安裝間隔棒的輸電線(xiàn)風(fēng)偏模型的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析

安裝間隔棒的輸電線(xiàn)風(fēng)偏模型的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)分析

0國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來(lái)，各種災(zāi)難天氣呈現(xiàn)出日益頻繁的趨勢(shì)，航空航道中的事故頻繁發(fā)生。輸電線(xiàn)路除了雷擊、外力破壞、鳥(niǎo)害、污穢閃絡(luò)外,大風(fēng)導(dǎo)致的送電線(xiàn)路風(fēng)偏放電明顯增多對(duì)于線(xiàn)路風(fēng)偏這一強(qiáng)迫響應(yīng)問(wèn)題的研究,目前的研究工作主要是針對(duì)塔頭絕緣子風(fēng)偏進(jìn)行的從安裝方式和布置原則上,國(guó)內(nèi)外的研究成果都僅僅討論了是否需要安裝相間間隔棒問(wèn)題,對(duì)于安裝數(shù)量、安裝位置等問(wèn)題,都未進(jìn)行有效深入的研究。故本文針對(duì)西北750kV緊湊型輸電線(xiàn)路工程,進(jìn)行了針對(duì)性的研究工作,研究通用的優(yōu)化配置方案,并對(duì)安裝方式和安裝位置的優(yōu)化進(jìn)行系統(tǒng)的研究和探討,為線(xiàn)路的穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。1非同期波動(dòng)分析1.1導(dǎo)線(xiàn)與塔的連接計(jì)算模型有以下初步假設(shè):1)導(dǎo)線(xiàn)為受張力的梁;2)導(dǎo)線(xiàn)形狀采用平拋物線(xiàn)公式;3)導(dǎo)線(xiàn)與塔身為固支連接方式。導(dǎo)線(xiàn)、子導(dǎo)線(xiàn)間隔棒以及相間間隔棒均采用梁?jiǎn)卧?在空間具有6個(gè)方向自由度。有限元模型如圖1所示,750kV緊湊型輸電線(xiàn)路有限元計(jì)算初始參數(shù)如表1所示,表中F1.2工頻電壓下陣風(fēng)風(fēng)速模型根據(jù)風(fēng)的基本特征,研究采用穩(wěn)態(tài)風(fēng)與陣風(fēng)2種模型對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的非同期搖擺進(jìn)行數(shù)值模擬。穩(wěn)態(tài)風(fēng)是一種穩(wěn)定而均勻的風(fēng),對(duì)于輸電線(xiàn)路系統(tǒng)的作用力與靜力作用相近,可簡(jiǎn)化為靜荷載;陣風(fēng)是一種空氣流動(dòng)速度變化劇烈的風(fēng)。研究表明,當(dāng)平均風(fēng)速為4~5.5m/s時(shí),陣風(fēng)所占比例為10%;當(dāng)平均風(fēng)速為5.6~8.5m/s時(shí),陣風(fēng)所占比例為15%;當(dāng)平均風(fēng)速超過(guò)8.5m/s時(shí),陣風(fēng)所占比例為20%,而且當(dāng)陣風(fēng)出現(xiàn)時(shí),保持最大風(fēng)速的時(shí)間為5s左右,陣風(fēng)不會(huì)持續(xù)出現(xiàn)超過(guò)20s。即將建設(shè)的永登—哈密750kV緊湊型輸電線(xiàn)路在工頻電壓氣象條件下最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為35m/s,在操作過(guò)電壓氣象條件下最大設(shè)計(jì)風(fēng)速為18m/s。那么,可以假定穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用時(shí),工頻電壓氣象條件下風(fēng)速為35m/s;操作過(guò)電壓氣象條件下風(fēng)速為18m/s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),本文假定了工頻電壓下陣風(fēng)風(fēng)速數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中,v為風(fēng)速;t為時(shí)間。操作過(guò)電壓下陣風(fēng)風(fēng)速數(shù)學(xué)表達(dá)式為1.3導(dǎo)線(xiàn)預(yù)應(yīng)力的施加雖然風(fēng)偏是一種典型的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象,但靜平衡位置是動(dòng)力分析的初始條件,尤其是導(dǎo)線(xiàn)在靜平衡位置的預(yù)應(yīng)力加載正確與否對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響非常顯著,因此,應(yīng)首先進(jìn)行導(dǎo)線(xiàn)的靜平衡分析及施加預(yù)應(yīng)力。根據(jù)拋物線(xiàn)方程建立導(dǎo)線(xiàn)有限元模型,求解由于導(dǎo)線(xiàn)自重而產(chǎn)生的自重應(yīng)力場(chǎng),然后在相同的導(dǎo)線(xiàn)有限元模型中,將自重應(yīng)力場(chǎng)作為預(yù)應(yīng)力加載。輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)屬于柔性結(jié)構(gòu),具有大位移、小應(yīng)變的變形特征?？梢詫⑤旊妼?dǎo)線(xiàn)的靜平衡也看作是一個(gè)大位移、小應(yīng)變的幾何非線(xiàn)性問(wèn)題,則其非線(xiàn)性靜力方程可表示為式中,K導(dǎo)線(xiàn)非線(xiàn)性靜力平衡使用的是空間梁?jiǎn)卧?這種單元在進(jìn)行幾何非線(xiàn)性的計(jì)算時(shí)適宜采用動(dòng)坐標(biāo)迭代法。該方法首先利用整體坐標(biāo)下的節(jié)點(diǎn)位移建立各單元的局部坐標(biāo),然后計(jì)算在局部坐標(biāo)下各單元的位移列陣δ′1.4結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性動(dòng)力動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)達(dá)朗伯原理,考慮到導(dǎo)線(xiàn)及其附加質(zhì)量的重力、風(fēng)作用于導(dǎo)線(xiàn)上的壓力、阻尼力、慣性力,導(dǎo)線(xiàn)系統(tǒng)的6自由度非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)方程可以表示為式中,M、K和C分別是結(jié)構(gòu)總體質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣,由單元質(zhì)量矩陣M采用無(wú)條件穩(wěn)定的Newmark方法與荷載增量法相結(jié)合求解動(dòng)力學(xué)方程。首先將荷載分成若干個(gè)增量,然后針對(duì)每一荷載增量的非線(xiàn)性方程將其線(xiàn)性化,從而使這一非線(xiàn)性問(wèn)題分解為一系列線(xiàn)性問(wèn)題。2安裝間隙棒時(shí)相互間接安裝數(shù)值模擬計(jì)算以西北750kV單回、同塔雙回緊湊型線(xiàn)路主要參數(shù)為參考,確定了用于工程實(shí)際的相間間隔棒的結(jié)構(gòu)形式和相關(guān)參數(shù),并對(duì)安裝間隔棒后導(dǎo)線(xiàn)次檔距振蕩、導(dǎo)線(xiàn)張力變化等進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,并得到750kV緊湊型線(xiàn)路相間間隔棒的優(yōu)化布置方案。2.1穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下相間距的變化有限元分析得到的穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下相導(dǎo)線(xiàn)檔距中心點(diǎn)最大偏移距離及水平兩相導(dǎo)線(xiàn)檔距中點(diǎn)相間最小空氣間隙如表2所示,有限元分析得到的陣風(fēng)工況下相導(dǎo)線(xiàn)檔距中心點(diǎn)最大偏移距離及水平兩相導(dǎo)線(xiàn)檔距中點(diǎn)相間最小空氣間隙如表3所示。由表2可見(jiàn),海拔≤1000m的地區(qū),在輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)走向與風(fēng)向夾角均為90°時(shí),檔距為300、400、500m的線(xiàn)路在工頻氣象條件及操作過(guò)電壓氣象條件下檔距中央相間間隙均滿(mǎn)足相關(guān)報(bào)告規(guī)定的最小間隙值,說(shuō)明穩(wěn)態(tài)風(fēng)作用下的輸電線(xiàn)路基本上不會(huì)由于非同期搖擺的影響而發(fā)生相間閃絡(luò)。由表3中的計(jì)算結(jié)果可以看出,輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)檔距中點(diǎn)風(fēng)偏后的最大水平、垂直位移及水平兩相導(dǎo)線(xiàn)中點(diǎn)最小空氣間距不僅與檔距長(zhǎng)度有密切關(guān)系,而且風(fēng)向與線(xiàn)路走向夾角也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大影響。在相同的陣風(fēng)作用下,檔距越長(zhǎng),導(dǎo)線(xiàn)水平、垂直位移越大,非同期搖擺造成相間最小距離越小。檔距長(zhǎng)度相同時(shí),風(fēng)向夾角越大,陣風(fēng)的作用越明顯。從表3中還可以看出,陣風(fēng)工況下的相間距相對(duì)于穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下的相間距在線(xiàn)路設(shè)計(jì)上更偏于保守,在陣風(fēng)工況的風(fēng)速條件下400、500m長(zhǎng)度的檔距且風(fēng)向與線(xiàn)路夾角30°時(shí),檔距中央相間最小間距均超過(guò)了750kV緊湊型輸電線(xiàn)路工頻電壓、操作過(guò)電壓的相間最小安全間隙;300m長(zhǎng)度的檔距時(shí)工頻氣象條件下最小相間距處于安全范圍內(nèi),而在操作過(guò)電壓氣象條件下,僅在風(fēng)向與線(xiàn)路夾角30°時(shí)最小相間距是安全的。2.2安裝間隙棒時(shí)相互間接安裝位置的確定考慮750kV緊湊型相導(dǎo)線(xiàn)分裂數(shù)多、導(dǎo)線(xiàn)直徑大等特性,對(duì)35、40、45和50mm芯棒直徑間隔棒進(jìn)行了選型分析,以配置數(shù)量少、滿(mǎn)足線(xiàn)路安全穩(wěn)定運(yùn)行為優(yōu)化目標(biāo),綜合考慮,最終選定40mm和45mm兩種芯棒直徑的相間間隔棒,并對(duì)其防非同期搖擺的性能和效果進(jìn)行研究和探討。相間間隔棒樣品如圖2所示,基本參數(shù)見(jiàn)表4。通過(guò)計(jì)算分析可知,對(duì)于<300m的檔距,通常情況下,可考慮不安裝相間間隔棒。對(duì)于檔距300~500m的情況,可以根據(jù)不同的情況分別設(shè)置1根、2根和3根相間間隔棒:當(dāng)安裝設(shè)置1根時(shí),建議通常安裝在檔距的中央;安裝2根時(shí),建議安裝在檔距左右約1/3處,并根據(jù)工程實(shí)際中子導(dǎo)線(xiàn)間隔棒的安裝位置,使相間間隔棒安裝在距檔中子導(dǎo)線(xiàn)間隔棒臨近的兩子導(dǎo)線(xiàn)間隔棒上,并進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)算;安裝3根時(shí),考慮分別安裝在檔距的中央以及檔距約2/9和2/7處。陣風(fēng)狀態(tài)下相間間隔棒安裝方式及最小相間間隙見(jiàn)表5。2.3線(xiàn)路初始參數(shù)以500m典型檔距為算例,計(jì)算了2種工況下分裂導(dǎo)線(xiàn)弧垂最低點(diǎn)張力的瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。線(xiàn)路初始參數(shù)如表1所示,荷載為陣風(fēng)形式。圖3所示為工頻電壓氣象條件下檔內(nèi)安裝3支相間間隔棒和沒(méi)有安裝相間間隔棒時(shí)分裂導(dǎo)線(xiàn)弧垂最低點(diǎn)張力時(shí)程F2.4引入風(fēng)偏的間風(fēng)特性分析相間間隔棒所受載荷大小在導(dǎo)線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是一個(gè)隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)載荷載,載荷的變化過(guò)程不僅與風(fēng)速大小有關(guān),還與導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)、檔距長(zhǎng)度、相間間隔棒安裝位置及數(shù)量有關(guān)。從圖5可以看出,相間間隔棒在靜止?fàn)顟B(tài)只受自重載荷的影響,內(nèi)力較小;隨后迎風(fēng)側(cè)相導(dǎo)線(xiàn)受到強(qiáng)風(fēng)作用發(fā)生偏移,導(dǎo)致相間間隔棒隨之發(fā)生偏移,由于受風(fēng)時(shí)間差的關(guān)系,在背風(fēng)側(cè)導(dǎo)線(xiàn)還沒(méi)有受到風(fēng)載荷作用而基本處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),相間間隔棒內(nèi)力表現(xiàn)為受壓狀態(tài);隨著時(shí)間的持續(xù),水平兩相導(dǎo)線(xiàn)沿順風(fēng)向發(fā)生非同期擺動(dòng),相間間隔棒內(nèi)部承受一定的壓力;最后,導(dǎo)線(xiàn)及相間間隔棒沿順風(fēng)向偏轉(zhuǎn)到最大程度后發(fā)生回落及來(lái)回往復(fù)搖擺現(xiàn)象,此時(shí)相間間隔棒基本表現(xiàn)為受拉狀態(tài)。由分析結(jié)果可以得知本課題的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際線(xiàn)路中觀察到的風(fēng)偏過(guò)程基本相同。圖6相間間隔棒內(nèi)力響應(yīng)變化規(guī)律與圖5中內(nèi)力響應(yīng)變化規(guī)律基本一致:相間間隔棒在初始靜止?fàn)顟B(tài)由于僅受重力作用,其內(nèi)力較小;導(dǎo)線(xiàn)受風(fēng)偏轉(zhuǎn)的初期,相間間隔棒受壓,并且隨著時(shí)間的增長(zhǎng),所受壓力逐漸增大,增大到一定程度后壓力大小隨著時(shí)間的增長(zhǎng)又逐漸減小且變化趨于平緩,最終相間間隔棒內(nèi)的拉力由于導(dǎo)線(xiàn)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而變化。2.5尾流非定常激振振動(dòng)方程的構(gòu)建為了保證加裝子間隔棒及相間間隔棒設(shè)計(jì)的可靠性,提高次檔距振蕩的安全性,必須對(duì)分裂導(dǎo)線(xiàn)的次檔距振蕩振幅及動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析。正確的尾流激振(次檔距振蕩)分析,應(yīng)當(dāng)建立在全三維非定常粘性流動(dòng)分析的基礎(chǔ)上,但存在困難。為了使問(wèn)題得到簡(jiǎn)化,研究中將分裂導(dǎo)線(xiàn)所受的空氣尾流非定常激振力簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)諧激振力的形式,將求解與時(shí)間有關(guān)的非定常方程轉(zhuǎn)化為求解與時(shí)間無(wú)關(guān)的振幅方程,分裂導(dǎo)線(xiàn)由尾流引起的次檔距振蕩現(xiàn)象可以簡(jiǎn)化看作是兩個(gè)相互垂直、同頻率或不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成,因此采用諧響應(yīng)分析的方法求出分裂導(dǎo)線(xiàn)動(dòng)力學(xué)方程的穩(wěn)態(tài)解。首先通過(guò)模態(tài)分析得到分裂導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生次檔距振蕩時(shí)典型的前三階固有頻率如表7所示,由表8所示分裂導(dǎo)線(xiàn)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)計(jì)算結(jié)果可知,相間間隔棒對(duì)次檔距振蕩振幅影響不大。3安裝間隔棒時(shí)相導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)偏本文針對(duì)750kV緊湊型輸電線(xiàn)路特點(diǎn),采用非線(xiàn)性有限元方法對(duì)輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)在風(fēng)偏狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析。主要結(jié)論有:a)水平排列兩相導(dǎo)線(xiàn)在大風(fēng)作用下做非同步低頻振動(dòng)。b)在穩(wěn)態(tài)風(fēng)的持續(xù)作用下,750kV緊湊型輸電線(xiàn)路檔距中央最小相間距是在安全范圍內(nèi)的。c)在相同的陣風(fēng)工況下,檔距越長(zhǎng),導(dǎo)線(xiàn)水平、垂直位移越大,非同期搖擺造成相間最小距離越小,甚至超過(guò)相間最小安全間隙。d)安裝