随机风荷载作用下耐张串金具的力学性能仿真分析_徐宇.pdf
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1、随机风荷载作用下耐张串金具的力学性能仿真分析徐宇1,2,刘小会1,2,黄飞3,杨军1,2,赵建利1,2,赵建坤1,2(1.内蒙古电力(集团)有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司,呼和浩特010020;2.内蒙古自治区新型电力系统智能电网企业重点实验室,呼和浩特010020;3.重庆交通大学土木工程学院,重庆400074)摘要:随着高压输电线路长度和运行年限的增加,极端天气的频繁发生导致线路在大风荷载作用下发生金具破坏的可能性增大。采用谐波叠加法模拟了沿线路方向多点随机风速时程曲线,基于准定常假设将风速转换为风荷载,得到了随机风作用下导线的位移和张力。在此基础上研究了档距、高差等参数变化对导线
2、张力的影响。建立耐张串金具的精细化有限元模型,模拟耐张串各金具的相互运动。将计算得到的导线张力施加到耐张串有限元模型上,得到最不利工况下的金具应力分布情况。仿真结果表明,耐张串金具最容易发生破坏的金具为U形挂环,在其接触区域容易发生磨损。其次,直角挂板和梯形联板在左、右挂点表现出了不同的安全性,高悬挂点处更容易发生破坏。此外绝缘子串球头部位的应力较大,在受到极端荷载作用时容易断裂。关键词:输电线路;随机风;荷载;谐波叠加法;耐张串;金具;有限元;导线张力文献标志码:A文章编号:1008-6218(2023)03-0063-09中图分类号:TM75doi:10.19929/ki.nmgdljs.
3、2023.0041基金项目 内蒙古电力(集团)有限责任公司2022年博士后科技项目“输电线路风偏仿真模拟及风险评估”内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERSi mu l a t i o nA n a l y s i so fM e c h a n i c a l Pr o p e r t i e si nFi t t i n g sf o rSt r a i nIn s u l a t o rSt r i n gU n d e rRa n d o m W i n dLo a dXU Yu1,2,LIU Xiaohui1,2,HUANG Fei3,Y
4、ANG Jun1,2,ZHAO Jianli1,2,ZHAO Jiankun1,2(1.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China2.Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of New Power System Smart Grid,Hohhot010020,China;3.School of Civil Engineering,Chongqing Jiaotong University,Ch
5、ongqing400074,China)A b s t r a c t:With the increase in the length and running life of highvoltage transmission lines,the frequent occurrence ofextreme weather leads to an increase in the possibility of damage to the lines fittings under the action of high wind loads.The harmonic superposition meth
6、od is used to simulate the multipoint random wind speed time curve along the linedirection,and the wind speed is converted into wind load based on the quasisteady assumption to obtain the displacementand internal force of the conductor under the action of random wind.On this basis,the effect of the
7、variation ofparameters such as stall distance and height difference on the conductor tension is studied.A refined finite element modelof the tension insulator string is established to simulate the mutual motion of the tension insulator string.The calculatedconductor tension is applied to the finite
8、element model of the tension insulator string to obtain the stress distribution ofthe fitting under the most unfavorable working conditions.The simulation results show that the most easily damaged fittingsof the tension insulator strings are Ushaped hanging rings,which are easy to be worn in their c
9、ontact areas.Next,the rightangle pegboard and the trapezoidal coupling plate show different safety at the left and right hanging points and are moreeasily damaged at the high hanging points.In addition,the tension insulator string ball head area has a higher stress andis easily fractured when suffer
10、ing from extreme loads.K e yw o r d s:transmission line;random wind;load;harmonic superposition method;tension insulator string;fittings;finiteelement;conductor tension引用格式:徐宇,刘小会,黄飞,等.随机风荷载作用下耐张串金具的力学性能仿真分析J.内蒙古电力技术,2023,41(3):6371.XU Yu,LIU Xiaohui,HUANG Fei,et al.Simulation Analysis of Mechanical
11、 Properties in Fittings for Strain Insulator StringUnder Random Wind LoadJ.Inner Mongolia Electric Power,2023,41(3):6371.2023年第41卷第3期630引言随着我国西电东送工程的实施,高压、特高压输电线路里程增长,杆塔、导线和金具数量增加,输电线路维护的难度越来越大。近年极端天气频发,进一步增加了发生线路故障的可能性,金具损坏事故时有发生1-6,2023年1月内蒙古电网某高压输电线路发生大风作用下金具断裂问题,对电网的安全运行造成严重影响。对此,针对大风荷载作用下线路金具的受
12、力分析具有重要意义7-9。研究该问题涉及的内容较多,例如风荷载的确定、线路结构以及金具受力仿真等。对于风荷载的计算,输电线路设计规范中主要采取等效的稳定风,该方法比较简单,而实际风速会随时间和空间发生变化,实测风速更为准确,但是受场地、成本等因素影响较难测量。为了解决这一问题,数值仿真随机风被广泛应用于输电线路相关问题分析10-11。获得风速值后需要对输电线路和金具进行动力学仿真,然而金具分别与杆塔和导线相连,金具之间有相互约束,针对整体结构进行有限元仿真极为困难。目前的金具有限元仿真成果均对模型进行了简化,仅对出现故障的金具建立有限元模型12,这类简化模型不能考虑金具之间的相互运动。由于计算
13、复杂,对整个耐张串或者绝缘子串进行有限元研究的较少13-14。本文建立了输电线路整体耐张串的精细化有限元模型,通过数值模拟的随机风计算了考虑脉动效应的风荷载作用下导线动张力及其最大值,分析金具在危险荷载作用下的应力分布情况,以及大风作用下金具的力学特性,找出容易发生损坏的金具,为输电线路运维提供理论指导。1随机风模拟及风荷载计算1.1风的组成受地形和地貌的影响,靠近地面的风尤其不稳定,这种由于地面山体或建筑物阻碍气流运动,使风速和风向发生变化甚至产生漩涡的现象叫做湍流,由湍流引起的风速随机变化称为脉动风。选取空间某一点10 min平均风速,随机风由平均风和脉动风组成:V=V+v,(1)式中:V
14、为随机风速;V为平均风速,v为脉动风速。随机风、平均风和脉动风均随距地面高度不同而发生变化。平均风速可以根据现有的规范选取高度值以及地貌参数进行评估。1.2脉动风的数值模拟通常随机风模拟主要针对脉动风,常用的脉动风数值模拟方法有线性滤波法、谐波叠加法、逆傅里叶变换法和小波分析法等。本文采用计算精度较高的谐波叠加法模拟脉动风。对单个点进行脉动风模拟:v()t=n=1N2S()n cos()nt+n,(2)式中:N为频率等分数;为频率间隔值;n为随机风的频率,在进行具体的风速模拟时可以对该值截断,即不考虑高频和低频的脉动风,因为高频和低频的脉动风能量比较小;t为时间;n为随机相位角,取0,2内的随
15、机数;S()n为描述脉动风能量的风速功率谱,表示不同圆频率风对应的能量。功率谱的计算本文选取工程中常用的随高度变换的Kaimal谱:S()z,f=200f*V*2f()1+50f*53,(3)式中:S()z,f为功率谱;V*为流场剪切速度,V*=0.35V()zln()z z0,其中,z0为地面粗糙长度;V()z为距离地面高度z时的风速,可以通过公式(4)计算:V()zV10=z10a,(4)其中,a为地面粗糙度系数,根据地貌情况选取;V10为10 m高度基本风速;f*为无量纲的归一化频率,f*=fzV()z,其中,f为频率。实际的输电线路跨度大,沿线不同位置的脉动风速不同,所以针对空间中脉动
16、风的模拟需要采用谱 密 度 矩 阵 来 描 述。设 有 n 个 脉 动 风 速vj()t()j=1,2,n的谱密度矩阵为:S()=|S11()S12()S1n()S21()S22()S2n()Sn1()Sn2()Snn(),(5)2023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术64式中:Sij为相距为r的空间两点的功率谱,如果i和j相同称为自功率谱Sii或者Sjj,如果i和j不同称为互功率谱Sij,其中ij。自功率谱可以通过公式(3)计算,互功率谱需要通过公式(6)计算:Sij()r,f=Sii()zi,f Sjj()zj,f Coh()r,fi(f),ij,(6)式中:(f)为互谱相位角;
17、Coh()r,f为相干函数,根据Davenport建议采用竖向和横向相干函数:Coh()r,f=exp|-2fC2y()yi-yj2+C2z()zi-zj2V()zi+V()zj,(7)式中:(yi,zi)和(yj,zj)分别表示空间任意两点的坐标,风速与两点的连线方向垂直;V()zi和V()zj分别为高度为zi和zj处的平均风速;Cy和Cz为指数衰减系数,其取值可以由试验确定,主要与平均风速、离地面高度和地表面粗糙度等有关,一般可取Cy=8,Cz=7。按照Cholesky分解法,可将S()分解为:S()=H()H*()T,式中:H*()为H()的复共轭矩阵,其中,H()为下三角矩阵:H()=
18、|H11()00H21()H22()0Hn1()Hn2()Hnn()。(8)可以通过谐波叠加法对空间某一点的平均风速为0的脉动风进行模拟,这种情况下脉动风速可以写为:vj()yj,zj,t=m=1jl=1N|Hjm()lm2coslmt+jm()ml+ml,j=1,2,N,(9)式中:|Hjm()lm为下三角矩阵H()元素的模;为圆频率的增量值,=up/N,其中,up为高频截断频率,高于该圆频率的脉动风能量可以忽略不计,N为圆频率空间的频率划分个数;ml为在0,2随机分布的随机相位角;jm()ml为实部与虚部之间的夹角,可以根据公式(10)计算:jm()ml=tan-1ImHjm()lm/Re
19、Hjm()lm。(10)为了选取合适的脉动风速周期,lm建议采用以下形式:lm=mn+()l-1,l=1,2,N,(11)式中:n为模拟的风速点数量;m为模拟的风速点;l为等分频率的累加个数。1.3随机风荷载计算采用谐波叠加法计算获得脉动风,与相应的平均风相加即可得到该高度随时间变换的随机风,计算得到随机风后基于准定常假设可计算风荷载,风荷载的计算见公式(12):Fx=12V2DSC,(12)式中:为空气密度,kg/m3;V为高度z处的风速,m/s;SC为输电线的体型系数,当输电线半径小于17 mm或覆冰时(不论线径大小)取1.2,导线半径大于或等于17 mm时取1.1;D为输电导线直径,mm
20、。根据公式(12)即可计算随机风作用下导线受到的随机风荷载。2随机风荷载作用下导线的受力仿真分析本文选取孤立档导线为研究对象(见图1)15,考虑风荷载作用下杆塔对导线的影响比较小,所以忽略杆塔对导线和金具的影响,即建立有限元模型时不考虑杆塔,对导线与耐张串金具进行独立计算。建立单档的输电线路有限元模型,计算随机风荷载作用下导线的张力变化情况,得到导线的最大张力值后,将其施加到耐张串的有限元模型中,获取最大张力作用下耐张串中各金具的应力分布情况,为后期金具安全性评估及优化设计提供指导。以某500 kV输电线路为例,线路特征段档距为566 m,高差为30 m,高差比为0.05,基本风速27 m/s
21、。根据公式(9)模拟出顺线路方向的随机风速时程曲线,然后根据公式(12)计算出相应的随机风荷载,将随机风荷载施加到导线上,得到随机风荷载作用下导线张力变化情况如图2所示。从图2可以看图1孤立档导线Fig.1 Conductor of isolated span耐张塔1耐张串导线耐张塔2xzy2023年第41卷第3期徐宇,等:随机风荷载作用下耐张串金具的力学性能仿真分析65出,随机风荷载作用下导线张力会产生剧烈波动,最小值接近40 kN,最大值达到80 kN,可见大风作用下随机风荷载对导线以及金具会产生较大的影响。由于有高差,所以左右两端导线的张力不一致,在接近64.4 s出现最大张力。作用于左
22、端挂点金具的导线张力分量值为:Fx=78.7 kN,Fy=3.5 kN,Fz=-8.8 kN;作用于右端挂点金具的导线张力分量值为:Fx=78.4 kN,Fy=11.6 kN,Fz=-10.5 kN。将图2所得的随机风荷载作用下的导线张力施加到耐张串上,即可得到最危险的张力情况下金具的应力分布情况,评估金具的安全性能。为了分析不同的基本风速对导线的振动位移和动张力的影响,分别设置了20 m/s、25 m/s、30 m/s基本设计风速,将获得的随机风输入输电线路有限元模型中,通过数值仿真方法可以得到导线中点的竖向位移、横向位移和动张力,见图3图5。当基本风速为20 m/s时,跨中最大竖向和横向位
23、移分别为1.78 m和4.90 m,跨中平均竖向和横向位移分别为 0.56 m 和 2.98 m;当基本风速为25 m/s时,跨中最大竖向和横向位移分别为2.62 m和6.24 m,跨中平均竖向和横向位移分别为1.18 m和4.37 m;当基本风速为30 m/s时,跨中最大竖向和横向位移分别为4.01 m和7.65 m,跨中平均竖向和横向位移分别为1.89 m和5.59 m。从图4可以看出,无论选取最大值或平均值,基本风速对四分裂导线跨中位移的影响呈线性。从图5(a)可以看出,随机风对导线的张力影响显著,随着时间增加导线的张力将产生较大的波动,基本风速对导线张力的影响大于位图2随机风荷载作用下
24、导线张力变化情况Fig.2 Variation of wire tension under random wind load(b)右端挂点导线张力分量时间/s0200400600806040200-20荷载/kNFxFyFz0200400600806040200-20时间/s荷载/kNFxFyFz(a)左端挂点导线张力分量图4基本风速与最大位移、平均位移关系图Fig.4 Diagram of the relationship between basic windspeed,maximum displacement and average displacement20253035位移/m9876
25、543210最大竖向位移;最大横向位移;平均竖向位移平均横向位移基本风速/ms-1图3不同基本风速下的跨中位移时程曲线Fig.3 Time history curves of midspan displacementunder different basic wind speeds(b)横向位移02004006001086420时间/s位移/m基本风速20 m/s基本风速25 m/s基本风速30 m/s(a)竖向位移0200400600543210-1时间/s位移/m基本风速20 m/s基本风速25 m/s基本风速30 m/s2023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术66移;从图5(b
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