風(fēng)載荷作用下V形絕緣子串的力學(xué)特性分析

周 超，秦瑞江，芮曉明

（華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的穩(wěn)步提升，工業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)對(duì)電力的需求日益增加。然而，由于電力資源分布不均勻，有必要構(gòu)建合理的電力網(wǎng)絡(luò)以合理分配電力資源［1］。在輸電塔線體系受到橫向風(fēng)載荷作用時(shí)，導(dǎo)線的擺動(dòng)使得其與桿塔或其他周圍事物的電氣間隙減小。若電氣間隙小于線路允許安全距離時(shí)，有可能發(fā)生擊穿放電，進(jìn)而導(dǎo)致跳閘事故，這一現(xiàn)象被稱為風(fēng)偏放電跳閘［2］。由線路故障的調(diào)查數(shù)據(jù)可知，風(fēng)偏放電跳閘是造成線路故障的主要原因之一，已經(jīng)對(duì)國(guó)家電力系統(tǒng)的安全造成了很大的影響，給人們的生產(chǎn)、生活造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［3-4］。隨著電壓等級(jí)的不斷提升，絕緣子串的抗風(fēng)偏設(shè)計(jì)及防護(hù)亟須修正。風(fēng)載荷及其他環(huán)境載荷對(duì)絕緣子串和整個(gè)輸電線路的影響將愈加明顯，因此，對(duì)絕緣子串在風(fēng)載荷作用下的力學(xué)特性進(jìn)行分析具有重要的工程意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)輸電線路風(fēng)偏事故進(jìn)行了大量分析，提出了相關(guān)絕緣子串的設(shè)計(jì)、改造措施。趙全江等［5-7］對(duì)Ⅴ形絕緣子串（以下簡(jiǎn)稱為“Ⅴ串”）的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，討論了Ⅴ串的結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)輸電塔的載荷作用，進(jìn)一步了分析了Ⅴ串風(fēng)偏角對(duì)輸電塔線體系整體穩(wěn)定性的影響。黃立新等［8-9］通過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)，分別對(duì)復(fù)合絕緣子和陶瓷絕緣子的受力特征進(jìn)行分析，并討論了絕緣子串背風(fēng)側(cè)的變形和應(yīng)力變化。Kumoso等［10-11］利用有限元軟件建立了復(fù)合絕緣子芯棒模型，對(duì)其施加軸向拉力并分析其受力特點(diǎn)。蔡林峰等［12］研究了不同類型絕緣子串的力學(xué)特性，并對(duì)復(fù)合絕緣子芯棒展開了詳細(xì)的屈曲分析。然而，由于輸電塔線體系風(fēng)偏振動(dòng)問(wèn)題的復(fù)雜性，許多相關(guān)問(wèn)題至今沒有得到有效解決。

本文以我國(guó)云南地區(qū)某山區(qū)典型的架空線路為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元仿真軟件對(duì)不同Ⅴ串的受力特性進(jìn)行研究。首先，對(duì)Ⅴ串在水平風(fēng)載荷作用下的受力情況進(jìn)行理論分析；其次，對(duì)復(fù)合絕緣子串芯棒進(jìn)行各向同性、各向異性特征值屈曲分析，以驗(yàn)證模型的正確性，并分析芯棒發(fā)生屈曲變形的主要影響因素；最后，對(duì)比分析雙聯(lián)及四聯(lián)Ⅴ串在風(fēng)載荷作用下的力學(xué)特性，對(duì)其迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的變形、所受最大應(yīng)力及其最低點(diǎn)水平位移的變化規(guī)律進(jìn)行研究，從而為Ⅴ串的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 V形絕緣子串的受力分析

以我國(guó)云南地區(qū)某山區(qū)的500 kⅤ小和線為研究對(duì)象。N46桿塔參數(shù)如表1所示，N46桿塔斷面如圖1所示，N46桿塔塔頭絕緣子布置如圖2所示。

表1 N46桿塔參數(shù)Table 1 N46 tower parameters

圖1 N46桿塔斷面示意Fig.1 Sectional view of N46 tower

圖2 N46桿塔塔頭絕緣子布置示意Fig.2 Schematic of insulator layout of N46 tower head

500 kⅤ小和線N43 至N49 桿塔的海拔高度為2 230～2 306 m，N46桿塔位于山頂鞍部。N43至N49桿塔的線路呈東西走向，呈西低東高之勢(shì)。該山區(qū)呈強(qiáng)烈侵蝕深切峽谷地貌，西邊有兩大峽谷，屬典型的微地形、微氣象區(qū)，且N46桿塔處在埡口，易發(fā)生大風(fēng)災(zāi)害。該段線路的導(dǎo)線為6×LGJ-300/40鋼芯鋁絞線，其參數(shù)如表2所示。架空地線分別為L(zhǎng)BGJ80-20AC和OPGW 光纜。Ⅴ串型號(hào)為FXBW-500/300SCⅠ，其參數(shù)如表3所示。

為了改善絕緣子串受力以及減弱導(dǎo)線振動(dòng)，也為了減小整體輸電塔塔頭的尺寸，Ⅴ串應(yīng)運(yùn)而生。由于風(fēng)力作用，導(dǎo)線、絕緣子串及其相關(guān)金具會(huì)受到橫向載荷作用，在沿風(fēng)向作加速運(yùn)動(dòng)。將絕緣子串在N46等緊湊型桿塔中呈Ⅴ形安裝，能夠很好地限制絕緣子及金具的水平運(yùn)動(dòng)。Ⅴ串的受力與普通的絕緣子串有很大的差異：面向風(fēng)載荷一側(cè)的絕緣子聯(lián)會(huì)承受極大的拉力，背向風(fēng)載荷一側(cè)的絕緣子聯(lián)承受的拉力會(huì)逐漸減小，并逐漸由拉力轉(zhuǎn)化為壓力。如圖3所示，該Ⅴ串承受的外力包括導(dǎo)線、絕緣子金具等自重載荷Gv和風(fēng)載荷Ph，其合力為P，2 條絕緣子串承受的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別為F1和F2。

表2 LGJ-300/40鋼芯鋁絞線參數(shù)Table 2 Parameters of LGJ-300/40 steel core aluminum stranded wire

表3 FXBW-500/300SCI絕緣子參數(shù)Table 3 Parameters of FXBW-500/300SCⅠinsulator

由于作用于Ⅴ串的重力、風(fēng)載荷遠(yuǎn)小于懸掛于其上導(dǎo)線所傳遞的載荷，在Ⅴ串所受載荷的計(jì)算過(guò)程中僅考慮導(dǎo)線所傳遞的風(fēng)載及其重力，忽略Ⅴ串受到的風(fēng)載荷及其自重。Ⅴ串不同于普通的瓷質(zhì)或者玻璃絕緣子串，它能在導(dǎo)線發(fā)生最大風(fēng)偏時(shí)產(chǎn)生變形以防止發(fā)生破壞。因此，受到橫向風(fēng)作用的時(shí)候，Ⅴ串背風(fēng)側(cè)的單聯(lián)只發(fā)生變形，產(chǎn)生彎矩作用，并對(duì)相關(guān)金具產(chǎn)生作用。在實(shí)際的大風(fēng)環(huán)境中，當(dāng)Ⅴ串受到的風(fēng)載荷大于其能承受的安全載荷時(shí)，會(huì)發(fā)生屈曲變形［13］。Ⅴ串屈曲失穩(wěn)形態(tài)如圖4所示。

2 復(fù)合絕緣子芯棒特征值屈曲特性分析

屈曲分析是用來(lái)討論在特定外力作用下結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性及其失穩(wěn)時(shí)的外力載荷，它通常分為線性屈曲分析和非線性屈曲分析。本文主要對(duì)復(fù)合絕緣子芯棒進(jìn)行特征值屈曲分析。

圖3 V形絕緣子串受力示意Fig.3 Schematic of stress on Ⅴ-shaped insulator string

圖4 V形絕緣子串屈曲失穩(wěn)形態(tài)Fig.4 Buckling instability pattern of Ⅴ-shaped insulator string

復(fù)合絕緣子又稱為合成絕緣子，它主要包含芯棒、連接金具和傘裙護(hù)套等［14］。芯棒用來(lái)承受一些機(jī)械載荷，連接金具用來(lái)承受并傳遞載荷，傘裙護(hù)套用來(lái)加大爬電距離，防止浮塵等污穢在絕緣子表面附著。FXBW-500/300SCⅠ復(fù)合絕緣子芯棒尺寸和材料參數(shù)如表4所示。

表4 FXBW-500/300SCI復(fù)合絕緣子芯棒尺寸和材料參數(shù)Table 4 Dimensions and material parameters of FXBW-500/300SCⅠcomposite insulator mandrel

2.1 復(fù)合絕緣子芯棒受力的理論分析

本研究中，不考慮芯棒與連接金具銜接處力學(xué)性能的影響，將復(fù)合絕緣子芯棒看作兩端鉸支的固定壓桿，并將其設(shè)定為一種各向同性材料。取其順纖維方向的彈性模量，即E=0.39×105MPa，泊松系數(shù)μ=0.26。

圖5所示為兩端鉸支受壓桿件。

圖5 受壓桿件Fig.5 Pressure rod

式（1）是在桿件材料符合胡克定律時(shí)推導(dǎo)出來(lái)的［15］，唯有特定細(xì)長(zhǎng)桿件才能按照此公式來(lái)計(jì)算其構(gòu)件的臨界力。經(jīng)過(guò)計(jì)算得λ＞100，可判定該桿件為細(xì)長(zhǎng)桿。通過(guò)式（1）算得桿件臨界屈曲載荷Pcr=847 N。

有時(shí)須考慮臨界應(yīng)力σcr的作用，其表達(dá)式為：

由式（5）可得：

2.2 芯棒特征值屈曲特性的仿真分析

首先，利用ANSYS軟件建立復(fù)合絕緣串芯棒的有限元分析模型，分別賦予芯棒各向同性和各向異性的材料參數(shù)，并對(duì)其施加一定的邊界條件，進(jìn)行特征值屈曲仿真分析；取其第1階解析解并與上文所求的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證模型的合理性。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，考慮軸向力等對(duì)桿件受力變形的影響，根據(jù)勢(shì)能駐值定理［16］，桿結(jié)構(gòu)的平衡方程為：

式中：Ke——彈性剛度矩陣；

Kg——幾何剛度矩陣，又稱為初應(yīng)力剛度矩陣；

U——結(jié)點(diǎn)位移向量；

P——節(jié)點(diǎn)載荷向量。

令其二階變分為零，即：

式中：λi——第i 階特征值；

φi——與λi對(duì)應(yīng)的特征向量，即為屈曲模態(tài)。

2.2.1 基于各向同性的芯棒特征值屈曲分析

利用ANSYS 18.2軟件，對(duì)受壓絕緣子芯棒進(jìn)行特征值屈曲分析。建模時(shí)，僅考慮線性行為，須定義彈性模量；將其材料設(shè)置為Beam188梁?jiǎn)卧⑦M(jìn)行合理的單元網(wǎng)格密度劃分。在進(jìn)行屈曲分析過(guò)程中，進(jìn)行如下操作：

1）激活預(yù)應(yīng)力效應(yīng)；

2）若施加單位載荷，則所求結(jié)果為屈曲載荷；若施加其他載荷，則須對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理縮放，才能得到屈曲載荷；

3）施加非零約束。

進(jìn)行靜力分析后，芯棒屈曲載荷仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，仿真值與理論計(jì)算值相當(dāng)接近。此時(shí)，芯棒發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，其一階屈曲模態(tài)如圖7所示。

2.2.2 基于各向異性的芯棒特征值屈曲分析

復(fù)合絕緣子芯棒通常包含玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂材料［17］，因此可以將它按正交各向異性材料來(lái)處理。在對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，須賦予其正交各向異性的9個(gè)材料參數(shù)，包括3個(gè)彈性模量、3個(gè)剪切模量和3個(gè)泊松系數(shù)。

圖6 基于各向同性的芯棒屈曲載荷仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of mandrel buckling load based on isotropy

圖7 基于各向同性的芯棒一階屈曲模態(tài)Fig.7 First-order buckling mode of mandrel based on isotropy

仿真時(shí)，將材料設(shè)置為20節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid186。同樣，必須激活預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，施加單位載荷以及鉸接相關(guān)的約束，進(jìn)行靜力分析。提取芯棒屈曲載荷一階特征值，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，仿真值與理論計(jì)算值相差不大，在可接受范圍之內(nèi)。此時(shí)，芯棒發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，其一階屈曲模態(tài)如圖9所示。

圖8 基于各向異性的芯棒屈曲載荷仿真結(jié)果Fig.8 Simulation result of mandrel buckling load based on anisotropy

通過(guò)以上對(duì)比分析可知，與各向同性材料相比，正交各項(xiàng)異性材料對(duì)芯棒屈曲載荷及其一階屈曲模態(tài)只有微小的影響，即影響芯棒屈曲載荷大小和屈曲模態(tài)的主要因素是順纖維方向的材料屬性。

3 雙聯(lián)與四聯(lián)V 形絕緣子串在風(fēng)載荷作用下的力學(xué)特性的對(duì)比分析

在N45-N46-N47 輸電塔線體系中，選取下方絕緣子串作為研究對(duì)象。在8～42 m/s風(fēng)速下，對(duì)Ⅴ串的力學(xué)特性進(jìn)行分析。如圖10 所示，Ⅴ串的夾角為140°，F(xiàn)、C兩點(diǎn)即為Ⅴ串左右兩懸掛點(diǎn)。

圖9 基于各向異性的芯棒一階屈曲模態(tài)Fig.9 First-order buckling mode of mandrel based on anisotropy

圖10 夾角為140°的V形絕緣子串Fig.10 Ⅴ-shaped insulator string with an included angle of 140°

在一些自然災(zāi)害下，雙聯(lián)Ⅴ串更易發(fā)生失穩(wěn)及受力破損，因此筆者將雙聯(lián)Ⅴ串改為四聯(lián)Ⅴ串，如圖11 所示。在8～42 m/s 風(fēng)速下，當(dāng)四聯(lián)Ⅴ串單聯(lián)與豎直平面的夾角β=10°，20°，30°時(shí)，分別對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行分析，并將雙聯(lián)Ⅴ串與四聯(lián)Ⅴ串的力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比。

圖11 四聯(lián)V形絕緣子串Fig.11 Quadruple Ⅴ-shaped insulator string

3.1 V形絕緣子串所受載荷計(jì)算

在輸電塔線體系中，Ⅴ串懸掛點(diǎn)處受到的載荷大小基本等同于輸電導(dǎo)線在懸掛點(diǎn)所受到的載荷大小。研究中，忽略絕緣子串、金具、輸電地線和輸電塔所受到的風(fēng)載荷以及絕緣子串、金具等的重力載荷的作用，Ⅴ串懸掛點(diǎn)受到的水平載荷即為導(dǎo)線風(fēng)載荷，垂直載荷即為N46垂直檔距內(nèi)所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)線的重力。

N46垂直檔距L為：

式中：L1——N46左側(cè)檔導(dǎo)線最低點(diǎn)與N46之間的距離，m；

L2——N46右側(cè)檔導(dǎo)線最低點(diǎn)與N46之間的距離，m。

綜合實(shí)際情況，Ⅴ串懸掛點(diǎn)受到的垂直載荷為：

式中：q為導(dǎo)線單位長(zhǎng)度質(zhì)量；n為導(dǎo)線根數(shù)。

根據(jù)GB 50545—2010《110 kⅤ～750 kⅤ架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［18］，在輸電塔線體系中，作用在架空輸電導(dǎo)線上的風(fēng)載荷可計(jì)算如下：

式中：Wx——垂直于線路方向的風(fēng)載荷，kN；

ω0——基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

α——風(fēng)壓不均勻系數(shù)；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

μs——線路的體形系數(shù)；

βc——風(fēng)載荷調(diào)整系數(shù)；

dw——導(dǎo)線截面直徑，若是分裂導(dǎo)線，則取其直徑總和，m；

Lp——水平檔距，m；

θ——風(fēng)載荷與線路的夾角，（°）；

v——高度為10 m處的風(fēng)速，m/s。

結(jié)合實(shí)際情況選取各參數(shù)值，可得在不同風(fēng)速下Ⅴ串懸掛點(diǎn)受到的水平載荷Ph=Wx，如表5所示。

表5 不同風(fēng)速下V形絕緣子串懸掛點(diǎn)受到的水平載荷Table 5 Horizontal load on suspension point of theⅤ-shaped insulator string at different wind speeds

3.2 雙聯(lián)與四聯(lián)V形絕緣子串風(fēng)偏特性分析

3.2.1 Ⅴ形絕緣子串風(fēng)偏過(guò)程

絕緣子串承受垂直載荷Gv和水平載荷Ph。采取依次加載的方式，先對(duì)雙聯(lián)Ⅴ串施加垂直載荷，再依次對(duì)其施加在8～42 m/s 不同風(fēng)速下的水平風(fēng)載荷（風(fēng)速間隔為5 m/s），來(lái)模擬整個(gè)風(fēng)偏過(guò)程。

第1步：以施加靜力的方式施加垂直載荷，雙聯(lián)Ⅴ串變形結(jié)果如圖12 所示，可知兩邊絕緣子串呈懸鏈線狀，自然下垂。其位移云圖如圖13所示，可知Ⅴ串下面連接點(diǎn)處的位移最大。其應(yīng)力云圖如圖14（a）所示，打開形狀單元顯示開關(guān)，可見Ⅴ串基本沿長(zhǎng)度方向均勻受力。由圖14（b）可知，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在Ⅴ串端頭上側(cè)，最小應(yīng)力出現(xiàn)在端頭下側(cè)。

圖12 加載垂直載荷后雙聯(lián)V形絕緣子串的變形圖Fig.12 Deformation diagram of the bigeminy Ⅴ-shaped insulator string under vertical load

圖13 加載垂直載荷后雙聯(lián)V形絕緣子串的位移云圖Fig.13 Displacement nephogram of the bigeminy Ⅴ-shaped insulator string under vertical load

圖14 加載垂直載荷后雙聯(lián)V形絕緣子串的應(yīng)力云圖Fig.14 Stress nephogram of the bigeminy Ⅴ-shaped insulator string under vertical load

第2步：施加水平風(fēng)載荷，選取Ph=98.73 kN進(jìn)行分析。同樣打開形狀單元顯示開關(guān)，即可顯示梁?jiǎn)卧獞?yīng)力云圖，如圖15所示，可見雙聯(lián)Ⅴ串的最大應(yīng)力出現(xiàn)在迎風(fēng)側(cè)，最小應(yīng)力出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)懸掛點(diǎn)處，且Ⅴ串迎風(fēng)側(cè)受到的應(yīng)力均比較大，相對(duì)于背風(fēng)側(cè)有比較明顯的差異。

對(duì)于四聯(lián)Ⅴ串，分別在β=10°，20°，30°時(shí)加載垂直載荷和不同的水平載荷，進(jìn)行其力學(xué)特性仿真。部分仿真結(jié)果如圖16至圖24所示。

圖15 加載98.73 kN 水平面載荷后雙聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖Fig.15 Stress nephogram of the bigeminy Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load of 98.73 kN

圖16 加載垂直載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（β=10°）Fig.16 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under vertical load（β=10°）

圖17 加載水平載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（v=8 m/s,β=10°）Fig.17 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load（v=8 m/s,β=10°）

圖18 加載水平載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（v=42 m/s,β=10°）Fig.18 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load（v=42 m/s,β=10°）

由仿真結(jié)果可知，在垂直載荷作用下，β=10°時(shí)，四聯(lián)Ⅴ串的最大、最小應(yīng)力均出現(xiàn)在靠近懸掛點(diǎn)連接處；β=20°，30°時(shí)，其最大、最小應(yīng)力均出現(xiàn)在Ⅴ串最低點(diǎn)連接處。繼續(xù)施加8 m/s的風(fēng)速，其迎風(fēng)側(cè)受到的應(yīng)力較大，且β=10°，20°，30°時(shí)的最大應(yīng)力幾乎相等；背風(fēng)側(cè)受到的應(yīng)力較小，應(yīng)力沿絕緣子長(zhǎng)度方向基本無(wú)變化。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到42 m/s時(shí)，其迎風(fēng)側(cè)受到的應(yīng)力很大，且應(yīng)力隨β的增大而增大；其背風(fēng)側(cè)受到的應(yīng)力都比較小，也隨β的增大而增大。

圖19 加載垂直載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（β=20°）Fig.19 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under vertical load（β=20°）

圖20 加載水平載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（v=8 m/s,β=20°）Fig.20 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load（v=8 m/s,β=20°）

圖21 加載水平載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（v=42 m/s,β=20°）Fig.21 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load（v=42 m/s, β=20°）

圖22 加載垂直載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（β=30°）Fig.22 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under vertical load（β=30°）

綜上所述，Ⅴ串在外載荷作用下的受力變形過(guò)程為：只有垂直載荷作用時(shí)，其承受的力主要由兩邊絕緣子串共同承擔(dān)，絕緣子串均為受拉狀態(tài)；當(dāng)受到垂直載荷和水平載荷作用時(shí)，隨著水平載荷的不斷增大，絕緣子串迎風(fēng)側(cè)承受更大的外力載荷，背風(fēng)側(cè)則承受相對(duì)較小的外力載荷。

圖23 加載水平載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（v=8 m/s,β=30°）Fig.23 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load（v=8 m/s,β=30°）

圖24 加載水平載荷后四聯(lián)V 形絕緣子串的應(yīng)力云圖（v=42 m/s,β=30°）Fig.24 Stress nephogram of the quadruple Ⅴ-shaped insulator string under horizontal load（v=42 m/s, β=30°）

3.2.2 Ⅴ形絕緣子串風(fēng)偏規(guī)律研究

在不同風(fēng)速下Ⅴ串受到的最大應(yīng)力如表6所示， Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移如表7所示。

表6 不同風(fēng)速下V形絕緣子串受到的最大應(yīng)力Table 6 Maximum stress on Ⅴ-shaped insulator string at different wind speeds 單位：MPa

圖25 V形絕緣子串所受最大應(yīng)力與Ph/Gv的關(guān)系曲線Fig.25 Relationship curve of maximum stress on Ⅴ-shaped insulator string and Ph/Gv

為分析Ⅴ串風(fēng)偏規(guī)律，研究在不同Ph/Gv下Ⅴ串背風(fēng)側(cè)、迎風(fēng)側(cè)所受最大應(yīng)力的變化情況。Ⅴ串所受最大應(yīng)力與Ph/Gv的關(guān)系曲線如圖25所示。Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移與風(fēng)速的關(guān)系曲線如圖26所示。

由圖25可知：對(duì)于迎風(fēng)側(cè)，不論是雙聯(lián)Ⅴ串還是四聯(lián)Ⅴ串，其最大應(yīng)力隨著Ph/Gv的增大呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，且當(dāng)Ph/Gv＞2.34后，最大應(yīng)力增速變大，這是由于在水平風(fēng)載比較小時(shí)，Ⅴ串主要表現(xiàn)為垂直載荷對(duì)其的影響，而隨著Ph/Gv的增大，則逐漸表現(xiàn)為水平風(fēng)載荷對(duì)其的影響，即風(fēng)速的增加會(huì)對(duì)Ⅴ串所受最大應(yīng)力的影響變大。對(duì)于背風(fēng)側(cè)，最大應(yīng)力隨著Ph/Gv的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)Ph/Gv=2.34時(shí)，其所受的最大應(yīng)力最小；在最大應(yīng)力達(dá)到最小之前，β越大，其最大應(yīng)力減小越快；在最大應(yīng)力達(dá)到最小之后，β 越大，其最大應(yīng)力增大越快，即β 越大，穩(wěn)定性越差。

圖26 V形絕緣子串最低點(diǎn)的水平位移與風(fēng)速的關(guān)系曲線Fig.26 Relationship curve of horizontal displacement of the lowest point of Ⅴ-shaped insulator string and wind speed

在Ph/Gv增大過(guò)程中，四聯(lián)Ⅴ串的最大應(yīng)力曲線相比于雙聯(lián)Ⅴ串更加平緩，這表明四聯(lián)Ⅴ串的性能更加穩(wěn)定，且β在10°～30°范圍內(nèi)時(shí)，β越小，應(yīng)力曲線越平緩，說(shuō)明Ⅴ串整體性能越穩(wěn)定。

綜合圖25和圖26可知，Ⅴ串最低點(diǎn)水平位移的變化大致可以分為3 個(gè)階段：1）在風(fēng)速較小即Ph/Gv小于一定值時(shí)，Ⅴ串最低點(diǎn)在水平方向基本不發(fā)生位移，只發(fā)生在重力載荷作用下的變形。隨著Ph/Gv不斷增大，Ⅴ串背風(fēng)側(cè)承受的載荷逐漸減小，但在這個(gè)過(guò)程中Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移較小。2）當(dāng)風(fēng)速增大到一定值即Ph/Gv達(dá)到一臨界值時(shí)，Ⅴ串背風(fēng)側(cè)承受的載荷達(dá)到最小，外力主要由迎風(fēng)側(cè)承受。3）當(dāng)風(fēng)速持續(xù)增大即Ph/Gv超過(guò)這一臨界值之后，Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移會(huì)隨著Ph/Gv的增大而快速增大。

由圖26還可知，在一定風(fēng)速下，四聯(lián)Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移遠(yuǎn)小于雙聯(lián)Ⅴ串，且β 在10°～30°范圍內(nèi)時(shí)，β越小，Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移越小，即結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，能夠更加有效地抵抗外力載荷的作用。

4 總 結(jié)

本文以云南地區(qū)某山區(qū)的架空線路為研究對(duì)象，基于ANSYS有限元仿真軟件對(duì)Ⅴ串在8～42 m/s風(fēng)速下的力學(xué)特性進(jìn)行分析，并引入系數(shù)Ph/Gv，研究在不同Ph/Gv下Ⅴ串背風(fēng)側(cè)、迎風(fēng)側(cè)的變形情況、所受最大應(yīng)力及其最低點(diǎn)水平位移的變化規(guī)律。得到如下結(jié)論：

1）Ⅴ串只受垂直載荷作用時(shí)，承受的力主要由兩邊絕緣子共同承擔(dān)，其絕緣子均呈受拉狀態(tài)；當(dāng)受到垂直載荷和水平載荷共同作用時(shí)，隨著水平載荷的增大，其迎風(fēng)側(cè)承受更大的外力載荷，背風(fēng)側(cè)則承受相對(duì)較小的外力載荷。

2）四聯(lián)Ⅴ串所受應(yīng)力明顯小于雙聯(lián)Ⅴ串，這表明四聯(lián)Ⅴ串的性能會(huì)更加穩(wěn)定。在一定角度范圍內(nèi)，絕緣子串聯(lián)與豎直平面夾角越小，四聯(lián)Ⅴ串的整體性能越穩(wěn)定。

3）絕緣子串聯(lián)與豎直平面夾角越小，四聯(lián)Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移越小，即結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。另外，四聯(lián)Ⅴ串最低點(diǎn)的水平位移遠(yuǎn)小于雙聯(lián)Ⅴ串。