脈動風(fēng)作用下特高壓絕緣子串的風(fēng)偏特牲
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閔絢，文志科，曾云飛，付晶
（中國電力科學(xué)研究院，湖北武漢430074）
摘要：特高壓線路比較低電壓等級線路來說，具有絕緣子串更長，地理跨度更大，絕緣子串的動態(tài)風(fēng)偏特性將更為突出的特點。建立了4卡當(dāng)絕緣子串一導(dǎo)線整體數(shù)值模型．模擬了脈動風(fēng)的風(fēng)速時程曲線．通過改變風(fēng)速、垂直荷載、導(dǎo)線型號和單／雙聯(lián)絕緣子串等因素，系統(tǒng)地研究了脈動風(fēng)作用下特高壓線路絕緣子串的風(fēng)偏特性，結(jié)果表明：不同條件下特高壓線路風(fēng)偏角脈動響應(yīng)系數(shù)p大致在1.1—1.2變化。風(fēng)速一定時，絕緣子串風(fēng)偏角隨著導(dǎo)線截面增加而減小，在進(jìn)行特高壓線路絕緣子串風(fēng)偏角計算時，雙聯(lián)復(fù)合、盤形絕緣子串可以簡化為對應(yīng)型號的單聯(lián)復(fù)合、盤形絕緣子串。
關(guān)鍵詞：特高壓線路：風(fēng)速；垂直荷載；風(fēng)偏角；時程分析；盤形絕緣子：復(fù)合絕緣子
0引言
2005-2011年國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)110(66) kV及以上電壓等級輸電線路共發(fā)生風(fēng)偏跳閘751次．造成故障停運376次．分別是導(dǎo)致線路跳閘和故障停運原因的第6位和第5位。其中，500 kV輸電線路發(fā)生風(fēng)偏跳閘103次，占總數(shù)的l3.7%：330 kV輸電線路發(fā)生20次，占2.7%；220 kV輸電線路發(fā)生259次，占34.1%；110(66) kV輸電線路發(fā)生364次，占48.5%; +500 kV輸電線路發(fā)生4次，占0.53%;1 000 kV輸電線路發(fā)生1次，占0.13%。輸電線路絕緣子串發(fā)生風(fēng)偏放電后，由于大風(fēng)的持續(xù)作用和導(dǎo)線運動慣性的影響，電氣間隙距離仍然較小且空氣游離還沒有恢復(fù)，使得線路重合閘往往不成功，嚴(yán)重影響供電的可靠性。
目前，國內(nèi)外均是按照靜力平衡原理來計算輸電線路風(fēng)偏角的．即認(rèn)為在穩(wěn)態(tài)風(fēng)的作用下．當(dāng)垂直作用于導(dǎo)線及絕緣子串的風(fēng)荷載與其重力達(dá)到靜力平衡時．此時懸垂絕緣子串的傾斜角即為該風(fēng)速下的風(fēng)偏角。但是，自然界的風(fēng)是一個隨機(jī)過程，其由穩(wěn)態(tài)風(fēng)和脈動風(fēng)2部分組成。穩(wěn)態(tài)風(fēng)的周期一般為10 min,其作用屬于靜力性質(zhì)，而脈動風(fēng)是在穩(wěn)態(tài)風(fēng)基礎(chǔ)上的波動．周期常常只有幾秒至幾十秒，大小及方向隨時間按隨機(jī)規(guī)律變化，其作用屬于隨機(jī)的動力作用，因此，對絕緣子串和導(dǎo)線作用的動態(tài)效應(yīng)不可忽略。隨著計算機(jī)硬件軟件水平的不斷提升．各種數(shù)值模擬的技術(shù)被引入到風(fēng)偏模型的研究中來。文獻(xiàn)[9]用ANSYS軟件建立了輸電塔一絕緣子串一導(dǎo)線的耦合模型，并且施加脈動風(fēng)速時程計算了該模型的風(fēng)偏角。文獻(xiàn)[10-12]等人運用ABAQUS軟件分別建立了兩檔絕緣子串一導(dǎo)線耦合模型和絕緣子串多剛體模型，并進(jìn)行了脈動風(fēng)時程分析，提出了考慮動力效應(yīng)的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)等，但是以上研究多是針對一般的高壓輸電線路．并且對導(dǎo)線耦合作用的考慮不夠周全，對絕緣子串風(fēng)偏狀態(tài)下的真實形態(tài)也鮮有研究。對于特高壓線路較低電壓等級線路來說，其絕緣子串更長，地理跨度更大，絕緣子串的動態(tài)風(fēng)偏特性將更為突出。
本文采用ANSYS軟件建立了4檔絕緣子串一導(dǎo)線整體數(shù)值模型，用Matlab軟件模擬脈動風(fēng)的風(fēng)速時程曲線，通過改變風(fēng)速、垂直荷載、導(dǎo)線型號和單／雙聯(lián)絕緣子串等因素．系統(tǒng)地研究了脈動風(fēng)作用下特高壓線路絕緣子串的風(fēng)偏特性．得出的結(jié)論可為完善現(xiàn)有的風(fēng)偏計算方法提供理論依據(jù)。
1 有限元建模
根據(jù)實際導(dǎo)線的形狀結(jié)構(gòu)和受力特性，將輸電導(dǎo)線近似看成一根處處鉸接的柔軟鏈條．即懸鏈線形式．因此采用二節(jié)點梁單元建立導(dǎo)線模型，風(fēng)荷載施加在單元節(jié)點處。
目前特高壓工程常用的絕緣子有瓷絕緣子、玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子等，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，瓷絕緣子和玻璃絕緣子統(tǒng)稱為盤形絕緣子。對于盤形絕緣子，每片絕緣子采用二節(jié)點梁單元模擬，梁單元的長度等于單片絕緣子的高度，梁單元的截面等效為圓形，直徑取為單片絕緣子高度的1/10。盤形絕緣子在風(fēng)偏擺動過程中，相鄰絕緣子的連接處沒有相對線位移，只有相對角位移，因此用球鉸模擬相鄰絕緣子之間的約束關(guān)系，摩擦阻尼忽略不計，風(fēng)荷載施加在梁單元的節(jié)點處。對于復(fù)合絕緣子，芯棒是其承受荷載的主要部位，因此以其芯棒直徑建模，采用二節(jié)點梁單元模擬，傘群作為均布質(zhì)量添加到芯棒密度中。為了使其計算結(jié)果更為準(zhǔn)確，把復(fù)合絕緣子芯棒劃分為多個單元，單元之間連接采用固結(jié)方式，即2個相交單元的公共節(jié)點有6個自由度完全耦合。
對于子導(dǎo)線間隔棒，在風(fēng)偏過程中，子導(dǎo)線間隔棒包含了拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲的綜合作用，因此選用二節(jié)點梁單元模擬。
在前述建立的導(dǎo)線、絕緣子串及子導(dǎo)線間隔棒模型基礎(chǔ)上，根據(jù)實際線路結(jié)構(gòu)特點，參考文獻(xiàn)[14]的研究成果是建立4檔絕緣子串一導(dǎo)線整體數(shù)值模型，如圖1和圖2所示，L1和h1為研究對象絕緣子串的小號側(cè)檔距和高差，L2和h2為研究對象絕緣子串的大號側(cè)檔距和高差，其余檔距L均為800 m,高差均為Om（相鄰檔絕緣子串高度低于研究對象絕緣子串的高度時，高差為正，反之為負(fù)）。
2脈動風(fēng)的模擬
本文采用考慮高度變化的Kaimal譜．其計算公式為
式中：zo為地面粗糙度．m;K為地面粗糙度系數(shù)；z為距地面高度，m；V(z)為距地面高度為z處的平均風(fēng)速，m/s;f為漠林坐標(biāo)，無量綱；f為頻率，Hz;V+為摩擦速度，m/s。
作用在空間某一點的脈動風(fēng)特征可用其功率譜（稱為該點的自功率譜）來描述。但是，對于本文的研究目標(biāo)特高壓輸電線路而言，其空間跨度大，任意時刻導(dǎo)線上各點的脈動風(fēng)速并不相同，因此還需要考慮沿導(dǎo)線各點脈動風(fēng)之間的相互關(guān)系。用于描述空間兩點之間脈動風(fēng)相互關(guān)系的函數(shù)被稱為互功率譜密度函數(shù)，其定義為
式中：S，(z1，,f)為點1的自功率譜；S2(z2，f)為點2的自功率譜；Coh（r，f）表示點1和點2脈動風(fēng)相互影響程度的相干函數(shù)。一般使用Davenport函數(shù)表示．可以反映點1和點2之間脈動風(fēng)在垂直方向和水平方向的相互影響．其具體表達(dá)式為
式中：r為2點連線間的距離，m；xi，彳l和X2，22分別表示空間1、2兩點的水平位置坐標(biāo)和垂直位置坐標(biāo)：V(zi)和V(z2)距地面高度分別為ZI和22處的平均風(fēng)速，m/s,e和e分別為水平方向和垂直方向指數(shù)衰減系數(shù)，一般可取G= 16，C.=10。
已知脈動風(fēng)功率譜以及互功率譜密度函數(shù)后，采用譜表示法得到脈動風(fēng)速時程曲線。假設(shè)序列{v1（x1，z1，t），V2（x2，z2，t）， …，vn，（xn，zn.t）為某一個時刻t空間不同位置（z。，z。）的脈動風(fēng)速分布．則由Shinozuka理論，該風(fēng)速分布序列可由下式計算得到，即
式中：N為頻率劃分的段數(shù)；△w為角頻率增量．rad/s;w。I，為上截止角頻率，即當(dāng)w>w．，，時，S(w)=0，rad/s;w。d為m點角頻率的第1個分量，rad/s；中。，為均勻分布于區(qū)間[0，2州的隨機(jī)相位角；H(w)為對功率譜矩陣S(w)進(jìn)行Cholesky分解后得到的下三角矩陣。
圖3是運用上述理論模擬出某點的風(fēng)速時程曲線，脈動風(fēng)風(fēng)速為30 m/s,即脈動風(fēng)在穩(wěn)態(tài)風(fēng)的大小為30 m/s基礎(chǔ)上波動。
脈動風(fēng)條件下．絕緣子串風(fēng)偏運動軌跡是隨著時間的推移而不斷變化的．因此不能按照與穩(wěn)態(tài)風(fēng)一樣的方式，采用定值來描述絕緣子串風(fēng)偏形態(tài)的表征參量，而需要使用概率統(tǒng)計法。以絕緣子串風(fēng)偏角為例，根據(jù)隨機(jī)過程理論，其統(tǒng)計特征可描述為
式中：妒為絕緣子串搖擺角統(tǒng)計值，(。)；石為脈動風(fēng)條件下絕緣子串搖擺角平均值，(。)；占為絕緣子串搖擺角均方差；u為保證系數(shù)，表示統(tǒng)計結(jié)果的保證率或置信度。根據(jù)中國可靠性指標(biāo)的規(guī)定，u一般取2.2，對應(yīng)保證率為98.61%。本文中，分別取u為2.2與2.5（對應(yīng)保證率為99.380/0）進(jìn)行分析。
3計算結(jié)果及分析
3.1 風(fēng)速的影響
改變導(dǎo)線高度處不同的脈動風(fēng)風(fēng)速．風(fēng)向平行于水平而且與導(dǎo)線垂直。計算參數(shù)為：導(dǎo)線為8xjL/GIA -500/35，盤形絕緣子串為54片XWP-300．復(fù)合絕緣子為FXBW-1000/300,2種絕緣子串長均為10.53 m，子導(dǎo)線問隔棒型號為JZF8-40/500，沿導(dǎo)線方向每隔50 m安裝1個，左右高差均為Om。計算結(jié)果如表1和表2所示。
脈動響應(yīng)系數(shù)p=脈動風(fēng)作用下風(fēng)偏角／穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下的風(fēng)偏角。
由表1和表2可知：
(1)不管風(fēng)速如何改變，脈動風(fēng)作用下的盤形絕緣子串和復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角均比穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下的結(jié)果要大，且保證系數(shù)u越大，脈動風(fēng)作用下的風(fēng)偏角也越大。
(2)在研究范圍內(nèi)，風(fēng)偏角的脈動響應(yīng)系數(shù)盧為1.10~1.20．且風(fēng)速越大B取值越小，如：風(fēng)速為20 m/s．檔距L1/L2為800 m/600 m，在保證系數(shù)分別為2.2和2.5時，復(fù)合絕緣子風(fēng)偏角的脈動響應(yīng)系數(shù)B分別為1.17和1.20，當(dāng)風(fēng)速增大到40 m/s時，屆減小至1.11和1.12，其原因是由于反正切函數(shù)的變化規(guī)律。
(3)盤形絕緣子串和復(fù)合絕緣子的風(fēng)偏角隨著風(fēng)速的增加而增大，在同樣條件下．盤形絕緣子串的風(fēng)偏角略小，分析原因是兇為在相同的串長條件下，盤形絕緣子串較復(fù)合絕緣子重，當(dāng)兩類絕緣子串承受相同的水平風(fēng)荷載時，使得盤形絕緣子串風(fēng)偏結(jié)果比復(fù)合絕緣子略小。
3.2 垂直荷載的影響
通過選取不同的高差組合來改變導(dǎo)線垂直荷載，左檔距L為800 m．右檔距L：為600 m，脈動風(fēng)的風(fēng)速為30 m/s．其余計算參數(shù)同3.1節(jié)。計算結(jié)果如表3和表4所示。
由表3和表4可知：盤形絕緣子串和復(fù)合絕緣子的風(fēng)偏角隨著垂直荷載的增加而減小，在同樣條件下．盤形絕緣子串的風(fēng)偏角較復(fù)合絕緣子略�。治鲈蚴且驗樵谙嗤拇L條件下，盤形絕緣子串較復(fù)合絕緣子重，當(dāng)兩類絕緣子串承受相同的導(dǎo)線垂直荷載時，使得盤形絕緣子串風(fēng)偏結(jié)果較復(fù)合絕緣子略小。
3.3 導(dǎo)線型號的影響
選取8 xjL/GIA一500/35、8xjL/GIA-630/45和8 xjL/GIA -900/40三種導(dǎo)線型號，左檔距L為800 m,右檔距L2為600 m．左右高差均為Om，絕緣子串為54片XWP-300．其余計算參數(shù)同3.1節(jié)。計算結(jié)果如表5和表6所示。
由表5和表6可知：當(dāng)風(fēng)速不變時，盤形絕緣子串風(fēng)偏角隨著導(dǎo)線截面增加而減小。分析原因是由于導(dǎo)線型號對風(fēng)偏角的影響取決于2個參數(shù)，即導(dǎo)線直徑和單位長度質(zhì)量，導(dǎo)線直徑會影響水平風(fēng)荷載的大小．而導(dǎo)線單位長度質(zhì)量則會影響垂直荷載大小。風(fēng)速一定時，導(dǎo)線的直徑和單位長度質(zhì)量隨著導(dǎo)線截面的增加而增大，水平風(fēng)荷載和垂直荷載也變大．但是此時水平風(fēng)荷載增量不足以與豎向垂直荷載增量維持平衡，因此盤形絕緣子串風(fēng)偏角基本隨著導(dǎo)線截面增加而減小。
3.4單／雙聯(lián)懸垂絕緣子串的影響
線路跨越山谷、河流或重冰區(qū)時，導(dǎo)線的綜合荷載很大．當(dāng)其超過單聯(lián)懸垂絕緣子串所允許的荷載范圍時，將會采用雙聯(lián)懸垂絕緣子串組合，順線路方向布置，即2串絕緣子串所形成的平面平行于線路方向。因此，本節(jié)研究單聯(lián)和雙聯(lián)懸垂絕緣子串對風(fēng)偏角的影響。計算參數(shù)：盤形絕緣子串為54片XWP-300,復(fù)合絕緣子為FXBW-1000/300，串長均為10.53 m,左檔距L為800 m，右檔距L為600 m,其余計算參數(shù)同3.1節(jié)。計算結(jié)果如表7~8和圖4~7所示。
由表7~8和圖4~7可知：
(1)不管絕緣子串是單聯(lián)還是雙聯(lián)，脈動風(fēng)作用下的復(fù)合絕緣子、盤形絕緣子串風(fēng)偏角均比穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下的結(jié)果要大，且保證系數(shù)u越大，脈動風(fēng)作用下的風(fēng)偏角也越大。
(2)當(dāng)垂直荷載一定時，單聯(lián)、雙聯(lián)復(fù)合絕緣子、盤形絕緣子串的風(fēng)偏角均隨著風(fēng)速的增加而增大，而當(dāng)風(fēng)速不變時，單聯(lián)、雙聯(lián)復(fù)合絕緣子、盤形絕緣子串的風(fēng)偏角均隨著垂直荷載的增加而減小。
(3)同樣的風(fēng)速、垂直荷載和保證系數(shù)條件下，單聯(lián)、雙聯(lián)復(fù)合絕緣子的風(fēng)偏結(jié)果基本一致，在研究范圍的最大風(fēng)偏角變化△西為0.26。；單聯(lián)、雙聯(lián)盤形絕緣子串的風(fēng)偏結(jié)果略有差別，在研究范圍的最大風(fēng)偏角變化△垂為-1.300，、上述結(jié)果說明在進(jìn)行絕緣子串風(fēng)偏角計算時，雙聯(lián)復(fù)合、盤形絕緣子串可以簡化為對應(yīng)型號的單聯(lián)復(fù)合、盤形絕緣子串。
4結(jié)論
通過模擬計算和分析，得出結(jié)論：(1)不同條件下特高壓線路風(fēng)偏角脈動響應(yīng)系數(shù)B為1.1~1.2，且隨著保證系數(shù)u的增大，脈動風(fēng)作用下的特高壓線路風(fēng)偏角也越大。(2)當(dāng)垂直荷載一定時，單／雙聯(lián)復(fù)合絕緣子、盤形絕緣子串的風(fēng)偏角均隨著風(fēng)速的增加而增大：而當(dāng)風(fēng)速不變時，單／雙聯(lián)復(fù)合絕緣子、盤形絕緣子串的風(fēng)偏角均隨著垂直荷載的增加而減小，同樣條件下．盤形絕緣子串的風(fēng)偏角較復(fù)合絕緣子的結(jié)果略小。(3)風(fēng)速一定時．盤形絕緣子串風(fēng)偏角隨著導(dǎo)線截面增加而減小。(4)同樣的風(fēng)速、垂直荷載和保證系數(shù)條件下，單／雙聯(lián)復(fù)合絕緣子的風(fēng)偏結(jié)果基本一致，單／雙聯(lián)盤形絕緣子串的風(fēng)偏結(jié)果略有差別。上述結(jié)果說明在進(jìn)行特高壓線路絕緣子串風(fēng)偏角計算時，雙聯(lián)復(fù)合、盤形絕緣子串可以簡化為對應(yīng)型號的單聯(lián)復(fù)合、盤形絕緣子串。
