风偏防范装置刚—柔耦合数值模拟研究

张 慧 张思祥 孙明涛 姜伟国 李子扬 宋 朋

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

风偏防范装置刚—柔耦合数值模拟研究

张 慧 张思祥 孙明涛 姜伟国 李子扬 宋 朋

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

采用有限元软件ANSYS与ADAMS联合仿真，建立风偏防范装置刚—柔耦合有限元模型，结合输电塔—线体系风振响应结果，针对输电线路风偏防范治理措施进行了精细化研究，更加真实的反映结构的动态响应。根据数值模拟结果，研究刚—柔耦合模型的动态响应特点，验证风偏防范装置对风偏闪络治理工作的有效性及合理性，为输电线路风偏治理提供可靠的理论依据。

风偏防范装置,ANSYS,ADAMS,刚—柔耦合,数值模拟

0 引言

随着我国经济的飞速发展，对电力的需求日益增加，同时对供电质量的安全性和可靠性的要求也越来越高。输电线路的覆盖区域广阔，输送距离增加，电压等级不断提高。短时大风、覆冰等恶劣天气条件下，输电线路出现导线松弛，绝缘子串的风偏角摆动过大，从而导致导线与导线、导线与杆塔的距离减小，局部空间场增强，对铁塔及周围树木发生风偏放电，直接引起线路跳闸，且重合闸成功率极低，严重影响输电线路的安全运行，造成巨大的经济损失。据相关部门统计，2004年—2007年500 kV输电线路共发生风偏跳闸79次，重合闸不成功造成故障有53次。2013年，国家电网100 kV～500 kV线路共发生风偏跳闸196次，造成故障停运117次。近几年，山东地区风偏闪络事故尤为严重。由于受气候的影响，强风、暴雨等极端恶劣天气频发，输电线路风偏闪络事故涉及全国大部分地区，风偏闪络事故发生频次已经超过传输系统的安全运行限制，尤其重要输电通道平行线路同时风偏放电严重影响供电可靠性。由此可以看出，利用有限元软件开展数值模拟研究，针对输电线路风偏闪络提出合理有效的防范措施，确保输电线路的安全运行，提高其供电可靠度具有重要的研究意义。

风偏闪络事故引起线路跳闸，一旦发生极易造成线路停运，导致大面积地区电力供应紧张，风偏治理迫在眉睫。关于输电线路风偏闪络，相关专家进行了以下几个方面的研究：胡毅等[1]通过统计并分析各种故障形式及其特点，总结规律并提出了针对性的防治措施，在此基础上明确了今后的研究思路和发展方向。武国亮等[2]通过分析风偏故障的成因和规律，结合相关的风偏事故案例，并借鉴电网行业的先进经验，提出了相应的风偏故障防治措施，并在此基础上提出了进一步的整改措施。刘小会等[3]通过建立有限元多体系统模型并模拟计算线路的动态风偏响应，提出考虑风动态特性的风荷载调整系数在设计塔头尺寸中是非常重要的。目前，大多数学者主要对风偏闪络的成因和防范措施进行了研究，而在考虑绝缘子串风偏防范装置数值模拟研究时，仅仅是假定整体模型为单一的刚体系统或柔性系统，因此，在考虑构件变形时这样的处理方式还远远不能达到精度要求。本文利用有限元软件ANSYS和ADAMS联合仿真，并建立风偏防范装置刚—柔耦合模型，更加真实的模拟结构的动态性能，基于精确动力学得到的模拟结果更加准确，大大提高了模拟精度。

基于以上研究现状，本文运用有限元软件ANSYS生成柔性体模态中性文件MNF，利用ADAMS建立风偏防范装置刚—柔耦合有限元模型，结合输电塔—线体系风振响应结果，通过数值模拟得到刚—柔耦合模型的极限承载力，进一步对风偏防范装置的合理性与有效性进行了研究。

1 风偏防范装置刚—柔耦合有限元模型

风偏防范装置由复合绝缘子串、复合拉杆、连接金具等构成，主要用于输电线路边相，防止大风荷载作用下边相悬垂绝缘子串连同导线风偏角过大，引起风偏闪络事故，起到阻挡保护的作用。本文利用有限元软件ANSYS,ADAMS联合仿真，建立风偏防范装置刚—柔耦合有限元模型。

1.1ANSYS柔性体模态中性文件(Jobname.MNF)

风偏防范装置中复合绝缘子串在大幅度刚体运动的同时会发生很大的弹性变形，因此，针对复合绝缘子串，在ANSYS中建立柔性部件模型，能够更加真实的反映受力情况。利用ANSYS-ADAMS接口输出模态中性文件(Jobname.MNF)，该文件包含柔性体部件的所有信息，其生成的ANSYS柔性体有限元模型如图1所示。

1.2ADAMS风偏防范装置刚—柔耦合有限元模型

在风偏防范装置中，既有刚体又有柔体，且两者联系紧密。绝缘子串的风偏过程是一个复杂的动态问题，在强风作用下，刚体运动带动柔体的弹性变形，而柔体的弹性变形也会反馈影响到刚体运动，片面考虑其中某一个方面将会影响结果的准确性。因此，建立刚—柔耦合有限元模型，考虑动力耦合效应，对于模拟分析风偏防范装置至关重要。通过ANSYS生成的柔性体模态中性文件导入ADAMS，经过移动旋转，将柔性体与刚性体阻挡串组装，设置两端连接方式，建立风偏防范装置精细化刚—柔耦合有限元模型，如图2所示。

2 ADAMS刚—柔耦合模型有限元模拟

表1 悬垂串末端风速及水平荷载

表2 刚—柔耦合模型数值模拟结果

根据输电塔—线体系风振响应分析结果，可以提取不同风速下边相悬垂绝缘子串末端水平运动速度，经数据简化处理，得到各风速下的最大水平荷载，悬垂串末端风速及水平荷载如表1所示。风偏防范装置如图2所示，边相悬垂绝缘子串及导线简化为右侧单杆及杆端实心球，其中导线质量由实心球模拟。风振响应得到的悬垂串末端水平方向荷载作为刚—柔耦合模型的激励荷载，在简化模型的实心球中心施加不同风速下的水平荷载，模拟实际情况下边相悬垂串带动导线碰撞风偏防范装置，可以得到风偏防范装置的轴力响应，刚—柔耦合模型数值模拟结果如表2所示。图3为水平激励荷载9 065 N时的风偏防范装置轴力时程，图4为水平激励荷载14 000 N时的风偏防范装置轴力时程。

由数值模拟结果可知，水平激励荷载由7 714 N逐渐增加至14 000 N，即脉动风速由18 m/s增大至25 m/s，此时风偏防范装置的轴力最大值均小于极限轴力160 000 N，满足要求。当水平激励荷载为14 000 N时，风偏防范装置的变形过大，水平方向与输电铁塔距离小于最小放电间隙，不满足要求，故风偏防范装置能够承受的最大水平激励荷载小于14 000 N，即风偏防范装置所能承受极限风荷载为24 m/s。

3 结语

本文针对输电线路风偏闪络问题，提出风偏防范措施，并利用有限元软件ANSYS与ADAMS联合仿真，建立风偏防范装置刚—柔耦合有限元模型，结合输电塔—线体系风振响应结果，施加不用脉动风速下简化水平激励荷载进行数值模拟研究，根据数值模拟结果可以得到如下结论：

1)建立精细化刚—柔耦合有限元模型，更加真实的模拟机构的动态性能，数值模拟结果更加准确。

2)风偏防范装置能够有效的治理边相风偏闪络问题，确保输电线路安全运行，验证防范装置的合理性。

3)为输电线路风偏闪络治理工作提供可靠的理论依据，进一步提高输电线路的设计水平。

[1] 胡 毅,刘 凯,吴 田,等.输电线路运行安全影响因素分析及防治措施[J].高电压技术,2014,40(11):3491-3499.

[2] 武国亮,宋述停,蔡 炜,等.输电线路风偏故障分析及应对措施[J].水电与新能源,2013(6):28-31.

[3] 刘小会,严 波,林雪松,等.500 kV超高压输电线路风偏数值模拟研究[J].工程力学,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

张 慧(1984- )，女，硕士，工程师

TM751

A