動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載對輸電導(dǎo)線位移的影響分析

劉沖，馬御棠，潘浩，劉鵬，黃然，趙亞光，文剛

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司普洱供電局，云南 普洱665000；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局，云南 紅河654400)

0 前言

輸電線路因架設(shè)于戶外，長期承受著自然環(huán)境的考驗(yàn)，特別是大風(fēng)條件下，會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、磨損等現(xiàn)象。當(dāng)然，因桿塔架設(shè)的位置和導(dǎo)線懸掛的高度不同，其承受的風(fēng)力影響也就不同，桿塔檔距也直接影響導(dǎo)線的抗風(fēng)能力[1-4]，也有學(xué)者研究了輸電線路塔線體系在風(fēng)的作用下產(chǎn)生舞動(dòng)、扭轉(zhuǎn)[5-7]等特性。在風(fēng)的作用下，相導(dǎo)線之間的空氣間隙會(huì)變化，當(dāng)超過最小相間距離時(shí)則會(huì)發(fā)生相導(dǎo)線的風(fēng)偏閃絡(luò)[8-10]。徐海巍等研究了在不同地理環(huán)境、山型下，會(huì)產(chǎn)生不同的風(fēng)，其對線路的影響大小也不同[11]。

然而以上研究皆是從宏觀上討論風(fēng)的大小對輸電線路的影響，缺乏動(dòng)態(tài)的多維度的分析，即通常只考慮靜風(fēng)載荷的作用，沒有研究動(dòng)態(tài)風(fēng)載荷的影響。

本文通過風(fēng)速轉(zhuǎn)換、模擬實(shí)驗(yàn)的方法，研究了不同風(fēng)速、風(fēng)向下的風(fēng)對導(dǎo)線位移的影響。首先通過用不同函數(shù)對風(fēng)速數(shù)據(jù)擬合處理，找出等效風(fēng)速與大氣風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系，然后通過對等效風(fēng)速和導(dǎo)線位移量的擬合處理，得出不同風(fēng)向、風(fēng)速對位移量的影響，進(jìn)而得出動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載對輸電線路的位移影響。

1 數(shù)據(jù)獲取

選取500 kV 某線N45-N47塔為研究對象，確定出桿塔型式、檔距海拔等信息后，在ANSYS中進(jìn)行建模得到耐張段模型，并施加3-42 m/s的大氣風(fēng)速（每間隔3 m/s取一個(gè)樣本）的方式，并結(jié)合華北電力大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室開展試驗(yàn)采集多組風(fēng)場數(shù)據(jù)[11]，然后采用“取平均值”的方法對整個(gè)輸電線路體系中導(dǎo)線的各個(gè)節(jié)點(diǎn)（每間隔10 m 取一個(gè)節(jié)點(diǎn)）的瞬時(shí)風(fēng)速進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化得到有效風(fēng)速，且將高懸掛點(diǎn)導(dǎo)線與低懸掛點(diǎn)導(dǎo)線各節(jié)點(diǎn)的大氣風(fēng)速、有效風(fēng)速進(jìn)行分類整理，3-42 m/s的大氣風(fēng)速（每間隔3 m/s取一個(gè)樣本）下的大氣風(fēng)速、有效風(fēng)速對比情況如表1所示。

表1大氣風(fēng)速、有效風(fēng)速對比表

2 大氣風(fēng)速與等效風(fēng)速函數(shù)關(guān)系確定

首先將大氣風(fēng)速設(shè)定為自變量X，將有效風(fēng)速設(shè)定為因變量Y，使用MATLAB將表1所給出的大氣風(fēng)速、有效風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系式以及函數(shù)曲線圖用幾種典型的函數(shù)擬合，具體情況如下：

圖1 7種典型函數(shù)擬合曲線圖

圖1 a 對應(yīng)的函數(shù) 關(guān) 系為f(x)=a0+a1*cos(x*w)+b1*sin(x*w)；圖1b對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為f(x) =a0+a1*cos(x*w)+b1*sin(x*w)+a2*cos(2*x*w)+b2*sin(2*x*w)；圖1c對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系為f(x)=p1*x^2+p2*x+p3；圖1d四次多項(xiàng)式函數(shù)擬合曲線f(x) =p1*x^4+p2*x^3+p3*x^2+p4*x+p5；圖1e冪函數(shù)1擬合曲線f(x)=a*x^b；圖1f 冪函數(shù)2擬合曲線f(x)=a*x^b+c；圖1g有理函數(shù)擬合曲線f(x)=(p1*x+p2)/(x+q1)。

以上圖1（a-g）分別為傅里葉函數(shù)1、傅里葉函數(shù)2、二次多項(xiàng)式函數(shù)、四次多項(xiàng)式函數(shù)、冪函數(shù)1、冪函數(shù)2、有理函數(shù)。通過對所提供的大氣風(fēng)速及有效風(fēng)速的對比分析，我們可以得知：隨著大氣風(fēng)速的逐漸增加，有效風(fēng)速也會(huì)一直單調(diào)遞增，并隨著大氣風(fēng)速的遞增有效風(fēng)速遞增的加速度會(huì)逐漸減小。對于冪函數(shù)1、冪函數(shù)2和有理函數(shù)，三種函數(shù)的類型都在合理選擇范圍之內(nèi)，但是考慮到選擇最優(yōu)化擬合方式，冪函數(shù)1的曲線擬合誤差相比較其他兩種比較大，所以最佳的擬合函數(shù)為冪函數(shù)2或者有理函數(shù)。本文我們選擇有理函數(shù)作為最佳擬合函數(shù)。

3 等效風(fēng)速與輸電導(dǎo)線位移函數(shù)關(guān)系

基于上述分析得知，大氣風(fēng)速與有效風(fēng)速的函數(shù)關(guān)系最合理的選取為有理函數(shù)，且由以上可知有理函數(shù)關(guān)系式為y=（42.05x-21.6）/（x+30.57），通過這個(gè)有理函數(shù)關(guān)系式，我們可以得到任意大氣風(fēng)速所對應(yīng)的有效風(fēng)速，其轉(zhuǎn)化之后相對應(yīng)的風(fēng)速結(jié)果如表2輸電導(dǎo)線在等效風(fēng)速下，不同風(fēng)向角的最大位移所示。

表2輸電導(dǎo)線在等效風(fēng)速下，不同風(fēng)向角的最大位移

選取90°、60°、45°三種不同風(fēng)向角，將有效風(fēng)速設(shè)定為自變量X，各個(gè)風(fēng)向角下輸電導(dǎo)線的位移設(shè)定為因變量Y，使用MATLAB將表2所給出的有效風(fēng)速與各個(gè)風(fēng)向角下輸電導(dǎo)線的位移之間的函數(shù)關(guān)系式用幾種典型函數(shù)進(jìn)行擬合，情況如下：

當(dāng)風(fēng)向角為90°時(shí)，相應(yīng)的擬合函數(shù)情況如圖2所示。

圖2 90°風(fēng)向時(shí)幾種函數(shù)擬合圖

當(dāng)風(fēng)向角為60°時(shí)，相應(yīng)的擬合函數(shù)情況如圖3所示。

圖3 60°風(fēng)向時(shí)幾種函數(shù)擬合圖

當(dāng)風(fēng)向角為45°時(shí)，相應(yīng)的擬合函數(shù)情況如圖4所示。

正如以上圖2到圖4，分別為風(fēng)向角為90°、60°、45°時(shí)的擬合函數(shù)，我們所選取的典型擬合函數(shù)類型有5種：指數(shù)函數(shù)1、指數(shù)函數(shù)2、四次多項(xiàng)式函數(shù)、冪函數(shù)1、冪函數(shù)2。通過對表2的分析，我們可以得出：隨著有效風(fēng)速的不斷增大，輸電導(dǎo)線的最大位移也會(huì)一直單調(diào)遞增，并隨著有效風(fēng)速的遞增最大位移遞增的加速度會(huì)變大。這是由于在做有限元分析的最初階段，會(huì)施加自重載荷以及初始應(yīng)力，受這些載荷的影響，所以在有效風(fēng)速較小的時(shí)候，它對導(dǎo)線位移的影響較小，且在有效風(fēng)速為0的時(shí)候，輸電導(dǎo)線的位移不為0；隨著有效風(fēng)速的不斷增大，輸電導(dǎo)線的重載幾乎可以忽略不計(jì)，所以到最后階段最大位移遞增的加速度會(huì)變大。

圖4 45°風(fēng)向時(shí)幾種函數(shù)擬合圖

4 結(jié)束語

本文通過對某供電局500 kV 線路風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，并通過典型函數(shù)關(guān)系擬合，得到如下結(jié)論。

1）大氣風(fēng)速與等效風(fēng)速的關(guān)系可以通過有理數(shù)函數(shù)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換；

2）隨著大氣風(fēng)速的逐漸增加，有效風(fēng)速也會(huì)一直單調(diào)遞增，并隨著大氣風(fēng)速的遞增有效風(fēng)速遞增的加速度會(huì)逐漸減??；

3）等效風(fēng)速與導(dǎo)線位移關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)或冪函數(shù)進(jìn)行擬合；

4）隨著有效風(fēng)速的不斷增大，輸電導(dǎo)線的最大位移也會(huì)一直單調(diào)遞增，并隨著有效風(fēng)速的遞增最大位移遞增的加速度會(huì)變大；

5）持續(xù)的低風(fēng)速對輸電線路也可能造成短時(shí)大風(fēng)的舞動(dòng)效果，即持續(xù)的低速風(fēng)也會(huì)對導(dǎo)線位移量產(chǎn)生持續(xù)的增加，從而引起電氣距離不足。所以輸電線路架設(shè)過程中，不僅僅只考慮最大風(fēng)速，還應(yīng)考慮刮風(fēng)時(shí)長和實(shí)時(shí)風(fēng)速。