特高壓長串絕緣子風偏研究

羅先國，何 川，鄒相國

（湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430040）

在電網運行中，絕緣子串在風荷載下發生風偏現象將會嚴重影響電網的安全運行。經統計，2007年以后，我國輸電線路發生多次風偏跳閘事件，范圍涉及全國大部分省份。可見輸電線路發生風偏跳閘事故比較頻繁，因此研究絕緣子串在脈動風作用下的風偏角大小很有必要。由于特高壓輸電線路具有以下特征：絕緣子串長、片數多、噸位大；導線截面大、分裂數多；檔距長；金具尺寸大、噸位大等，而我國現行電力行業標準計算絕緣子串風偏角采用剛體靜力學模型，存在以下問題：未考慮長串絕緣子的柔性影響；未考慮導線之間風壓屏蔽尾流影響；未考慮脈動風的動力放大系數影響；未考慮輸電線與絕緣子串之間的耦合作用。針對上述不足很多學者進行了研究，但均未考慮分裂導線之間風壓屏蔽尾流對風偏角的影響。本文就是在脈動風基礎上，考慮導線之間的風壓屏蔽尾流影響，建立絕緣子串-導線耦合有限元模型，進一步研究絕緣子串風偏動態響應。

1 多分裂導線屏蔽系數確定

多分裂導線屏蔽尾流影響是指流體經過上游子導線后生成的尾流對下游子導線會產生影響，因此各子導線在流體作用下的氣動力特性系數會不同。本文利用CFD數值仿真技術，計算出各子導線的阻力系數Cd，通過分析各子導線Cd值從而得出分裂導線的屏蔽影響系數。

首先運用Gambit進行流體模型建立，再將該流體模型導入Fluent中進行計算。圖1為計算后的速度云圖。

提取1、5、7子導線Cd值時程曲線（見圖2）。

圖1 CFD速度云圖

圖2 1、5和7子導線Cd值時程曲線

分析圖2得到如下結論：

（1）1導線Cd最大，均值為1.05，與規范中μSC取值1.1相比誤差不大，證明了模型的正確性。

（2）5導線Cd最小，均值為0.6，因為3導線與5導線距離很近，因此3導線產生的尾流對其影響很大。

（3）7導線Cd均值為0.84，介于1和5導線之間，因為7導線距1導線距離遠，因此對其影響就小些。

最后提取出各子導線Cd均值（見表1），并作為各子導線的體型系數 μSC。

表1 各子導線Cd均值

定義多分裂導線屏蔽影響系數為多分裂導線總體Cd值（各子導線Cd值之和）與規范μSC（分裂數×1.1）之比，得出本文屏蔽影響系數為0.807。

2 長串絕緣子風偏計算

本文采用文獻[3]中的改進Deodatis譜表示法模擬空間相關的風速時程曲線。再將脈動風帶入《電力工程高壓送電線路設計手冊》中計算風荷載公式中，即可得到每根導線每點風荷載時程曲線。

懸垂絕緣子串、導線分別采用桿單元、索單元進行模擬。

懸垂絕緣子串最上端與導線兩端均采用鉸約束。

根據懸鏈線方程，得出每個節點空間坐標，從而建立絕緣子串-導線有限元模型。

3 結果與分析

基于以上有限元模型，計算出絕緣子串考慮屏蔽尾流作用和不考慮屏蔽尾流作用的風偏角。再與規范中的剛體靜力學模型進行對比分析。

表2 絕緣子串風偏角計算工況

其中工況1和2基本風速都一樣，工況1考慮了屏蔽尾流影響，工況2未考慮屏蔽尾流影響；工況3和工況4均是規范中的剛體靜力學模型。

4種工況風偏角隨時間變化的曲線見圖3，提取每種工況的風偏角最大值，見表3。

根據圖3和表3得出如下結論：

（1）在脈動風作用下，前40s的絕緣子串動態風偏角響應比較大，不考慮屏蔽影響時風偏角達到71.08°，考慮屏蔽影響時風偏角達到62.44°，因為絕緣子串-導線有限元模型是柔性結構，其側向剛度從無到有需要一個過程，因此剛開始時風偏角很大，這是發生風偏閃絡最危險時刻，隨著時間的推移，導線側向剛度會增大，同時導線的結構阻尼也會影響風偏角的大小，因此40s后風偏角基本上在一個固定的值上下擺動。

圖3 各工況絕緣子串風偏角時程曲線

表3 各種工況最大風偏角

（2）在脈動風作用下，考慮屏蔽影響（工況1）要比不考慮屏蔽影響（工況2）算出的風偏角要小8～9°左右，可見屏蔽作用對風偏角的影響是明顯的。

（3）脈動風作用下絕緣子串的風偏角（工況2）比規范中靜力學模型（工況3）要明顯偏大，定義風偏角放大系數為仿真模擬計算的風偏角與按規范計算出的風偏角的比值，由圖3可以看出開始時風偏角放大系數約為1.48左右，比靜力學模型大29.54%，隨著時間的變化，風偏角放大系數約為1.2。

（4）綜合考慮脈動風和導線屏蔽尾流影響計算出的風偏角（工況1）為規范風偏角（工況3）的1.295倍，本文建議在規范基礎上乘以一個考慮脈動風動力放大系數1.475和屏蔽尾流影響的影響系數0.807。

（5）本文的研究是風偏角優化設計中需考慮的內容之一，其結論可為輸電線路的防風偏差異化設計提供依據。