安装间隔棒的输电线风偏模型的非线性动力学分析

安装间隔棒的输电线风偏模型的非线性动力学分析

0国内外研究现状近年来，各种灾难天气呈现出日益频繁的趋势，航空航道中的事故频繁发生。输电线路除了雷击、外力破坏、鸟害、污秽闪络外,大风导致的送电线路风偏放电明显增多对于线路风偏这一强迫响应问题的研究,目前的研究工作主要是针对塔头绝缘子风偏进行的从安装方式和布置原则上,国内外的研究成果都仅仅讨论了是否需要安装相间间隔棒问题,对于安装数量、安装位置等问题,都未进行有效深入的研究。故本文针对西北750kV紧凑型输电线路工程,进行了针对性的研究工作,研究通用的优化配置方案,并对安装方式和安装位置的优化进行系统的研究和探讨,为线路的稳定运行提供技术支撑。1非同期波动分析1.1导线与塔的连接计算模型有以下初步假设:1)导线为受张力的梁;2)导线形状采用平抛物线公式;3)导线与塔身为固支连接方式。导线、子导线间隔棒以及相间间隔棒均采用梁单元,在空间具有6个方向自由度。有限元模型如图1所示,750kV紧凑型输电线路有限元计算初始参数如表1所示,表中F1.2工频电压下阵风风速模型根据风的基本特征,研究采用稳态风与阵风2种模型对导线的非同期摇摆进行数值模拟。稳态风是一种稳定而均匀的风,对于输电线路系统的作用力与静力作用相近,可简化为静荷载;阵风是一种空气流动速度变化剧烈的风。研究表明,当平均风速为4~5.5m/s时,阵风所占比例为10%;当平均风速为5.6~8.5m/s时,阵风所占比例为15%;当平均风速超过8.5m/s时,阵风所占比例为20%,而且当阵风出现时,保持最大风速的时间为5s左右,阵风不会持续出现超过20s。即将建设的永登—哈密750kV紧凑型输电线路在工频电压气象条件下最大设计风速为35m/s,在操作过电压气象条件下最大设计风速为18m/s。那么,可以假定稳态风作用时,工频电压气象条件下风速为35m/s;操作过电压气象条件下风速为18m/s。根据经验,本文假定了工频电压下阵风风速数学表达式为式中,v为风速;t为时间。操作过电压下阵风风速数学表达式为1.3导线预应力的施加虽然风偏是一种典型的动力学现象,但静平衡位置是动力分析的初始条件,尤其是导线在静平衡位置的预应力加载正确与否对计算结果的影响非常显著,因此,应首先进行导线的静平衡分析及施加预应力。根据抛物线方程建立导线有限元模型,求解由于导线自重而产生的自重应力场,然后在相同的导线有限元模型中,将自重应力场作为预应力加载。输电线路导线属于柔性结构,具有大位移、小应变的变形特征。可以将输电导线的静平衡也看作是一个大位移、小应变的几何非线性问题,则其非线性静力方程可表示为式中,K导线非线性静力平衡使用的是空间梁单元,这种单元在进行几何非线性的计算时适宜采用动坐标迭代法。该方法首先利用整体坐标下的节点位移建立各单元的局部坐标,然后计算在局部坐标下各单元的位移列阵δ′1.4结构非线性动力动力学方程根据达朗伯原理,考虑到导线及其附加质量的重力、风作用于导线上的压力、阻尼力、惯性力,导线系统的6自由度非线性动力学方程可以表示为式中,M、K和C分别是结构总体质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵,由单元质量矩阵M采用无条件稳定的Newmark方法与荷载增量法相结合求解动力学方程。首先将荷载分成若干个增量,然后针对每一荷载增量的非线性方程将其线性化,从而使这一非线性问题分解为一系列线性问题。2安装间隙棒时相互间接安装数值模拟计算以西北750kV单回、同塔双回紧凑型线路主要参数为参考,确定了用于工程实际的相间间隔棒的结构形式和相关参数,并对安装间隔棒后导线次档距振荡、导线张力变化等进行数值模拟计算,并得到750kV紧凑型线路相间间隔棒的优化布置方案。2.1稳态风作用下相间距的变化有限元分析得到的稳态风工况下相导线档距中心点最大偏移距离及水平两相导线档距中点相间最小空气间隙如表2所示,有限元分析得到的阵风工况下相导线档距中心点最大偏移距离及水平两相导线档距中点相间最小空气间隙如表3所示。由表2可见,海拔≤1000m的地区,在输电线路导线走向与风向夹角均为90°时,档距为300、400、500m的线路在工频气象条件及操作过电压气象条件下档距中央相间间隙均满足相关报告规定的最小间隙值,说明稳态风作用下的输电线路基本上不会由于非同期摇摆的影响而发生相间闪络。由表3中的计算结果可以看出,输电线路导线档距中点风偏后的最大水平、垂直位移及水平两相导线中点最小空气间距不仅与档距长度有密切关系,而且风向与线路走向夹角也会对其产生较大影响。在相同的阵风作用下,档距越长,导线水平、垂直位移越大,非同期摇摆造成相间最小距离越小。档距长度相同时,风向夹角越大,阵风的作用越明显。从表3中还可以看出,阵风工况下的相间距相对于稳态风工况下的相间距在线路设计上更偏于保守,在阵风工况的风速条件下400、500m长度的档距且风向与线路夹角30°时,档距中央相间最小间距均超过了750kV紧凑型输电线路工频电压、操作过电压的相间最小安全间隙;300m长度的档距时工频气象条件下最小相间距处于安全范围内,而在操作过电压气象条件下,仅在风向与线路夹角30°时最小相间距是安全的。2.2安装间隙棒时相互间接安装位置的确定考虑750kV紧凑型相导线分裂数多、导线直径大等特性,对35、40、45和50mm芯棒直径间隔棒进行了选型分析,以配置数量少、满足线路安全稳定运行为优化目标,综合考虑,最终选定40mm和45mm两种芯棒直径的相间间隔棒,并对其防非同期摇摆的性能和效果进行研究和探讨。相间间隔棒样品如图2所示,基本参数见表4。通过计算分析可知,对于<300m的档距,通常情况下,可考虑不安装相间间隔棒。对于档距300~500m的情况,可以根据不同的情况分别设置1根、2根和3根相间间隔棒:当安装设置1根时,建议通常安装在档距的中央;安装2根时,建议安装在档距左右约1/3处,并根据工程实际中子导线间隔棒的安装位置,使相间间隔棒安装在距档中子导线间隔棒临近的两子导线间隔棒上,并进行相应的验算;安装3根时,考虑分别安装在档距的中央以及档距约2/9和2/7处。阵风状态下相间间隔棒安装方式及最小相间间隙见表5。2.3线路初始参数以500m典型档距为算例,计算了2种工况下分裂导线弧垂最低点张力的瞬态响应过程。线路初始参数如表1所示,荷载为阵风形式。图3所示为工频电压气象条件下档内安装3支相间间隔棒和没有安装相间间隔棒时分裂导线弧垂最低点张力时程F2.4引入风偏的间风特性分析相间间隔棒所受载荷大小在导线运动过程中是一个随时间变化的动态载荷载,载荷的变化过程不仅与风速大小有关,还与导线型号、档距长度、相间间隔棒安装位置及数量有关。从图5可以看出,相间间隔棒在静止状态只受自重载荷的影响,内力较小;随后迎风侧相导线受到强风作用发生偏移,导致相间间隔棒随之发生偏移,由于受风时间差的关系,在背风侧导线还没有受到风载荷作用而基本处于静止状态时,相间间隔棒内力表现为受压状态;随着时间的持续,水平两相导线沿顺风向发生非同期摆动,相间间隔棒内部承受一定的压力;最后,导线及相间间隔棒沿顺风向偏转到最大程度后发生回落及来回往复摇摆现象,此时相间间隔棒基本表现为受拉状态。由分析结果可以得知本课题的计算结果与实际线路中观察到的风偏过程基本相同。图6相间间隔棒内力响应变化规律与图5中内力响应变化规律基本一致:相间间隔棒在初始静止状态由于仅受重力作用,其内力较小;导线受风偏转的初期,相间间隔棒受压,并且随着时间的增长,所受压力逐渐增大,增大到一定程度后压力大小随着时间的增长又逐渐减小且变化趋于平缓,最终相间间隔棒内的拉力由于导线的往复运动而变化。2.5尾流非定常激振振动方程的构建为了保证加装子间隔棒及相间间隔棒设计的可靠性,提高次档距振荡的安全性,必须对分裂导线的次档距振荡振幅及动应力进行分析。正确的尾流激振(次档距振荡)分析,应当建立在全三维非定常粘性流动分析的基础上,但存在困难。为了使问题得到简化,研究中将分裂导线所受的空气尾流非定常激振力简化为简谐激振力的形式,将求解与时间有关的非定常方程转化为求解与时间无关的振幅方程,分裂导线由尾流引起的次档距振荡现象可以简化看作是两个相互垂直、同频率或不同频率的简谐振动的合成,因此采用谐响应分析的方法求出分裂导线动力学方程的稳态解。首先通过模态分析得到分裂导线发生次档距振荡时典型的前三阶固有频率如表7所示,由表8所示分裂导线的动态位移响应计算结果可知,相间间隔棒对次档距振荡振幅影响不大。3安装间隔棒时相导线风偏本文针对750kV紧凑型输电线路特点,采用非线性有限元方法对输电线路导线在风偏状态下的动态响应规律进行了计算分析。主要结论有:a)水平排列两相导线在大风作用下做非同步低频振动。b)在稳态风的持续作用下,750kV紧凑型输电线路档距中央最小相间距是在安全范围内的。c)在相同的阵风工况下,档距越长,导线水平、垂直位移越大,非同期摇摆造成相间最小距离越小,甚至超过相间最小安全间隙。d)安装