減弱高壓輸電線路的電暈振動(dòng)措施時(shí),應(yīng)考慮雨天發(fā)生電暈振動(dòng)的情況。

雨天電暈振動(dòng)的防治措施主要可以從以下3個(gè)方面加以考慮:

(1) 采用分裂導(dǎo)線,降低導(dǎo)線表面電位梯度,抑制電暈振動(dòng)發(fā)生;

(2) 在高壓線路上安裝防振裝置,減弱振動(dòng)現(xiàn)象;

(3) 改變線路結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率來(lái)破壞其在雨天情況下的共振條件,以達(dá)到防止或消除電暈振動(dòng)的目的[13]。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)有限元法的仿真發(fā)現(xiàn),在下雨天,大跨越輸電線路會(huì)發(fā)生電暈振動(dòng)產(chǎn)生位移;

(2) 隨著降雨強(qiáng)度的增大,導(dǎo)線振動(dòng)幅值隨之增大,振動(dòng)幅值和降雨強(qiáng)度成正比,暴雨條件下導(dǎo)線電暈振動(dòng)的幅值約為小雨條件下振動(dòng)幅值的2倍,但不會(huì)超過(guò)0.02 mm。