基于有限元法特高压直流线路大跨越电晕振动分析

张华富, 赵天成, 马爱清

(1.国网上海市电力公司金山供电公司, 上海 200540; 2.上海电力学院, 上海 200090)

高压架空输电线路运行时会产生导线电晕放电现象[1]。电晕现象包括可听噪声、电晕损失、无线电干扰等,会对周围居民的正常生活以及电力系统的正常运行产生一定的影响。在电极尖端或导线毛刺的地方,由于场强的作用,附近空气中离子和电子会高速运动并发生碰撞,在此过程中伴随着能量的交换,形成“电风”。当导线下方悬挂雨滴时,导线在电风的作用下会发生扭转或振动。电晕振动会致使金具受到严重磨损,引起线路闪络跳闸、伤股、断股,甚至出现杆塔倒塌等现象,将严重影响高压输电线路的正常工作。

自然环境会对架空输电线路的表面状况产生一定的影响,导致电晕振动现象加剧,如雾霾使导线表面污秽,酸雨腐蚀线路改变其表面粗糙程度[2-3]。在良好的天气条件下,架空输电线路不太会发生电晕振动。但当大气湿度较大,如雨雾天气下,导线表面会形成水滴,导致表面电场分布不均,起晕电压降低[4-7],从而导致电晕放电。在我国9个典型气象区中,50%以上具有导线电晕振动的自然条件。历史上也发生过导线电晕现象导致输电线路,尤其是跨江线路和大跨越线路遭受巨大损失的重大事故。因此,深入研究雨雾天气下高压交直流输电线路上的电晕振动现象十分必要。

为研究降雨条件下导线电晕振动幅值的大小,本文以向家坝—上海±800 kV高压直流输电工程中杨家厂长江大跨越为例,建立了大跨越段输电线路的简化模型,给导体模型添加边界条件和外加载荷,在ANSYS仿真软件上利用有限元法求解其振动位移幅值,并在该模型的基础上研究了降雨强度对导线电晕振动幅值的影响。

1 计算模型

本文建立的模型为向家坝—上海±800 kV高压直流输电工程的杨家厂长江大跨越,杨家厂长江大跨越工程采用耐—直—直—耐的跨越方式,跨越档档距长度为1 580 m,跨越直线塔型号为ZK-181,导线使用4×AACSR/EST-640/290特强钢芯铝绞线,主要参数如表1所示。每相为四分裂单回路。地线采用JLB14-340铝包钢绞线,另一根地线采用OPGW-350光缆。

表1 AACSR/EST-640/290导线的主要参数

用于固定分裂导线的间隔棒的主要参数如表2所示。

表2 间隔棒的主要参数

在用仿真软件对导线电晕振动进行有限元分析时,首先建立输电线路的模型。由于本文主要是研究导线电晕振动幅值的大致趋势,故没有必要建立1 580 m长的导线,次档距长度的导线足以反映整体振动趋势。这里选取了其中的一段次档距的长度,即型号为4×AACSR/EST-640/290,长度为10 m的四分裂导线,以此建立模型进行仿真求解。

所建立的输电导线模型如图1所示。

图1 长度为10 m的四分裂高压输电线路模型

由于该仿真系统自带的数据库中没有所需材料,所以在设置导线和间隔棒的相关物理参数时需要先在材料库中添加这两种材料,再对模型进行材料设置。添加新材料时所用到的参数见表1和表2。

采用有限元法分析时,需对导体及间隔棒进行网格划分。网格分析的结果如图2所示。

引起导线电晕振动的电晕力fsin为正弦函数。为了求解导线振动位移,需要知道正弦函数表达式,因此需对系统进行模态分析,求解其固有振动频率,即电晕力表达式中的频率。

首先对系统设置边界条件,即将分裂导体两段固定,然后对系统进行模态分析,所得结果如图3所示。

图2 模型的网格划分

图3 模态分析结果

软件默认对系统进行六阶模态分析,而其中起主要作用的是一阶模态分析的结果。由图3(b)可知,系统固有频率取13 Hz。

本文的目的是探究降雨强度对导线电晕振动幅值的影响,对相同的导线施与不同的降雨强度,利用有限元法求解各个降雨强度下导线电晕振动的幅值,并对所得结果进行比较分析。

降雨强度是指单位时间内的降雨量,降雨强度不同时,悬挂在相同长度导线上的水滴数量不同,也由此导致导线上电晕力的大小也不同,这将影响电晕振动的幅值。本文求解了10 m长的四分裂导线在4个降雨强度(分别为小雨、中雨、大雨和暴雨)下的振动位移幅值。在不同降雨强度下每米导线上悬挂的水滴数量如表3所示[8]。

表3 不同降雨强度下每米导线悬挂水滴数量

电晕力随时间的变化难以评估。文献[8-9]获得了与高压导体移动同步的脉冲力Fimp与正弦电晕力幅值fsin的关系为

(1)

式(1)适用于各种条件(施加电压的极性和水平、降雨强度),当水滴喷出时,Fimp随之消失。通过查阅文献[10-12]可知,一个水滴所产生电晕力的数量级是10-4N。本文取每个水滴所受的移动同步的脉冲力fc=5×10-4N。

2 数值分析及结果比较

2.1 小雨条件下振动位移求解

图4 小雨条件下的谐响应分析结果

2.2 中雨条件下振动位移求解

中雨条件下,导线上每米悬挂水滴数量约为27滴。同理计算得10 m长的导线上单根导线所受电晕力幅值为0.073 4 N,频率为13 Hz。在4根分裂导线上分别添加方向相同、大小均为0.073 4 N的正弦力,然后对系统进行谐响应分析,求得振动幅值如图5所示,为12.243×10-3mm。

图5 中雨条件下的谐响应分析结果

2.3 大雨条件下振动位移求解

大雨条件下,导线上每米悬挂水滴数量约为33滴。结合式(1)和式(2),计算得10 m长的导线上单根导线所受电晕力幅值为0.089 7 N,频率为13 Hz。在4根分裂导线上分别添加方向相同、大小均为0.089 7 N的正弦力,然后对系统进行谐响应分析,求得振动幅值如图6所示,为14.961×10-3mm。

图6 大雨条件下的谐响应分析结果

2.4 暴雨条件下振动位移求解

暴雨条件下,导线上每米悬挂水滴数量约为39滴。结合式(1)和式(2),计算得10 m长的导线上单根导线所受电晕力幅值为0.106 N,频率为13 Hz。在4根分裂导线上分别添加方向相同、大小均为0.106 N的正弦力,然后对系统进行谐响应分析,求得振动幅值如图7所示,为17.68×10-3mm。

图7 暴雨条件下的谐响应分析结果

2.5 仿真结果对比分析

在保持其他条件完全相同的情况下,对相同的导线施与不同的降雨强度,利用有限元法求解各降雨强度下导线电晕振动的幅值。将小雨、中雨、大雨、暴雨4个降雨强度下导体振动幅值进行整理归纳,结果如表4所示。

表4 不同降雨强度下导体电晕振动幅值

由表4可以看出,随着降雨强度的增大,导线振动幅值随之增大,振动幅值与降雨强度成正比。究其原因,一方面是由于降雨强度越大,导线上悬挂的水滴数量越多,导线整体所受的电晕力越大,而电晕力是导致导线电晕振动的主要因素;另一方面,导线表面悬挂水滴后,会改变导线表面的等效粗糙系数,同时也将改变导线的起晕场强。降雨强度越大,导线表面悬挂水滴数量越多,等效粗糙系数越小,起晕场强越小。导线表面起晕场强随粗糙系数的变化情况如表5所示[5]。

表5 导线表面起晕场强与粗糙系数的关系

由表5可以看出,降雨强度越大,导线表面等效粗糙系数越小,导线表面的起晕场强越小,即越容易发生导线电晕振动。

综合以上两方面的因素可知,导线电晕振动幅值随降雨强度的增大而增大。在其他条件相同时,暴雨条件下导线电晕振动的幅值约为小雨条件下振动幅值的2倍。因此,恶劣天气条件下的导线电晕振动现象尤其需要重视。

3 应对措施

高压架空输电线路的电晕振动具有振幅小、持续时间长等特点,容易造成导线的磨损、断股或金具损坏等现象。一般条件下,导线的电晕振动难以用肉眼观测到,天气条件良好时,电晕振动现象比较微弱,但是在雨雾天气下,电晕振动更为严重。因此,在设计抑制或减弱高压输电线路的电晕振动措施时,应考虑雨天发生电晕振动的情况。

雨天电晕振动的防治措施主要可以从以下3个方面加以考虑:

(1) 采用分裂导线,降低导线表面电位梯度,抑制电晕振动发生;

(2) 在高压线路上安装防振装置,减弱振动现象;

(3) 改变线路结构的固有振动频率来破坏其在雨天情况下的共振条件,以达到防止或消除电晕振动的目的[13]。

4 结 论

(1) 通过有限元法的仿真发现,在下雨天,大跨越输电线路会发生电晕振动产生位移;

(2) 随着降雨强度的增大,导线振动幅值随之增大,振动幅值和降雨强度成正比,暴雨条件下导线电晕振动的幅值约为小雨条件下振动幅值的2倍,但不会超过0.02 mm。