脱冰对输电线路导线和金具的影响研究

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输电线路覆冰会在特定的自然条件中或人为干扰下发生脱落,从而诱发输电导线上下振动,严重时会造成导地线发生相间闪络、线路金具破坏、断线倒塔等事故,影响国民的正常生产和正常生活。目前,针对输电线路覆冰脱落的研究,主要集中研究覆冰脱落时导线的冰跳幅值、导线的纵向不平衡张力以及脱冰对输电杆塔的影响;针对输电线路金具的研究,大多数学者均是取整个绝缘子串系统中易出现事故的U型挂环、绝缘子、碗头挂板或其余部件进行独立的分析,未考虑这些金具在整个绝缘子串系统中的实际运动和约束情况,且对悬垂绝缘子串的分析,多数学者将视野集中在悬垂绝缘子串的风偏问题上,关于悬垂绝缘子串在脱冰过程中的动态响应和力学特性研究还比较匮乏。基于此,本文借助ABAQUS非线性有限元软件,搭建导线-绝缘子串耦合体系有限元模型和V型悬垂绝缘子串三维实体有限元模型,对覆冰导线和V型悬垂绝缘子串中各金具在脱冰过程中的动力响应问题进行了研究,具体的研究工作如下:(1)对输电线路的组成进行了阐述,介绍了输电线路导线脱冰动力响应数值模拟方法,主要包括导线找形方法、悬链线构形方程的推导、导线冰荷载的模拟方法、导线阻尼的定义以及动力响应的有限元解法,并基于Python语言与ABAQUS的良好对接,开发了一个Python语言脚本以实现快速、高效的建立输电线路脱冰动力响应的有限元模型,并利用文献中导线脱冰跳跃模拟试验和数值仿真结果对比验证本文利用Python语言脚本构建导线模型的正确性。(2)依据线路金具的设计图纸,建立了V型悬垂绝缘子串的三维实体有限元模型,采用多体系统分析方法建立部件之间的相互运动和约束关系,并采用接触分析方法验证了多体系统分析方法的适用性和各线路金具耦合区域选取结果的正确性,发现两种方法得到的线路金具的应力分布基本一致,多数零件的应力误差低于5%,极少数零件的应力误差接近8%,故在一定程度上表明本文采用多体系统分析方法计算得到的线路金具应力结果可信,且本文线路金具耦合区域的选取适当。(3)以某±800k V特高压直流输电路中的三跨线路为研究对象,重点讨论了脱冰档位置、档距、悬点高差、覆冰厚度、V型悬垂绝缘子串夹角等对覆冰导线脱冰跳跃动力特性的影响。脱冰档数相同时,对称脱冰比不对称脱冰更安全;随着档距、高差、覆冰厚度、V型悬垂绝缘子串夹角的增加,导线的纵向不平衡张力、绝缘子串外载、导线张力几乎均呈线性增加。(4)研究了脱冰位置、档距、高差、覆冰厚度等因素对线路金具脱冰动力响应的影响。当脱冰位置对称时,各线路金具的应力波动趋势基本一致;当脱冰位置不对称时,各线路金具的应力波动相对较为复杂,且不对称脱冰形式下的金具应力更大。随着档距、高差、覆冰厚度的增加,各线路金具的应力几乎均呈线性增长,且U型挂环始终是最快达到其所用材料的屈服强度,其在脱冰过程中的应力最大位置变化多端,受到的冲击影响最大。(5)悬垂绝缘子串位于有高差输电线路的低悬挂点时,导线覆冰脱落会导致悬垂绝缘子串发生上翻,威胁电力系统的安全运行。本文分析了造成此现象的原因,并设计了一系列的脱冰工况,计算了不同覆冰厚度和档距条件下线路的安全高差比,为输电线路的设计改进提供参考。
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