220kV輸電線路風偏數值模擬研究

2015-05-29 10:55:40楊秀友

電氣開關 2015年6期

楊秀友

(國網武漢供電公司，湖北武漢 430000)

1 引言

隨著國民經濟的快速發展，我國對電力能源的需求逐漸增長，國家電網公司加快了對輸電線路的大規模建設［1］，然而由于輸電線路是長期暴露在自然界的人工構筑物，因此其在風力作用下發生風偏現象對輸電線路的安全運行影響極大。

國內外很早就開展了關于輸電線路風偏現象的研究，例如文獻［2］就以一起大同電網發生的較為罕見的220kV線路兩相風偏掉閘故障為例，對引起輸電線路發生風偏現象的多方面原因進行了分析和探討，依據分析的結果和建議提出了輸電線路預防和抑制風偏的一些措施和策略。關于輸電線路風偏故障應對措施方面的研究，文獻［3］結合一些輸電線路跳閘統計情況從風偏發生的機理、天氣、地理環境、線路本體設計等多方面原因綜合分析了風偏故障的成因，依據風偏防治的原則和規范給出了相應的風偏故障防范措施，并結合相關的電網事故案例對輸電線路風偏防治的現行狀況提出了進一步的整改措施。由于輸電線路會頻繁發生風偏閃絡事故，因此文獻［4］分析了風偏閃絡的特點和原因，從風偏角計算中分析各因素對計算值的影響，結果表明風速、風壓不均勻系數、風向與導線軸向夾角以及風壓高度變化系數都對風偏角有不同程度的影響。風速是輸電線路風偏現象主要的影響因素，文獻［5］認為輸電線路在強烈大風影響下導線會發生嚴重的不同期擺動導致導線相間距離減小甚至發生相間擊穿，對輸電線路的運行產生了極大的威脅，因此采用了一個3自由度多檔動態模型來對輸電線路的不同風速的風偏動態特性進行研究，并找到抑制大風不同步擺動的有效方法。風偏計算對于保障輸電線路安全運行具有十分重要的意義，文獻［6］認為規范中風偏角計算的剛性直棒模型沒有考慮分裂導線間的屏蔽和脈動風影響，因此采用有限元仿真的方法建立了絕緣子串－導線耦合模型，對脈動風作用下的絕緣子串風偏進行了動力時程分析，規范了風偏角計算公式。為輸電線路設計提供了參考依據。關于輸電線路導線風偏在線監測方面的研究，文獻［7］研究了新型風偏角計算的數學模型，提出了一種新型輸電線路風偏在線監測系統，該系統采用無線風偏監測儀通過上下兩個風偏角結合進行計算，得出絕緣子串實際的風偏角，通過在向家壩－上海±800kV特高壓直流輸電工程實際運行情況表明系統能夠有效指導高壓輸電線路運行維護管理。

本文針對輸電線路風偏現象選取武漢市某220kV輸電線路特征段作為研究對象，通過輸電線路荷載的基礎計算以及風荷載的處理建立了輸電線路風荷載的數學計算理論模型，基于有限元法建立該輸電線路特征段的有限元模型對輸電線路風偏問題進行數值模擬，通過風偏時程分析得到風偏角的統計結果，證明風荷載調整系數隨著風速的增大呈緩慢上升的趨勢。

2 輸電線路風荷載

2.1 輸電線路風荷載數值模擬方法

風荷載是空氣流動對工程結構所產生的壓力，也稱風的動壓力，通常把自然界的風劃分為脈動風和平均風，平均風隨著高度的變化而產生指數規律變化，而脈動風則隨著空間和時間的變化發生隨機變化，本文研究的風荷載模擬對象為脈動風，工程中常用的風速功率譜為 Kaimai譜［8］:

式中，Vi為剪切速度;z0為地面粗糙長度;f為頻率;z為離地面的高度。

脈動風交叉功率譜密度函數可以表示為:

由于在大氣中互譜和正交譜的比值極小，因此在工程應用中將上式改寫為:

式中，Skk(zk，f)和 Sll(zl，f)為空間兩點距離為 r的自功率譜;Coh(r，f)為相干函數。

由于輸電線路結構體系中的脈動風荷載可以用零均值的多維高斯平穩隨機過程來描述，因此可采用諧波疊加法來對其進行模擬。具有m個零均值的平穩隨機過程{v1(t)，v2(t)，…，vm(t)}的譜密度矩陣為:

式中，ω為圓頻率;Sij(ω)為功率譜函數。

將S(ω)進行分解以后可以得到:

由于在實際工程應用中經常忽略正交譜，因此{v1(t)，v2(t)，…，vm(t)}可以通過下式進行模擬:

式中，N為充分大的正整數;Δω為頻率增量;ωml為截止圓頻率;Φml為均勻分布在區間［0，2π］內的隨機相位角。

通過模擬得到脈動風速以后，輸電線路任意一點處的風荷載可以通過下式進行快速有效地數值模擬:

2.2 輸電線路風荷載數學計算模型

風荷載的計算與基本風壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸因素有關。根據我國的電力行業現行標準規定，順風方向的風荷載在輸電線路風偏現象上起決定性作用，其導線上的風荷載計算式為:

式中，lH為輸電桿塔的水平檔距;Wx為垂直于輸電線路的水平風荷載;βc為輸電線路導線作用于桿塔上的風荷載調整系數;μsc為輸電線路的體形系數;α為輸電線路風壓的不均勻系數;d為輸電線路的導線外徑;V為輸電線路規定基準高處的設計風速;θ為風向與輸電線路導線軸向之間的夾角，式中具體參數參考文獻［9］。

輸電線路絕緣子串的風壓按下式計算，即:

式中，n1為輸電線路每一相的相導線所用的絕緣子串數量;n2為每串絕緣子的片數;Ap為每片絕緣子的受風面積;Kz為風壓的高度變化系數;V為計算風速。

3 220kV特征段輸電線路風偏時程分析

3.1 特征段輸電線路有限元模型

本文以武漢市某條典型的輸電線路耐張段作為研究的對象，建立有限元理論模型如圖1所示。該輸電線路的耐張段線路包括兩檔，其兩端布置為耐張塔，中間布置為無轉角直線桿塔，該輸電線路的導線中間通過懸垂的絕緣子串懸掛在直線桿塔上，兩端則通過耐張絕緣子串連接到耐張塔上，如圖2所示，圖中l1和l2分別為直線桿塔兩端導線的檔距，h10和h20分別為直線桿塔兩端導線的高度差。圖3為特征段輸電線路在脈動風作用下發生風偏時的狀態圖。

該輸電線路特征段模型為雙分裂導線，包括兩檔，在整個輸電線路的有限元模型當中，輸電線路的懸垂絕緣子串是由15片XP－7型號的陶瓷絕緣子連接而成。雙分裂導線的子導線型號為LGJ－300/40型鋼芯鋁鉸線，間隔棒的型號為 FJZ－300。

圖1 輸電線路特征段線路有限元理論模型

圖2 輸電線路的特征段模型

圖3 特征段輸電線路在脈動風作用下發生風偏時的狀態

3.2 特征段輸電線路風偏數值模擬

針對武漢市220kV特征段輸電線路，按照前文關于輸電線路風荷載模擬方法利用ABAQUS/CAE有限元軟件建立該特征段輸電線路的有限元分析模型，假設該特征段輸電線路的地面粗糙系數為a=0.16，地面粗糙長度為z0=0.33，地面高度距離導線弧垂最低點位置為10m，直線桿塔兩端導線的檔距為300m的等檔距，每隔10m模擬一次，模擬時程為500s，模擬風速為20m/s、25m/s和30m/s。在進行特征段輸電線路風偏數值模擬時，風偏角的響應時程和懸垂絕緣子串下端點的位移時程是關注的焦點，由于篇幅有限，本文僅給出了風速為20m/s時的風偏角時程曲線和絕緣子串下端點的位移時程曲線如圖4、圖5所示。