文摘

在极端风荷载的作用下,架空输电线路将导致传统的断裂V型绝缘子串,大大影响了电力系统的安全。相比V型绝缘子串,Y型绝缘子串风荷载下有更好的稳定性。因此,架空线在安徽省山区为研究对象,考虑风荷载的综合效应和导线重量,通过理论推导,绝缘子串风偏转角的计算公式。利用数值模拟软件,非线性力学分析Y型绝缘子串,和的作用下不同的风速,风阻的偏航角和卸料角Y型绝缘子串。的计算结果进行比较V型绝缘子串的稳定性Y型绝缘子串的结构优于V型绝缘子串,Y型绝缘子串可以充分利用层之间的距离和边缘的差距塔头,减少横臂的长度,并降低塔的重量,具有明显的优势。结合理论分析和数值模拟的结果的优化设计方法Y型绝缘子串。的情况下保证绝缘子的安全与稳定,横臂的距离尽可能地缩短,减少输电线路塔的重量。研究结果将为工程设计提供理论参考和改进。

1。介绍

近年来,随着稳定中国经济水平的提高,工业生产建设的电力需求增加。充分和持续的能源供应是国民经济发展的重要条件。然而,由于电力资源的分布不均,有必要建立一个合理的电网合理配置权力资源1- - - - - -3]。当传输线系统受横向风荷载垂直于导线,风荷载下的导体波动,减少了电气和塔结构之间的差距。电气间隙小于安全距离时所允许的输电线路规范,可能发生击穿和放电,这可能导致跳闸事故。这种现象被称为风偏见放电跳闸(4]。风偏见放电跳闸是输电线路故障的主要原因之一,这有很大影响电力系统的安全,对人们的生产和生活带来了巨大的经济损失(5- - - - - -9]。输电杆塔绝缘子串的是由两个或两个以上的绝缘子单位。绝缘子串是固定和操作所需的保护装置,可使输电杆塔的导体。由于输电塔结构的差异,导体模型,每个阶段的subconductors数量,和电压等级,绝缘子串的装配类型也不同,可以分为两类:绝缘子串悬挂绝缘子串和张力。绝缘子的数量单位的绝缘子串电压水平相关,例如,在中国,不同电压下绝缘子的最小数量单位水平是7单元110千伏、220千伏13个单位,17个单位330 kV, 25个单位500千伏、750千伏和32个单位,可以根据实际情况确定在实际的项目。特高压输电线路的发展和应用系统,设计和优化的绝缘子串antiwindage偏航迫切需要修订。在大多数现有的输电线路系统,大多是绝缘子字符串我类型或V类型。只有少数输电线路项目使用Y型绝缘子串和研究Y型绝缘子串相对缺乏(10- - - - - -12]。因此,它具有重要的工程意义分析的力学特性和风力影响偏航角Y类型下的绝缘子串风荷载。

输电导线之间的安全距离和塔结构是影响塔结构、绝缘子串形式,风荷载,竖向荷载,和周围的环境。一个et al。13)提出一个系统的方法来分析偏差偏航的输电线路闪络。El-Refaie et al。14]研究污染层厚度和电导率的影响电场分布。国内外学者研究了各种类型的绝缘子的风阻偏航特征字符串在风荷载下,主要关注的研究我类型和V型绝缘子串,而研究的Y型绝缘子串相对较少。冯et al。15)结合精细数值模拟的计算结果的动静力输电线路、安装旋角的计算公式我型绝缘子串,发现摇摆角与冰层厚度的增加减少。燕et al。16]纠正规范风阻偏航角的计算公式我型绝缘子串通过引入动态风荷载系数,并结合数值模拟的计算结果,给出相应的系数在不同的情况下。李等人。17]研究了复杂的风力发电场对绝缘子的风阻偏航特征字符串和比较了理论计算与仿真结果。燕et al。18]提出了动态风荷载系数的公式确定的偏转角我通过数值模拟型绝缘子串。贾et al。19研究了风阻偏航的特点我型绝缘子串通过数值模拟,发现有一定的跨度对风阻的影响偏航角和悬式绝缘子串风荷载调整系数调整并提供相应的风荷载系数不同的跨越。王等人。20.)建立了一个有限元耦合模型V类型输电线路绝缘子串和计算了绝缘子串在脉动风荷载作用下的应力分布。李等人。21绝缘子串的)被认为是复合材料参数,分析了复合绝缘子串的屈曲特征和变形特征V复合绝缘子串类型基于有限元方法。谢et al。22)的失效机理进行了分析V型绝缘子串从制造工艺、结构特点、试验研究和数值模拟。傅和龚23研究的动态拉伸和压缩载荷V型绝缘子串通过数值模拟和动态操作条件下获得了放大比率的动态相应的静态负载峰值负载。大量的研究表明,两者兼而有之我类型和V型绝缘子串有自己的应用优势和Y型绝缘子串的优势结合起来我类型和V型绝缘子串和有更好的机械,风阻偏航,污闪特性(24]。然而,研究Y型绝缘子串相对稀缺,和压力特性是复杂的,所以很难建立准确的计算方法。

大量的研究表明,当风速很大,的夹角V型绝缘子串大,这将导致相应的增加绝缘子和横臂的长度和层间间距,这不是控制的差距。的Y型绝缘子串的优点结合起来我类型和V型绝缘子串结构,可以充分减少绝缘子串和横臂的长度,减少线路走廊的长度在一定程度上,和有良好的经济效益。国内外的研究我类型和V型绝缘子串相对完整。作为一种新型的结构,Y型绝缘子串有良好的工程应用前景。然而,力学性能的研究Y型绝缘子串在国内外并不完美,和研究Y型绝缘子串相对缺乏。因此,本文通过理论分析和数值模拟,计算的位移V类型和Y型绝缘子串风荷载下,给出了优化设计的方法Y型绝缘子串,比较了非线性屈曲性能V类型和Y绝缘类型字符串。研究结果将为优化设计提供理论参考Y类型在输电线路绝缘子串和他们的推广和应用。

2。复合绝缘子串的风阻偏航理论

游隙偏航角偏差形成的夹角导线绝缘子串的垂直位置在风荷载的作用下,可以确定根据垂直载荷和风载荷如图1。一般来说,如果风偏转角度太大,带电体之间的气隙的低端绝缘子串和铁塔将降低,线是容易风偏转跳闸事故和放电。因此,我们首先计算风荷载的导体在这一节中。在风荷载的作用下,得到风的理论计算表达式的偏转角Y通过理论分析形绝缘子串。

2.1。风荷载的计算

2.1.1。风荷载计算的复合绝缘子串

单个绝缘子的风荷载的悬式绝缘子字符串(25- - - - - -30.] 在哪里是单一的绝缘子上的负载,平均风速在十分钟内采用的设计,然后呢单个绝缘子的风能接收区,当单片绝缘子的直径小于254毫米,面积为0.02 ,和地区的大型盘直径和双直径是0.03 。

2.1.2。风荷载的计算导体

导体上的风荷载与水平是(25- - - - - -30.] 在哪里导体上的风荷载,不均匀的风压系数,如表所示1,导体的形状系数,如表所示2,导线的直径,导线的横向跨度,风阻偏航角的导体。

2.1.3。售票员垂直荷载的计算

垂直荷载的理论计算表达式的导体 在哪里导线的垂直荷载,的垂直跨度是导体,的重力单位长度导线,然后呢是捆绑导线的数量。

2.2。复合绝缘子串的理论推导

复合绝缘子串的风阻偏航角主要受水平风荷载的影响。通过力学分析,当 ,的四肢V型绝缘子串正在紧张。当 ,迎风面处于紧张和背风的一面不是压力。当 ,迎风面处于紧张和背风一侧受到压缩,如图2。当风速足够大,结构不稳定,和卸载角会发生(即。,the difference between the maximum windage yaw angle and half of the included angle between the two limbs). According to relevant data, the unloading angle should not exceed 。1989年,广东省电力设计研究院进行了相关实验V类型复合绝缘子的字符串。结果表明,复合绝缘子的卸载角字符串不应超过 。即合理控制卸载角可以确保线路的安全。由于绝缘子串的严重性是不同于导体的重量通过一个数量级,绝缘子串本身的负载将被忽略。

在图2,售票员重力,水平风荷载,合力,是风阻偏航角,之间的角度是两个四肢,卸载角。

假定坐标原点是点一个绝缘子串的长度 ,点的运动轨迹C是

通过几何关系

紧张的机械分析肢体C如图3(一个)通过分析

假设压缩肢体的轴向变形 ,然后

同时(5)和(7) 在哪里水平风荷载是迎风肢体的组件,迎风肢体上的张力,是力从迎风肢体背风肢体。

机械压缩边缘点的分析C如图3 (b)。

通过几何相似

然后, 在哪里水平风荷载是背风肢体和组件背风肢体上的压力。

为我类型的下半部分Y型绝缘子串,位移主要是考虑,以确保足够的安全间隙。其分析方法是类似的我型绝缘子串。连续刚性杆方法(31日)和和弦多边形方法(32可以使用)。为了保证足够的精度,选择和弦多边形的方法来反映真实的绝缘子串的变形状态。

如图4,我们假设每个刚体的长度绝缘子串的一部分 , , ,每个垂直荷载 , , , ,和每个横向风荷载 , , , 。这些力量采取行动的中心组件。根据平衡条件偏差偏航后,水平位移和垂直位移的我型截面

由方程(11)和(12),结合力学分析背风肢体和下半部分的位移,绝缘子串类型可以优化获得最合适的字符串类型。设计横臂的长度可以缩短的情况下确保安全,为有限元数值模拟提供基础。

3所示。绝缘子串的屈曲分析

足够大的风速时,由于结构和其他因素,绝缘体背风一侧将受到不同程度的压力,和复合绝缘子串将扣在压力下。绝缘子串仍具有一定的承载能力后屈曲(33- - - - - -35]。因此,有必要进行屈曲分析的核心。复合芯棒图所示5。表3显示了顶头的材料参数。

3.1。绝缘子串的特征值屈曲分析

根据复合绝缘子的连接模式,一端铰接,另一端滑动,如图6。

长度绝缘子串的10米,部分直径是0.04米。根据理论分析(36,37)的关键力量复合芯棒屈曲压缩

我们使用ANSYS有限元软件进行特征值屈曲分析。特征值屈曲分析之前,我们进行静态计算和预应力效应开关打开。静态解EMAT和ESAV文件将用于特征值屈曲分析。我们使用189梁单元数值模拟和假设两端铰接。通过屈曲分析,一阶屈曲载荷为496.91 N,这基本上是与理论计算结果一致。一阶模式如图7。

3.2。绝缘子串的非线性屈曲分析

特征值屈曲分析的基础上,进行复合芯棒的非线性屈曲分析研究屈曲后的应力和变形。非线性屈曲分析采用弧长方法(28,38- - - - - -42),它是由ARCLEN和ARCTRM命令控制的。大变形选项打开,分析分步设置为20的步骤。与此同时,非线性屈曲分析需要引入初始缺陷。我们使用UPGEOM命令来更新模型,并于800年应用N点力量B分析和解决方案,我们获得displacement-load曲线的心轴,如图8。

根据displacement-load曲线如图8的最大临界力复合芯棒496.91 N, displacement-load曲线保持线性关系之前,组件是不稳定的。随着负载的增加超出了临界载荷,芯棒将扣和变得不稳定,仍有一定的承载力后屈曲和不稳定。

可以控制的总体分析绝缘子串和比较根据绝缘子背风一侧的位移,为复合材料的优化设计提供基础绝缘子串。

4所示。复合绝缘子串的数值模拟分析

4.1。的比较和分析V类型和Y型绝缘子串结构

有限元数值模型V类型和Y型绝缘子串,和不同结构的风致挠度特征字符串比较通过力学分析。导体模型是JL / GIA-630/45,售票员是400 m,张成的空间和材料的基本参数如表所示4。Fxpw-1000/300复合绝缘子选择绝缘子,和基本参数如表所示3。的数值模型Y通过使用ANSYS建立类型绝缘子串。根据绝缘子串的特点,189年梁元素用于仿真。铰链关节之间的连接使用两条腿的绝缘子串和塔结构。在数值模型中,使用灵活的关节之间的连接部分我和V,垂直荷载和水平风荷载应用于节点的底部Y型绝缘子串。

我们选择V类型和Y型绝缘子串进行数值分析。的长度我类型的Y型绝缘子串1 m。两种绝缘子串的垂直高度为6米。导线的垂直荷载保持不变。绝缘子串的夹角和横臂的长度发生了变化。通过数值模拟进行了比较分析。结构参数如表所示5和绝缘子串模型图所示9。

考虑绝缘子串重力的影响,V绝缘子的类型部分字符串形式悬链线的形状,如图10。

在重力形状发现,固定的约束是对的V绝缘子的类型部分字符串。导体的重力载荷为33264 N。水平荷载主要考虑风荷载的作用。设计,包括角的两个四肢Y型绝缘子串结构可以优化。两四肢,夹角越大越强的风的阻力Y型绝缘子串。因此,当两个四肢的夹角大,低风速影响很小,结构处于稳定状态,所以它的计算是没有意义的。当两个肢体之间的角度很大,选择较大的风速卸载角或位移Y型绝缘子串出现,因此风速范围从20米/秒到45米/秒。它们转化成水平风载和应用于string-conductor绝缘子串的连接结构。当风速很小,小变形的结构是相对稳定的,如图11。

当风速45 m / s,背风肢体被压缩和弯曲变形,大大变形和整体结构,如图12。

通过有限元数值分析,卸货的最大位移角是与背风的腿,和分析结果如表所示6- - - - - -8。

通过数值模拟分析,当风速很小,几乎没有区别的稳定性V类型和Y型绝缘子串结构,而且没有卸载角和位移。在相同风速下,卸载角V类型和Y类型相同的绝缘子串夹角几乎没有区别。的Y型绝缘子串小于约5%V型绝缘子串,但位移控制的背风的腿Y型绝缘子串小于20%V型绝缘子串。为V类型和Y相同类型绝缘子串与横臂,Y型绝缘子串有更大的夹角优势,卸载角可以减少30% - -60%,最大位移的背风的腿可以减少30% - -60%。分析结果表明,Y型绝缘子串的结构比有较明显的改善V绝缘类型字符串。

4.2。的结构优化分析Y型绝缘子串

优化的计划主要是优化的结构尺寸Y型绝缘子串,检查结构优化后的结构强度,缩短的距离横臂悬点在保证结构强度的前提下,电气间隙位移。在不同工作条件下,理论最优点可以通过使用这种优化方案,这将进一步根据项目的实际情况确定。的优化设计过程Y型绝缘子串图所示13。

为了减少绝缘子串的横臂的长度,当前项目需要进行结构优化设计(43- - - - - -45]。结合比较分析部分4.1,进行了结构优化设计Y型绝缘子串。确保安全的情况下间隙和结构稳定,横臂长度减少实现横臂结构的最优设计方案。条件下,绝缘子串的总高度不变,输电塔的横臂的长度可以减少改变的长度我类型的部分,减少两腿之间的角度。确保安全的情况下间隙距离,我们控制的长度我类型部分中,优化两腿之间的角条件下确保卸载角的稳定性和背风腿压缩,进行有限元数值模拟,并获得一组实用的结构优化设计方案,如图14。虚线代表优化设计模式。

4.3。优化设计的例子Y型绝缘子串

的大小计算模型如图15。材料复合,售票员JL / GIA-630/45四捆绑导体。跨度为400米,高度差是7米,售票员差距不超过2米,和游隙偏航角风荷载的作用下生成的 。

优化方案1:的水平位移值我类型的部分不超过2米。根据节2。2的最佳长度我型节2.82米,横臂的挂点的距离缩短为8.36 m,减少16.4%,如图16。通过力学分析,背风的腿Y型绝缘子串不强调,张力是由迎风腿,因此,结构是安全的。

优化方案2:根据优化方案1的结果,通过理论计算,我们得到的关键力量= 1420 N的屈曲和不稳定背风绝缘子串的肢体。根据节2。2,两条腿之间的夹角是通过计算减少到43.3°,和挂点横臂的距离缩短为7.878 5.76%,如图17。在这个时候,卸载角是1.7 ,压力由背风腿承担1400 N,小于屈曲临界力计算,结构是安全的。

通过两次的优化设计,例如,横臂的总长度缩短从10米至7.878米21.22%,如表所示9,满足安全需求的安全与稳定。

4.4。讨论

通过理论分析和数值模拟,我们发现风偏转特性Y型绝缘子串比有较明显的改善V类型和我绝缘类型字符串。根据理论分析和数值模拟的结果,优化方案Y型绝缘子串被制定。优化方案的可行性Y型绝缘子串验证了一个优化的例子。优化设计后,可以大大缩短横臂的长度,并可以提高工程建设的经济效益在满足需求的前提下的结构和电力安全。

5。结论

在本文中,通过理论分析和有限元数值模拟风荷载的作用下,机械的特点V类型和Y字符串类型绝缘子进行了研究。通过比较分析的优点Y型绝缘子串的输电塔结构在应用程序解释道。结合研究结果,优化设计方案Y类型提出了绝缘子串。(1)通过非线性屈曲分析,复合绝缘子串的非线性极限承载力。结合绝缘子串的最大变形,绝缘子串的优化设计限制,为优化设计提供了理论依据Y型绝缘子串。(2)在相同载荷下,Y型绝缘子串显然比V型绝缘子串在卸载角和最大位移控制背风的腿,这主要是由两条腿的夹角。夹角越大,结构更稳定,横臂的长度将会增加。两条腿的夹角可以通过计算,确定可以指导的结构优化设计V类型和Y绝缘类型字符串。(3)结合理论计算和数值模拟的结果分析的结构Y通过两个例子类型绝缘子串进行优化,这可以极大地减少短横臂的长度,确保结构的安全与稳定。

本文的结构优化设计方案Y类型提出了绝缘子串,它提供了理论和数值模拟的推广和应用参考Y型绝缘子串,它具有一定的工程应用价值。然而,本文只分析了单个绝缘子串,和string-line耦合模型可以建立整体耦合分析,这将提高仿真计算的真实性。此外,绝缘子串模型简化本文在理论和数值模拟计算。后续研究可以提高模型并添加五金配件,耦合板,和其他组件以获得更多真实的力学性能。

6。未来工作范围

在风荷载的作用下,风阻输电导线绝缘子串的偏航角将直接影响输电线路的安全系统。作为一种新型的字符串,仍有许多不足的研究Y国内外绝缘类型字符串。的深入研究Y型绝缘子串将促进其推广应用的项目。(1)本文研究了Y型绝缘子串。然而,所扮演的角色Y类型在整个输电线路绝缘子串系统是非常重要的。因此,它是非常必要的耦合分析Y型绝缘子串和传输线系统下一步。(2)在本文中,力学性能Y型绝缘子串研究方面的理论分析和数值模拟,和的优点Y型绝缘子串。接下来,通过实验研究Y型绝缘子串,我们会发现它的缺点在实际工程应用中,进一步正确的理论和数值模拟的结果。

数据可用性

本研究的数据可从相应的作者。

同意

不适用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

z l .负责概念化、项目管理和资源;z h s和j .负责软件;l z和h . y .负责正式分析;h . s .参与调查;t . z和z . j .参与数据管理;z l和t . z参与原创作品准备草案;t . z z l .参与writing-review和编辑。所有作者阅读和同意发布版本的手稿。

确认

这项研究是由江西省教育科学“14日五年计划”项目(奖。22 qn007)和中国国家自然科学基金(奖。51568046)。