500kv四分裂輸電線路風(fēng)偏響應(yīng)的影響因素分析

500kv四分裂輸電線路風(fēng)偏響應(yīng)的影響因素分析

近年來，由于能源負(fù)荷的快速增加，供電線路的電壓等級越來越高，線路走廊越來越大，導(dǎo)線和絕緣材料的清潔，供電線路對風(fēng)的敏感越來越強(qiáng)，絕緣線路的風(fēng)偏差問題越來越明顯，逐年增加。線路風(fēng)偏研究主要集中在兩個(gè)方面:一是針對塔頭絕緣子國內(nèi)外許多學(xué)者對輸電線路風(fēng)偏展開了大量的研究工作。朱寬軍研究了單檔多分裂導(dǎo)線在穩(wěn)態(tài)風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)作用下的非同期搖擺特性及防治措施以上只是單獨(dú)研究了相間導(dǎo)線的非同期搖擺或塔頭絕緣子的風(fēng)偏響應(yīng),沒有綜合考慮二者的相互影響;只考慮檔距對風(fēng)偏響應(yīng)的影響,沒有研究檔數(shù)對風(fēng)偏響應(yīng)的影響。為此,本文利用ANSYS建立了導(dǎo)線–絕緣子耦合模型,得到不同檔距、檔數(shù)下,相間導(dǎo)線的非同期搖擺和塔頭絕緣子的風(fēng)偏響應(yīng)結(jié)果。1四段式輸電線的輸電線設(shè)計(jì)1.1輸電線密度設(shè)計(jì)由于輸電線在自然狀態(tài)下呈懸鏈線形態(tài),進(jìn)行有限元建模時(shí),首先要確定無應(yīng)力狀態(tài)下的導(dǎo)線形態(tài),稱之為“找”形,在找形后的模型上施加重力,經(jīng)過一定的拉伸變形達(dá)到懸鏈線的最終形態(tài)計(jì)算模型有如下假設(shè):單檔導(dǎo)線兩端為固支約束;多檔導(dǎo)線兩端為固支約束,中間與懸垂絕緣子連接,懸垂絕緣子頂端為固支約束;采用懸鏈線理論模擬輸電線。本文選取的導(dǎo)線型號為LGJ-240/30,絕緣子串型號為XP-16。三相導(dǎo)線為常規(guī)水平布置,相間中心距為11000mm,采用LINK10單元模擬分裂導(dǎo)線,單元長度為5m。采用BEAM188模擬絕緣子,每個(gè)絕緣子串劃分成10個(gè)單元。表1和表2為導(dǎo)線參數(shù)和絕緣子參數(shù),圖1、圖2分別為三相導(dǎo)線排列結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線–絕緣子串有限元模型(x、y、z分別為沿著導(dǎo)線的方向、垂直于導(dǎo)線的水平方向、垂直于導(dǎo)線的豎直方向)。根據(jù)《220~500kV架空送電線路技術(shù)規(guī)定》規(guī)定,在海拔小于或等于1000m地區(qū),工頻電壓、操作過電壓相間最小間隙不應(yīng)小于表3所列數(shù)值;帶電部分與桿塔構(gòu)件的最小間隙不應(yīng)小于表4所列數(shù)值。1.2自然風(fēng)模型的建立風(fēng)荷載模型的選取對輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)的研究起著重要作用。設(shè)計(jì)規(guī)范一般采用穩(wěn)態(tài)風(fēng)模型,即將風(fēng)速等效為靜載荷加載在輸電線路上。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,采用數(shù)值方法模擬的脈動(dòng)風(fēng)荷載頻繁見于對輸電線路的風(fēng)偏閃絡(luò)研究中。文獻(xiàn)通常,自然風(fēng)由平均風(fēng)和陣風(fēng)構(gòu)成。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8.5m/s時(shí),陣風(fēng)所占比例為20%。一般陣風(fēng)風(fēng)速比平均風(fēng)速大50%或更大,保持最大風(fēng)速約5s,持續(xù)時(shí)間不超過20s。國外研究大都考慮陣風(fēng)系數(shù)的影響,如日本直接以3~5s的瞬時(shí)風(fēng)速作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn),前蘇聯(lián)也明確提出在導(dǎo)線風(fēng)偏計(jì)算中需要考慮陣風(fēng)的影響,平坦地形取1.15倍的系數(shù)當(dāng)平均風(fēng)速為32m/s時(shí),陣風(fēng)風(fēng)速為48m/s。陣風(fēng)模型表達(dá)式為式中:v為風(fēng)速;t為時(shí)間。導(dǎo)線非同期搖擺是由于三相導(dǎo)線在水平方向上所受風(fēng)荷載的時(shí)間差引起的。圖3、圖4分別為三相導(dǎo)線在穩(wěn)態(tài)風(fēng)和陣風(fēng)下不同時(shí)刻的風(fēng)速值。2不同文檔距離和文檔數(shù)對風(fēng)的介觀特性的金元分析對500kV輸電線路分別建立了單檔和多檔輸電線路有限元模型,研究在穩(wěn)態(tài)風(fēng)和陣風(fēng)兩種風(fēng)載模型下,不同檔距輸電線的相間最小距離。2.1穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下場景下相位最小間隙穩(wěn)態(tài)風(fēng)與陣風(fēng)工況下不同檔數(shù)和檔距下的相間最小距離見表5至表8。從以上4個(gè)表可看出:在穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下,相間最小間隙都大于規(guī)定的操作過電壓相間最小間隙,即在穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下,不同檔數(shù)和檔距的相間距離都是安全的,不會(huì)發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)的事故。單檔線路在陣風(fēng)工況下比穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下相間最小間隙減小14.10%~28.0%;兩檔線路相間最小間隙減小15.30%~29.10%,懸垂處與塔身最小距離減小9.50%~14.40%;三檔線路相間最小間隙減小15.70%~28.70%,懸垂處與塔身最小距離減小6.90%~13.80%;四檔線路相間最小間隙減小15.90%~29.50%,懸垂處與塔身最小距離減小9.70%~15.30%。以上數(shù)據(jù)說明以往研究風(fēng)偏時(shí)采用穩(wěn)態(tài)風(fēng)模型計(jì)算的結(jié)果相對保守,而陣風(fēng)在自然風(fēng)中所占比例不可忽視,這也是導(dǎo)致近年來風(fēng)偏閃絡(luò)事故頻繁發(fā)生的重要原因。當(dāng)檔距為300m的時(shí)候,不同檔數(shù)的相間最小間隙大于規(guī)定的操作過電壓相間最小間隙,即在陣風(fēng)工況下相間距離是安全的,不會(huì)發(fā)生風(fēng)偏閃絡(luò)的事故。當(dāng)檔距為400m、500m、600m、700m的時(shí)候,不同檔數(shù)的相間最小間隙減小。2.2兩檔線路間的最小距離和網(wǎng)線間距關(guān)系穩(wěn)態(tài)風(fēng)、陣風(fēng)工況下不同檔數(shù)的輸電線相間最小距離如圖5、圖6所示。從圖5和圖6可以看出:隨著檔距增大,穩(wěn)態(tài)風(fēng)和陣風(fēng)工況下的輸電線最小相間距離逐漸減小。穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下單檔線路相間最小距離隨著檔距增加而減小0.40%~0.90%;兩檔線路減小0.50%~0.90%;三檔線路減小0.80%~0.90%;四檔線路減小0.50%~0.80%;陣風(fēng)工況下單檔線路相間最小距離隨著檔距增加而減小4.90%~5.10%;兩檔線路減小5.0%~5.10%;三檔線路減小4.80%~5.00%;四檔線路減小4.80%~5.00%。以往對導(dǎo)線非同期搖擺的研究大多集中于單檔導(dǎo)線,懸垂絕緣子串和導(dǎo)線的耦合作用會(huì)造成風(fēng)對導(dǎo)線的影響更大。此外,從圖5還可看出,在穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下,單檔輸電線最小相間距離較兩檔、三檔、四檔輸電線路更小,這也是以往以穩(wěn)態(tài)風(fēng)模型研究風(fēng)偏時(shí)以單檔輸電線路為主的原因之一。由圖6可看出,在陣風(fēng)工況下,隨著檔數(shù)增加,輸電線最小相間距離逐漸減小,三檔和四檔輸電線路的最小相間距離基本一致,說明選取不同的風(fēng)模型和輸電線路檔數(shù),會(huì)導(dǎo)致風(fēng)偏計(jì)算結(jié)果差異大,以穩(wěn)態(tài)風(fēng)模型、單檔輸電線路所得的結(jié)果較為保守。實(shí)際計(jì)算應(yīng)考慮陣風(fēng)的影響,且考慮不同檔數(shù)對輸電線路風(fēng)偏計(jì)算結(jié)果的影響,選取對計(jì)算結(jié)果影響較大的因素,為線路的防風(fēng)偏設(shè)計(jì)提供可靠的理論支持。2.3穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下,兩檔線路懸垂處與根據(jù)穩(wěn)態(tài)風(fēng)、陣風(fēng)工況下不同檔數(shù)的懸垂處與塔身最小距離如圖7和圖8所示。從圖7和圖8可以看出,隨著檔距增大,穩(wěn)態(tài)風(fēng)和陣風(fēng)工況下的懸垂處與塔身最小距離逐漸增大。以往對絕緣子串風(fēng)偏計(jì)算的研究一般只是將下端帶電導(dǎo)體所受的風(fēng)載等效地加在絕緣子串,忽略了懸垂絕緣子串和導(dǎo)線的耦合作用,說明導(dǎo)線對絕緣子串的影響可導(dǎo)致絕緣子串風(fēng)偏結(jié)果差異大。在穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下,兩檔輸電線路懸垂處與塔身最小距離最大,四檔次之,三檔最小;在陣風(fēng)工況下,隨著檔數(shù)增加,輸電線路懸垂處與塔身最小距離逐漸減小,但在檔距大于500m之后,差距不明顯。3懸垂處與根據(jù)陣風(fēng)的影響a)陣風(fēng)工況下的相間最小間隙和絕緣子串下端帶電導(dǎo)體與塔身的距離均小于穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況。陣風(fēng)工況下相間最小間隙較穩(wěn)態(tài)風(fēng)工況下減小14.10%~29.50%,懸垂處與塔身最小距離減小6.90%~15.30%,說明進(jìn)行風(fēng)偏研究時(shí),應(yīng)考慮陣風(fēng)的影響。b)穩(wěn)態(tài)風(fēng)、陣