特高壓耐張復(fù)合絕緣子串?dāng)嗦?lián)沖擊影響因素分析

劉操蘭，朱寬軍，劉彬，劉勝春

(中國電力科學(xué)研究院，北京市100192)

0 引言

復(fù)合絕緣子具有質(zhì)量小、強(qiáng)度高、耐污閃能力強(qiáng)、制造和維護(hù)方便的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于我國輸電線路中［1-2］。它的機(jī)械性能直接影響著輸電線路的運(yùn)行安全，必須引起重視［3］。耐張復(fù)合絕緣子串在實(shí)際運(yùn)行過程中需要承受嚴(yán)酷的靜、動(dòng)態(tài)載荷，通常靜態(tài)載荷的作用在設(shè)計(jì)階段考慮得較為詳細(xì)，并利用安全系數(shù)對其留有足夠的裕度，容易滿足實(shí)際工程需要;對于動(dòng)態(tài)載荷，在我國目前的設(shè)計(jì)規(guī)范［4］中，在設(shè)計(jì)階段并沒有詳細(xì)的技術(shù)要求，主要通過提高安全系數(shù)來滿足絕緣子承受各種動(dòng)態(tài)載荷的需要。但在實(shí)際條件下，脈動(dòng)風(fēng)、導(dǎo)線舞動(dòng)和脫冰、絕緣子斷聯(lián)等動(dòng)態(tài)作用都會(huì)對絕緣子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)載荷，往往對耐張串的使用安全造成威脅。因此，斷聯(lián)工況是設(shè)計(jì)絕緣子多聯(lián)結(jié)構(gòu)需要考慮的一種重要的動(dòng)載荷破壞形式，有必要對復(fù)合絕緣子斷聯(lián)沖擊影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。

已有國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合絕緣子的機(jī)械特性做了研究。文獻(xiàn)［5］研究了直流復(fù)合絕緣子的受力和運(yùn)行情況;文獻(xiàn)［6］在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面對220 kV輸電線路瓷芯復(fù)合絕緣子耐張串進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)［7］分析了導(dǎo)線自由跌落對輸電線路的動(dòng)力沖擊作用;文獻(xiàn)［8］對已掛網(wǎng)運(yùn)行的220 kV復(fù)合絕緣子的機(jī)電性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究;文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］研究了復(fù)合絕緣子脆斷的力學(xué)性能;文獻(xiàn)［11］總結(jié)了國內(nèi)外復(fù)合絕緣子耐張串的使用情況，并分析了耐張串中使用絕緣子的受力情況。現(xiàn)有研究成果主要集中在復(fù)合絕緣子的機(jī)械拉斷力和脆性斷裂方面，在特高壓線路復(fù)合絕緣子耐張串?dāng)嗦?lián)特性方面，可借鑒的研究成果非常有限，有必要對復(fù)合絕緣子耐張串?dāng)嗦?lián)特性進(jìn)行研究。

由于耐張串?dāng)嗦?lián)沖擊是一個(gè)比較復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，加之線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜以及受非線性因素的影響，所以理論分析動(dòng)態(tài)載荷對于絕緣子的影響是不現(xiàn)實(shí)的，特別是局部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，理論分析目前還很難實(shí)現(xiàn)。雖然可以采用成熟的有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，但是計(jì)算模型的選擇和取值會(huì)直接影響結(jié)果的正確性。因此，先通過試驗(yàn)手段驗(yàn)證數(shù)值模型和數(shù)值算法的準(zhǔn)確性，用數(shù)值計(jì)算方法研究影響線路復(fù)合絕緣子斷聯(lián)沖擊的主要因素，為進(jìn)一步研究復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能和制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范提供參考和依據(jù)。

1 耐張復(fù)合絕緣子斷聯(lián)試驗(yàn)

耐張絕緣子串?dāng)嗦?lián)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊荷載，對懸掛點(diǎn)具有較高的強(qiáng)度要求。為真實(shí)地模擬斷聯(lián)沖擊作用，試驗(yàn)選擇在中國電力科學(xué)研究院導(dǎo)線力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)試驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)參考絕緣子機(jī)械試驗(yàn)方法［12］。

試驗(yàn)檔距為149 m，兩端為終端構(gòu)架，試驗(yàn)檔上架設(shè)1根導(dǎo)線，試驗(yàn)絕緣子布置如圖1所示。試驗(yàn)采用大截面導(dǎo)線KTACSR－1000，彈性模量為93.2×109N/m，導(dǎo)線橫截面積為1.259 ×10－3m2，線膨脹系數(shù)為 1.77 ×10－5℃－1。復(fù)合絕緣子型號為FXBW－1000/550，芯 棒 直 徑 為 0.04m，自 重為95.5 kg/m。

圖1 試驗(yàn)絕緣子布置示意圖Fig.1 Tested insulators arrangement

試驗(yàn)時(shí)讓1聯(lián)絕緣子串卸去所承受的載荷，此時(shí)導(dǎo)線對未斷聯(lián)的絕緣子串產(chǎn)生沖擊作用，將張力變化過程記錄下來。

2 數(shù)值計(jì)算的基本假設(shè)

通常，對于導(dǎo)線結(jié)構(gòu)靜力分析計(jì)算采用桿或索單元，只考慮3個(gè)方向平動(dòng)自由度［13］，而對于動(dòng)力分析，扭轉(zhuǎn)自由度往往不能忽略。因此，分析過程中需要考慮單節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度的模型。

絕緣子和金具采用傳統(tǒng)的梁或板單元模擬，為便于導(dǎo)線單元和金具單元聯(lián)結(jié)，導(dǎo)線也采用梁單元模擬。梁單元中1個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。U形環(huán)、螺栓、螺母、調(diào)節(jié)聯(lián)板等連接金具均做相應(yīng)的考慮。

為簡化計(jì)算和提高運(yùn)算收斂速度，考慮到耦合結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，數(shù)值模型的建立盡量忽略相對次要的因素。較之實(shí)際模型，數(shù)值計(jì)算模型采用的主要假設(shè)條件如下:

(1)忽略桿塔結(jié)構(gòu)彈性變形對斷聯(lián)沖擊的影響，相關(guān)桿塔采用固定邊界代替;

(2)考慮導(dǎo)線與金具、絕緣子與金具以及金具之間的連接為鉸接的情況，即在斷聯(lián)過程中，相關(guān)連接處可轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)際條件下由于金具設(shè)計(jì)形狀和尺寸的限制，斷聯(lián)過程中鉸接點(diǎn)只能轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，無法實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。但是如果金具局部鉸接點(diǎn)的碰撞力，在完全轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)比部分轉(zhuǎn)動(dòng)對于絕緣子的沖擊載荷更大，因此利用自由轉(zhuǎn)動(dòng)屬于偏于安全的考慮。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算斷聯(lián)工況，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖2所示。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，導(dǎo)線－絕緣子系統(tǒng)斷聯(lián)后的結(jié)構(gòu)阻尼比在0.09～0.1。數(shù)值計(jì)算方法準(zhǔn)確、可靠。

圖2 未斷絕緣子動(dòng)力影響系數(shù)時(shí)程曲線Fig.2 Time-interval curves of dynamic influence coefficient for unbroken insulator

4 影響復(fù)合絕緣子斷聯(lián)沖擊的主要因素

分析復(fù)合絕緣子斷聯(lián)沖擊載荷的影響參數(shù)對于特高壓用復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)十分重要，可以通過改變主導(dǎo)影響參數(shù)實(shí)現(xiàn)降低斷聯(lián)沖擊的效果。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)情況，影響絕緣子斷聯(lián)沖擊載荷特性的主要參數(shù)包括結(jié)構(gòu)尺寸、檔距等。

4.1 聯(lián)板結(jié)構(gòu)高度對斷聯(lián)沖擊的影響

利用試驗(yàn)工況條件分析2聯(lián)絕緣子金具尺寸對斷聯(lián)動(dòng)態(tài)載荷的影響。根據(jù)計(jì)算模型，金具尺寸參數(shù)主要有2個(gè)，其一為2串并聯(lián)絕緣子之間的寬度，即聯(lián)板結(jié)構(gòu)寬度;其二為連接絕緣子和導(dǎo)線之間的距離，即聯(lián)板結(jié)構(gòu)高度。圖3給出了固定聯(lián)板結(jié)構(gòu)寬度為0.45 m時(shí)，不同聯(lián)板結(jié)構(gòu)高度和絕緣子斷聯(lián)動(dòng)力影響系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。

圖3 動(dòng)力影響系數(shù)與L形聯(lián)板長度(寬度不變)的關(guān)系Fig.3 Relationship between dynamic influence coefficient and L-type junction length(with width is constant)

由圖3可知，當(dāng)聯(lián)板結(jié)構(gòu)寬度確定后，聯(lián)板結(jié)構(gòu)高度越大，對應(yīng)的斷聯(lián)動(dòng)力影響系數(shù)呈現(xiàn)降低趨勢。

4.2 檔距對斷聯(lián)沖擊的影響

利用試驗(yàn)工況參數(shù)，分析單檔條件下不同檔距對絕緣子斷聯(lián)的影響。圖4給出了試驗(yàn)工況條件下，不同檔距和絕緣子斷聯(lián)動(dòng)力沖擊系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖4 動(dòng)力沖擊系數(shù)與檔距的關(guān)系Fig.4 Relationship between dynamic influence coefficient and span

由計(jì)算結(jié)果可知，在導(dǎo)線運(yùn)行張力相同的情況下，對于孤立檔的情況，檔距的大小對于絕緣子斷聯(lián)動(dòng)力沖擊系數(shù)的影響很小。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)線路絕緣子斷聯(lián)工況設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪强尚杏行У摹?/p>

(2)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本項(xiàng)目提出的數(shù)值計(jì)算模型和方法能夠有效地模擬復(fù)合絕緣子斷聯(lián)工況動(dòng)態(tài)沖擊載荷特性。

(3)分析影響復(fù)合絕緣子耐張串?dāng)嗦?lián)動(dòng)態(tài)載荷的主要參數(shù)表明，聯(lián)板尺寸對于斷聯(lián)沖擊載荷有明顯的影響，而導(dǎo)線檔距大小對斷聯(lián)沖擊載荷影響較小。

(4)動(dòng)力影響系數(shù)是單串絕緣子最大沖擊荷載與單串絕緣子初始張力的比值。如果動(dòng)力影響系數(shù)超過了設(shè)計(jì)安全系數(shù)，可通過提高絕緣子靜態(tài)時(shí)安全系數(shù)或改變聯(lián)板尺寸2種途徑來保證絕緣子的強(qiáng)度滿足要求。

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