風偏防范裝置剛—柔耦合數值模擬研究

張 慧 張思祥 孫明濤 姜偉國 李子揚 宋 朋

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

風偏防范裝置剛—柔耦合數值模擬研究

張 慧 張思祥 孫明濤 姜偉國 李子揚 宋 朋

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

采用有限元軟件ANSYS與ADAMS聯合仿真，建立風偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型，結合輸電塔—線體系風振響應結果，針對輸電線路風偏防范治理措施進行了精細化研究，更加真實的反映結構的動態響應。根據數值模擬結果，研究剛—柔耦合模型的動態響應特點，驗證風偏防范裝置對風偏閃絡治理工作的有效性及合理性，為輸電線路風偏治理提供可靠的理論依據。

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0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，對電力的需求日益增加，同時對供電質量的安全性和可靠性的要求也越來越高。輸電線路的覆蓋區域廣闊，輸送距離增加，電壓等級不斷提高。短時大風、覆冰等惡劣天氣條件下，輸電線路出現導線松弛，絕緣子串的風偏角擺動過大，從而導致導線與導線、導線與桿塔的距離減小，局部空間場增強，對鐵塔及周圍樹木發生風偏放電，直接引起線路跳閘，且重合閘成功率極低，嚴重影響輸電線路的安全運行，造成巨大的經濟損失。據相關部門統計，2004年—2007年500 kV輸電線路共發生風偏跳閘79次，重合閘不成功造成故障有53次。2013年，國家電網100 kV～500 kV線路共發生風偏跳閘196次，造成故障停運117次。近幾年，山東地區風偏閃絡事故尤為嚴重。由于受氣候的影響，強風、暴雨等極端惡劣天氣頻發，輸電線路風偏閃絡事故涉及全國大部分地區，風偏閃絡事故發生頻次已經超過傳輸系統的安全運行限制，尤其重要輸電通道平行線路同時風偏放電嚴重影響供電可靠性。由此可以看出，利用有限元軟件開展數值模擬研究，針對輸電線路風偏閃絡提出合理有效的防范措施，確保輸電線路的安全運行，提高其供電可靠度具有重要的研究意義。

風偏閃絡事故引起線路跳閘，一旦發生極易造成線路停運，導致大面積地區電力供應緊張，風偏治理迫在眉睫。關于輸電線路風偏閃絡，相關專家進行了以下幾個方面的研究：胡毅等[1]通過統計并分析各種故障形式及其特點，總結規律并提出了針對性的防治措施，在此基礎上明確了今后的研究思路和發展方向。武國亮等[2]通過分析風偏故障的成因和規律，結合相關的風偏事故案例，并借鑒電網行業的先進經驗，提出了相應的風偏故障防治措施，并在此基礎上提出了進一步的整改措施。劉小會等[3]通過建立有限元多體系統模型并模擬計算線路的動態風偏響應，提出考慮風動態特性的風荷載調整系數在設計塔頭尺寸中是非常重要的。目前，大多數學者主要對風偏閃絡的成因和防范措施進行了研究，而在考慮絕緣子串風偏防范裝置數值模擬研究時，僅僅是假定整體模型為單一的剛體系統或柔性系統，因此，在考慮構件變形時這樣的處理方式還遠遠不能達到精度要求。本文利用有限元軟件ANSYS和ADAMS聯合仿真，并建立風偏防范裝置剛—柔耦合模型，更加真實的模擬結構的動態性能，基于精確動力學得到的模擬結果更加準確，大大提高了模擬精度。

基于以上研究現狀，本文運用有限元軟件ANSYS生成柔性體模態中性文件MNF，利用ADAMS建立風偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型，結合輸電塔—線體系風振響應結果，通過數值模擬得到剛—柔耦合模型的極限承載力，進一步對風偏防范裝置的合理性與有效性進行了研究。

1 風偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型

風偏防范裝置由復合絕緣子串、復合拉桿、連接金具等構成，主要用于輸電線路邊相，防止大風荷載作用下邊相懸垂絕緣子串連同導線風偏角過大，引起風偏閃絡事故，起到阻擋保護的作用。本文利用有限元軟件ANSYS,ADAMS聯合仿真，建立風偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型。

1.1ANSYS柔性體模態中性文件(Jobname.MNF)

風偏防范裝置中復合絕緣子串在大幅度剛體運動的同時會發生很大的彈性變形，因此，針對復合絕緣子串，在ANSYS中建立柔性部件模型，能夠更加真實的反映受力情況。利用ANSYS-ADAMS接口輸出模態中性文件(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風偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型

在風偏防范裝置中，既有剛體又有柔體，且兩者聯系緊密。絕緣子串的風偏過程是一個復雜的動態問題，在強風作用下，剛體運動帶動柔體的彈性變形，而柔體的彈性變形也會反饋影響到剛體運動，片面考慮其中某一個方面將會影響結果的準確性。因此，建立剛—柔耦合有限元模型，考慮動力耦合效應，對于模擬分析風偏防范裝置至關重要。通過ANSYS生成的柔性體模態中性文件導入ADAMS，經過移動旋轉，將柔性體與剛性體阻擋串組裝，設置兩端連接方式，建立風偏防范裝置精細化剛—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 懸垂串末端風速及水平荷載

表2 剛—柔耦合模型數值模擬結果

根據輸電塔—線體系風振響應分析結果，可以提取不同風速下邊相懸垂絕緣子串末端水平運動速度，經數據簡化處理，得到各風速下的最大水平荷載，懸垂串末端風速及水平荷載如表1所示。風偏防范裝置如圖2所示，邊相懸垂絕緣子串及導線簡化為右側單桿及桿端實心球，其中導線質量由實心球模擬。風振響應得到的懸垂串末端水平方向荷載作為剛—柔耦合模型的激勵荷載，在簡化模型的實心球中心施加不同風速下的水平荷載，模擬實際情況下邊相懸垂串帶動導線碰撞風偏防范裝置，可以得到風偏防范裝置的軸力響應，剛—柔耦合模型數值模擬結果如表2所示。圖3為水平激勵荷載9 065 N時的風偏防范裝置軸力時程，圖4為水平激勵荷載14 000 N時的風偏防范裝置軸力時程。

由數值模擬結果可知，水平激勵荷載由7 714 N逐漸增加至14 000 N，即脈動風速由18 m/s增大至25 m/s，此時風偏防范裝置的軸力最大值均小于極限軸力160 000 N，滿足要求。當水平激勵荷載為14 000 N時，風偏防范裝置的變形過大，水平方向與輸電鐵塔距離小于最小放電間隙，不滿足要求，故風偏防范裝置能夠承受的最大水平激勵荷載小于14 000 N，即風偏防范裝置所能承受極限風荷載為24 m/s。

3 結語

本文針對輸電線路風偏閃絡問題，提出風偏防范措施，并利用有限元軟件ANSYS與ADAMS聯合仿真，建立風偏防范裝置剛—柔耦合有限元模型，結合輸電塔—線體系風振響應結果，施加不用脈動風速下簡化水平激勵荷載進行數值模擬研究，根據數值模擬結果可以得到如下結論：

1)建立精細化剛—柔耦合有限元模型，更加真實的模擬機構的動態性能，數值模擬結果更加準確。

2)風偏防范裝置能夠有效的治理邊相風偏閃絡問題，確保輸電線路安全運行，驗證防范裝置的合理性。

3)為輸電線路風偏閃絡治理工作提供可靠的理論依據，進一步提高輸電線路的設計水平。

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

[2] 武國亮,宋述停,蔡 煒,等.輸電線路風偏故障分析及應對措施[J].水電與新能源,2013(6):28-31.

[3] 劉小會,嚴 波,林雪松,等.500 kV超高壓輸電線路風偏數值模擬研究[J].工程力學,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

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