張 慧 張思祥 孫明濤 姜偉國(guó) 李子揚(yáng) 宋 朋

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013)

風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合數(shù)值模擬研究

張 慧 張思祥 孫明濤 姜偉國(guó) 李子揚(yáng) 宋 朋

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰荆綎| 濟(jì)南 250013)

采用有限元軟件ANSYS與ADAMS聯(lián)合仿真，建立風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型，結(jié)合輸電塔—線體系風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果，針對(duì)輸電線路風(fēng)偏防范治理措施進(jìn)行了精細(xì)化研究，更加真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，研究剛—柔耦合模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特點(diǎn)，驗(yàn)證風(fēng)偏防范裝置對(duì)風(fēng)偏閃絡(luò)治理工作的有效性及合理性，為輸電線路風(fēng)偏治理提供可靠的理論依據(jù)。

風(fēng)偏防范裝置,ANSYS,ADAMS,剛—柔耦合,數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)電力的需求日益增加，同時(shí)對(duì)供電質(zhì)量的安全性和可靠性的要求也越來(lái)越高。輸電線路的覆蓋區(qū)域廣闊，輸送距離增加，電壓等級(jí)不斷提高。短時(shí)大風(fēng)、覆冰等惡劣天氣條件下，輸電線路出現(xiàn)導(dǎo)線松弛，絕緣子串的風(fēng)偏角擺動(dòng)過(guò)大，從而導(dǎo)致導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與桿塔的距離減小，局部空間場(chǎng)增強(qiáng)，對(duì)鐵塔及周?chē)鷺?shù)木發(fā)生風(fēng)偏放電，直接引起線路跳閘，且重合閘成功率極低，嚴(yán)重影響輸電線路的安全運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2004年—2007年500 kV輸電線路共發(fā)生風(fēng)偏跳閘79次，重合閘不成功造成故障有53次。2013年，國(guó)家電網(wǎng)100 kV～500 kV線路共發(fā)生風(fēng)偏跳閘196次，造成故障停運(yùn)117次。近幾年，山東地區(qū)風(fēng)偏閃絡(luò)事故尤為嚴(yán)重。由于受氣候的影響，強(qiáng)風(fēng)、暴雨等極端惡劣天氣頻發(fā)，輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)事故涉及全國(guó)大部分地區(qū)，風(fēng)偏閃絡(luò)事故發(fā)生頻次已經(jīng)超過(guò)傳輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行限制，尤其重要輸電通道平行線路同時(shí)風(fēng)偏放電嚴(yán)重影響供電可靠性。由此可以看出，利用有限元軟件開(kāi)展數(shù)值模擬研究，針對(duì)輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)提出合理有效的防范措施，確保輸電線路的安全運(yùn)行，提高其供電可靠度具有重要的研究意義。

風(fēng)偏閃絡(luò)事故引起線路跳閘，一旦發(fā)生極易造成線路停運(yùn)，導(dǎo)致大面積地區(qū)電力供應(yīng)緊張，風(fēng)偏治理迫在眉睫。關(guān)于輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)，相關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的研究：胡毅等[1]通過(guò)統(tǒng)計(jì)并分析各種故障形式及其特點(diǎn)，總結(jié)規(guī)律并提出了針對(duì)性的防治措施，在此基礎(chǔ)上明確了今后的研究思路和發(fā)展方向。武國(guó)亮等[2]通過(guò)分析風(fēng)偏故障的成因和規(guī)律，結(jié)合相關(guān)的風(fēng)偏事故案例，并借鑒電網(wǎng)行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出了相應(yīng)的風(fēng)偏故障防治措施，并在此基礎(chǔ)上提出了進(jìn)一步的整改措施。劉小會(huì)等[3]通過(guò)建立有限元多體系統(tǒng)模型并模擬計(jì)算線路的動(dòng)態(tài)風(fēng)偏響應(yīng)，提出考慮風(fēng)動(dòng)態(tài)特性的風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)在設(shè)計(jì)塔頭尺寸中是非常重要的。目前，大多數(shù)學(xué)者主要對(duì)風(fēng)偏閃絡(luò)的成因和防范措施進(jìn)行了研究，而在考慮絕緣子串風(fēng)偏防范裝置數(shù)值模擬研究時(shí)，僅僅是假定整體模型為單一的剛體系統(tǒng)或柔性系統(tǒng)，因此，在考慮構(gòu)件變形時(shí)這樣的處理方式還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到精度要求。本文利用有限元軟件ANSYS和ADAMS聯(lián)合仿真，并建立風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合模型，更加真實(shí)的模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，基于精確動(dòng)力學(xué)得到的模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確，大大提高了模擬精度。

基于以上研究現(xiàn)狀，本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS生成柔性體模態(tài)中性文件MNF，利用ADAMS建立風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型，結(jié)合輸電塔—線體系風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果，通過(guò)數(shù)值模擬得到剛—柔耦合模型的極限承載力，進(jìn)一步對(duì)風(fēng)偏防范裝置的合理性與有效性進(jìn)行了研究。

1 風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型

風(fēng)偏防范裝置由復(fù)合絕緣子串、復(fù)合拉桿、連接金具等構(gòu)成，主要用于輸電線路邊相，防止大風(fēng)荷載作用下邊相懸垂絕緣子串連同導(dǎo)線風(fēng)偏角過(guò)大，引起風(fēng)偏閃絡(luò)事故，起到阻擋保護(hù)的作用。本文利用有限元軟件ANSYS,ADAMS聯(lián)合仿真，建立風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型。

1.1ANSYS柔性體模態(tài)中性文件(Jobname.MNF)

風(fēng)偏防范裝置中復(fù)合絕緣子串在大幅度剛體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)發(fā)生很大的彈性變形，因此，針對(duì)復(fù)合絕緣子串，在ANSYS中建立柔性部件模型，能夠更加真實(shí)的反映受力情況。利用ANSYS-ADAMS接口輸出模態(tài)中性文件(Jobname.MNF)，該文件包含柔性體部件的所有信息，其生成的ANSYS柔性體有限元模型如圖1所示。

1.2ADAMS風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型

在風(fēng)偏防范裝置中，既有剛體又有柔體，且兩者聯(lián)系緊密。絕緣子串的風(fēng)偏過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)問(wèn)題，在強(qiáng)風(fēng)作用下，剛體運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)柔體的彈性變形，而柔體的彈性變形也會(huì)反饋影響到剛體運(yùn)動(dòng)，片面考慮其中某一個(gè)方面將會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，建立剛—柔耦合有限元模型，考慮動(dòng)力耦合效應(yīng)，對(duì)于模擬分析風(fēng)偏防范裝置至關(guān)重要。通過(guò)ANSYS生成的柔性體模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS，經(jīng)過(guò)移動(dòng)旋轉(zhuǎn)，將柔性體與剛性體阻擋串組裝，設(shè)置兩端連接方式，建立風(fēng)偏防范裝置精細(xì)化剛—柔耦合有限元模型，如圖2所示。

2 ADAMS剛—柔耦合模型有限元模擬

表1 懸垂串末端風(fēng)速及水平荷載

表2 剛—柔耦合模型數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)輸電塔—線體系風(fēng)振響應(yīng)分析結(jié)果，可以提取不同風(fēng)速下邊相懸垂絕緣子串末端水平運(yùn)動(dòng)速度，經(jīng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理，得到各風(fēng)速下的最大水平荷載，懸垂串末端風(fēng)速及水平荷載如表1所示。風(fēng)偏防范裝置如圖2所示，邊相懸垂絕緣子串及導(dǎo)線簡(jiǎn)化為右側(cè)單桿及桿端實(shí)心球，其中導(dǎo)線質(zhì)量由實(shí)心球模擬。風(fēng)振響應(yīng)得到的懸垂串末端水平方向荷載作為剛—柔耦合模型的激勵(lì)荷載，在簡(jiǎn)化模型的實(shí)心球中心施加不同風(fēng)速下的水平荷載，模擬實(shí)際情況下邊相懸垂串帶動(dòng)導(dǎo)線碰撞風(fēng)偏防范裝置，可以得到風(fēng)偏防范裝置的軸力響應(yīng)，剛—柔耦合模型數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示。圖3為水平激勵(lì)荷載9 065 N時(shí)的風(fēng)偏防范裝置軸力時(shí)程，圖4為水平激勵(lì)荷載14 000 N時(shí)的風(fēng)偏防范裝置軸力時(shí)程。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，水平激勵(lì)荷載由7 714 N逐漸增加至14 000 N，即脈動(dòng)風(fēng)速由18 m/s增大至25 m/s，此時(shí)風(fēng)偏防范裝置的軸力最大值均小于極限軸力160 000 N，滿(mǎn)足要求。當(dāng)水平激勵(lì)荷載為14 000 N時(shí)，風(fēng)偏防范裝置的變形過(guò)大，水平方向與輸電鐵塔距離小于最小放電間隙，不滿(mǎn)足要求，故風(fēng)偏防范裝置能夠承受的最大水平激勵(lì)荷載小于14 000 N，即風(fēng)偏防范裝置所能承受極限風(fēng)荷載為24 m/s。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)問(wèn)題，提出風(fēng)偏防范措施，并利用有限元軟件ANSYS與ADAMS聯(lián)合仿真，建立風(fēng)偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型，結(jié)合輸電塔—線體系風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果，施加不用脈動(dòng)風(fēng)速下簡(jiǎn)化水平激勵(lì)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬研究，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

1)建立精細(xì)化剛—柔耦合有限元模型，更加真實(shí)的模擬機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，數(shù)值模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2)風(fēng)偏防范裝置能夠有效的治理邊相風(fēng)偏閃絡(luò)問(wèn)題，確保輸電線路安全運(yùn)行，驗(yàn)證防范裝置的合理性。

3)為輸電線路風(fēng)偏閃絡(luò)治理工作提供可靠的理論依據(jù)，進(jìn)一步提高輸電線路的設(shè)計(jì)水平。

[1] 胡 毅,劉 凱,吳 田,等.輸電線路運(yùn)行安全影響因素分析及防治措施[J].高電壓技術(shù),2014,40(11):3491-3499.

[2] 武國(guó)亮,宋述停,蔡 煒,等.輸電線路風(fēng)偏故障分析及應(yīng)對(duì)措施[J].水電與新能源,2013(6):28-31.

[3] 劉小會(huì),嚴(yán) 波,林雪松,等.500 kV超高壓輸電線路風(fēng)偏數(shù)值模擬研究[J].工程力學(xué),2009,26(1):244-249.

Numericalsimulationstudyofrigidflexiblecouplingofwindagepreventiondevice

ZhangHuiZhangSixiangSunMingtaoJiangWeiguoLiZiyangSongPeng

(ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCorp.Ltd,Jinan250013,China)

The finite element software ANSYS and ADAMS are adopted in this paper, the finite element model of rigid flexible coupling of windage prevention device is established. To obtain the real dynamic respose of structure, windage prevention measure of transmission line is studied based on the wind vibration response of transmission tower-line system. The results show that the validity and rationality of the windage prevention device is verfied according to the dynamic response of rigid flexible coupling model, which provides a reference for the windage control of transmission line.

windage prevention device, ANSYS, ADAMS, rigid flexible coupling, numerical simulation

1009-6825(2017)29-0138-03

2017-08-03

張 慧(1984- )，女，碩士，工程師

TM751

A