脉动风作用下特高压绝缘子串的风偏特牲

 闵绚，文志科，曾云飞，付晶

 （中国电力科学研究院，湖北武汉430074）

摘要：特高压线路比较低电压等级线路来说，具有绝缘子串更长，地理跨度更大，绝缘子串的动态风偏特性将更为突出的特点。建立了4卡当绝缘子串一导线整体数值模型．模拟了脉动风的风速时程曲线．通过改变风速、垂直荷载、导线型号和单／双联绝缘子串等因素，系统地研究了脉动风作用下特高压线路绝缘子串的风偏特性，结果表明：不同条件下特高压线路风偏角脉动响应系数p大致在1.1—1.2变化。风速一定时，绝缘子串风偏角随着导线截面增加而减小，在进行特高压线路绝缘子串风偏角计算时，双联复合、盘形绝缘子串可以简化为对应型号的单联复合、盘形绝缘子串。

关键词：特高压线路：风速；垂直荷载；风偏角；时程分析；盘形绝缘子：复合绝缘子

0引言

 2005-2011年国家电网公司系统110(66) kV及以上电压等级输电线路共发生风偏跳闸751次．造成故障停运376次．分别是导致线路跳闸和故障停运原因的第6位和第5位。其中，500 kV输电线路发生风偏跳闸103次，占总数的l3.7%：330 kV输电线路发生20次，占2.7%；220 kV输电线路发生259次，占34.1%；110(66)  kV输电线路发生364次，占48.5%; +500 kV输电线路发生4次，占0.53%;1 000 kV输电线路发生1次，占0.13%。输电线路绝缘子串发生风偏放电后，由于大风的持续作用和导线运动惯性的影响，电气间隙距离仍然较小且空气游离还没有恢复，使得线路重合闸往往不成功，严重影响供电的可靠性。

 目前，国内外均是按照静力平衡原理来计算输电线路风偏角的．即认为在稳态风的作用下．当垂直作用于导线及绝缘子串的风荷载与其重力达到静力平衡时．此时悬垂绝缘子串的倾斜角即为该风速下的风偏角。但是，自然界的风是一个随机过程，其由稳态风和脉动风2部分组成。稳态风的周期一般为10 min,其作用属于静力性质，而脉动风是在稳态风基础上的波动．周期常常只有几秒至几十秒，大小及方向随时间按随机规律变化，其作用属于随机的动力作用，因此，对绝缘子串和导线作用的动态效应不可忽略。随着计算机硬件软件水平的不断提升．各种数值模拟的技术被引入到风偏模型的研究中来。文献[9]用ANSYS软件建立了输电塔一绝缘子串一导线的耦合模型，并且施加脉动风速时程计算了该模型的风偏角。文献[10-12]等人运用ABAQUS软件分别建立了两档绝缘子串一导线耦合模型和绝缘子串多刚体模型，并进行了脉动风时程分析，提出了考虑动力效应的风荷载调整系数等，但是以上研究多是针对一般的高压输电线路．并且对导线耦合作用的考虑不够周全，对绝缘子串风偏状态下的真实形态也鲜有研究。对于特高压线路较低电压等级线路来说，其绝缘子串更长，地理跨度更大，绝缘子串的动态风偏特性将更为突出。

 本文采用ANSYS软件建立了4档绝缘子串一导线整体数值模型，用Matlab软件模拟脉动风的风速时程曲线，通过改变风速、垂直荷载、导线型号和单／双联绝缘子串等因素．系统地研究了脉动风作用下特高压线路绝缘子串的风偏特性．得出的结论可为完善现有的风偏计算方法提供理论依据。

1  有限元建模

 根据实际导线的形状结构和受力特性，将输电导线近似看成一根处处铰接的柔软链条．即悬链线形式．因此采用二节点梁单元建立导线模型，风荷载施加在单元节点处。

 目前特高压工程常用的绝缘子有瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子等，根据结构特点，瓷绝缘子和玻璃绝缘子统称为盘形绝缘子。对于盘形绝缘子，每片绝缘子采用二节点梁单元模拟，梁单元的长度等于单片绝缘子的高度，梁单元的截面等效为圆形，直径取为单片绝缘子高度的1/10。盘形绝缘子在风偏摆动过程中，相邻绝缘子的连接处没有相对线位移，只有相对角位移，因此用球铰模拟相邻绝缘子之间的约束关系，摩擦阻尼忽略不计，风荷载施加在梁单元的节点处。对于复合绝缘子，芯棒是其承受荷载的主要部位，因此以其芯棒直径建模，采用二节点梁单元模拟，伞群作为均布质量添加到芯棒密度中。为了使其计算结果更为准确，把复合绝缘子芯棒划分为多个单元，单元之间连接采用固结方式，即2个相交单元的公共节点有6个自由度完全耦合。

 对于子导线间隔棒，在风偏过程中，子导线间隔棒包含了拉伸、扭转、弯曲的综合作用，因此选用二节点梁单元模拟。

在前述建立的导线、绝缘子串及子导线间隔棒模型基础上，根据实际线路结构特点，参考文献[14]的研究成果是建立4档绝缘子串一导线整体数值模型，如图1和图2所示，L1和h1为研究对象绝缘子串的小号侧档距和高差，L2和h2为研究对象绝缘子串的大号侧档距和高差，其余档距L均为800 m,高差均为Om（相邻档绝缘子串高度低于研究对象绝缘子串的高度时，高差为正，反之为负）。

2脉动风的模拟

本文采用考虑高度变化的Kaimal谱．其计算公式为

式中：zo为地面粗糙度．m;K为地面粗糙度系数；z为距地面高度，m；V(z)为距地面高度为z处的平均风速，m/s;f为漠林坐标，无量纲；f为频率，Hz;V+为摩擦速度，m/s。

作用在空间某一点的脉动风特征可用其功率谱（称为该点的自功率谱）来描述。但是，对于本文的研究目标特高压输电线路而言，其空间跨度大，任意时刻导线上各点的脉动风速并不相同，因此还需要考虑沿导线各点脉动风之间的相互关系。用于描述空间两点之间脉动风相互关系的函数被称为互功率谱密度函数，其定义为

式中：S，(z1，,f)为点1的自功率谱；S2(z2，f)为点2的自功率谱；Coh（r，f）表示点1和点2脉动风相互影响程度的相干函数。一般使用Davenport函数表示．可以反映点1和点2之间脉动风在垂直方向和水平方向的相互影响．其具体表达式为

式中：r为2点连线间的距离，m；xi，彳l和X2，22分别表示空间1、2两点的水平位置坐标和垂直位置坐标：V(zi)和V(z2)距地面高度分别为ZI和22处的平均风速，m/s,e和e分别为水平方向和垂直方向指数衰减系数，一般可取G= 16，C.=10。

已知脉动风功率谱以及互功率谱密度函数后，采用谱表示法得到脉动风速时程曲线。假设序列{v1（x1，z1，t），V2（x2，z2，t），  …，vn，（xn，zn.t）为某一个时刻t空间不同位置（z。，z。）的脉动风速分布．则由Shinozuka理论，该风速分布序列可由下式计算得到，即

式中：N为频率划分的段数；△w为角频率增量．rad/s;w。I，为上截止角频率，即当w>w．，，时，S(w)=0，rad/s;w。d为m点角频率的第1个分量，rad/s；中。，为均匀分布于区间[0，2州的随机相位角；H(w)为对功率谱矩阵S(w)进行Cholesky分解后得到的下三角矩阵。

图3是运用上述理论模拟出某点的风速时程曲线，脉动风风速为30 m/s,即脉动风在稳态风的大小为30 m/s基础上波动。

脉动风条件下．绝缘子串风偏运动轨迹是随着时间的推移而不断变化的．因此不能按照与稳态风一样的方式，采用定值来描述绝缘子串风偏形态的表征参量，而需要使用概率统计法。以绝缘子串风偏角为例，根据随机过程理论，其统计特征可描述为

式中：妒为绝缘子串摇摆角统计值，(。)；石为脉动风条件下绝缘子串摇摆角平均值，(。)；占为绝缘子串摇摆角均方差；u为保证系数，表示统计结果的保证率或置信度。根据中国可靠性指标的规定，u一般取2.2，对应保证率为98.61%。本文中，分别取u为2.2与2.5（对应保证率为99.380/0）进行分析。

3计算结果及分析

3.1  风速的影响

改变导线高度处不同的脉动风风速．风向平行于水平而且与导线垂直。计算参数为：导线为8xjL/GIA -500/35，盘形绝缘子串为54片XWP-300．复合绝缘子为FXBW-1000/300,2种绝缘子串长均为10.53 m，子导线问隔棒型号为JZF8-40/500，沿导线方向每隔50 m安装1个，左右高差均为Om。计算结果如表1和表2所示。

 脉动响应系数p=脉动风作用下风偏角／稳态风作用下的风偏角。

 由表1和表2可知：

 (1)不管风速如何改变，脉动风作用下的盘形绝缘子串和复合绝缘子风偏角均比稳态风作用下的结果要大，且保证系数u越大，脉动风作用下的风偏角也越大。

 (2)在研究范围内，风偏角的脉动响应系数卢为1.10~1.20．且风速越大B取值越小，如：风速为20 m/s．档距L1/L2为800 m/600 m，在保证系数分别为2.2和2.5时，复合绝缘子风偏角的脉动响应系数B分别为1.17和1.20，当风速增大到40 m/s时，届减小至1.11和1.12，其原因是由于反正切函数的变化规律。

 (3)盘形绝缘子串和复合绝缘子的风偏角随着风速的增加而增大，在同样条件下．盘形绝缘子串的风偏角略小，分析原因是凶为在相同的串长条件下，盘形绝缘子串较复合绝缘子重，当两类绝缘子串承受相同的水平风荷载时，使得盘形绝缘子串风偏结果比复合绝缘子略小。

3.2  垂直荷载的影响

通过选取不同的高差组合来改变导线垂直荷载，左档距L为800 m．右档距L：为600 m，脉动风的风速为30 m/s．其余计算参数同3.1节。计算结果如表3和表4所示。

 由表3和表4可知：盘形绝缘子串和复合绝缘子的风偏角随着垂直荷载的增加而减小，在同样条件下．盘形绝缘子串的风偏角较复合绝缘子略小．分析原因是因为在相同的串长条件下，盘形绝缘子串较复合绝缘子重，当两类绝缘子串承受相同的导线垂直荷载时，使得盘形绝缘子串风偏结果较复合绝缘子略小。

3.3  导线型号的影响

选取8 xjL/GIA一500/35、8xjL/GIA-630/45和8 xjL/GIA -900/40三种导线型号，左档距L为800 m,右档距L2为600 m．左右高差均为Om，绝缘子串为54片XWP-300．其余计算参数同3.1节。计算结果如表5和表6所示。

 由表5和表6可知：当风速不变时，盘形绝缘子串风偏角随着导线截面增加而减小。分析原因是由于导线型号对风偏角的影响取决于2个参数，即导线直径和单位长度质量，导线直径会影响水平风荷载的大小．而导线单位长度质量则会影响垂直荷载大小。风速一定时，导线的直径和单位长度质量随着导线截面的增加而增大，水平风荷载和垂直荷载也变大．但是此时水平风荷载增量不足以与竖向垂直荷载增量维持平衡，因此盘形绝缘子串风偏角基本随着导线截面增加而减小。

3.4单／双联悬垂绝缘子串的影响

线路跨越山谷、河流或重冰区时，导线的综合荷载很大．当其超过单联悬垂绝缘子串所允许的荷载范围时，将会采用双联悬垂绝缘子串组合，顺线路方向布置，即2串绝缘子串所形成的平面平行于线路方向。因此，本节研究单联和双联悬垂绝缘子串对风偏角的影响。计算参数：盘形绝缘子串为54片XWP-300,复合绝缘子为FXBW-1000/300，串长均为10.53 m,左档距L为800 m，右档距L为600 m,其余计算参数同3.1节。计算结果如表7~8和图4~7所示。

 由表7~8和图4~7可知：

 (1)不管绝缘子串是单联还是双联，脉动风作用下的复合绝缘子、盘形绝缘子串风偏角均比稳态风作用下的结果要大，且保证系数u越大，脉动风作用下的风偏角也越大。

 (2)当垂直荷载一定时，单联、双联复合绝缘子、盘形绝缘子串的风偏角均随着风速的增加而增大，而当风速不变时，单联、双联复合绝缘子、盘形绝缘子串的风偏角均随着垂直荷载的增加而减小。

 (3)同样的风速、垂直荷载和保证系数条件下，单联、双联复合绝缘子的风偏结果基本一致，在研究范围的最大风偏角变化△西为0.26。；单联、双联盘形绝缘子串的风偏结果略有差别，在研究范围的最大风偏角变化△垂为-1.300，、上述结果说明在进行绝缘子串风偏角计算时，双联复合、盘形绝缘子串可以简化为对应型号的单联复合、盘形绝缘子串。

4结论

 通过模拟计算和分析，得出结论：(1)不同条件下特高压线路风偏角脉动响应系数B为1.1~1.2，且随着保证系数u的增大，脉动风作用下的特高压线路风偏角也越大。(2)当垂直荷载一定时，单／双联复合绝缘子、盘形绝缘子串的风偏角均随着风速的增加而增大：而当风速不变时，单／双联复合绝缘子、盘形绝缘子串的风偏角均随着垂直荷载的增加而减小，同样条件下．盘形绝缘子串的风偏角较复合绝缘子的结果略小。(3)风速一定时．盘形绝缘子串风偏角随着导线截面增加而减小。(4)同样的风速、垂直荷载和保证系数条件下，单／双联复合绝缘子的风偏结果基本一致，单／双联盘形绝缘子串的风偏结果略有差别。上述结果说明在进行特高压线路绝缘子串风偏角计算时，双联复合、盘形绝缘子串可以简化为对应型号的单联复合、盘形绝缘子串。