特高压线路舞动中绝缘子和金具的力学失效行为研究

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随着电力行业“十四五”发展规划的发布,为解决电力供需不平衡问题,特高压输电线路应运而生。输电线路可能会受到风引起导线舞动,导线舞动通常持续很长时间,它对电力输送系统的运行危害严重,容易引起相间跳闸、绝缘子闪络、导线断线、金属损坏、倒塔等重大事故。而绝缘子串摆动引起的塔头与导线间的闪络事故和金具失效引起的线路故障越来越多,严重威胁输电系统的安全运行和正常供电,造成了巨大的经济损失。因此,分析特高压线路舞动中绝缘子和金具的力学失效行为具有重要意义。目前不同材质绝缘子的相关研究主要基于抗拉性能、电气闪络、老化性能等常规性能,而关于绝缘子极端条件下的弯曲承载能力、不同材质绝缘子对导线舞动的影响研究相对较少;金具研究也集中于单类金具的磨损实验和有限元分析,未对不同部位、不同功能的金具进行对比分析。因此,本文以试验和模拟为主要研究方法,从绝缘子的弯曲强度、防舞性能和不同金具的失效断裂问题入手,分三个部分展开研究论述。首先,进行了陶瓷、玻璃、复合不同材料绝缘子的三点弯曲试验,结合载荷-位移曲线图,对数据进行公式计算处理,对比分析三种绝缘材料的抗弯强度。其中复合绝缘子的抗弯强度高达1092.64 MPa,得出复合绝缘子的抗弯性能最好的结论,并对复合绝缘子的断裂形貌进行了宏观分析。此外,还结合绝缘子自身材料性能、结构工艺等对陶瓷、玻璃绝缘子提出了提高抗弯性能的方法。其次,对实际工程应用中的失效金具进行宏观形貌、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等表征分析,对其断裂原因进行探讨。绝缘子端部金具呈现冰糖状解理特征,结合输电线路实际服役状态,推测是由长期的拉伸载荷引起的脆性断裂为主的解理断裂;预绞丝断口呈现大量韧窝,是塑性断裂特征,由于其包裹着导线,同步于导线在恶劣环境下的不规律舞动,主要承受着水平载荷,造成塑性断裂;线夹金具表现出脆性断裂特征,断裂位置位于应力集中的弯曲处,推断弯起位置极易发生失效断裂。最后,介绍有限元建模方法并建立风荷载作用下考虑绝缘子串、间隔棒的输电线路耦合系统模型,详细说明了各参数的取值。基于导线动力特性和舞动特征,考察档距、初始风攻角、档数、冰型四种因素对导线舞动的影响规律,得出最优参数。再通过ABAQUS平台建立输电线路绝缘子串精细化有限元模型,改变绝缘子的材料性能,研究得知不同材料绝缘子串对导线舞动影响较小,对导线风偏也起不到抑制效果。
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