微风环境输电线路共振下悬垂绝缘子串金具承力机理

郝子健; 周强; 郑文灵; 胡玉耀

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2600578

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (29) :12647-12659 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2600578

电工技术

微风环境输电线路共振下悬垂绝缘子串金具承力机理

郝子健 ¹^,² ,
周强 ¹^,²^,^* ,
郑文灵 ³ ,
胡玉耀 ¹^,²

作者信息 +

Load-bearing Mechanism of Suspension Insulator String Fittings under Resonance of Transmission Lines in Breezy Environment

HAO Zi-jian ¹^,² ,
ZHOU Qiang ¹^,²^,^* ,
ZHENG Wen-ling ³ ,
HU Yu-yao ¹^,²

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摘要

输电线路在外部环境力作用下易出现连接金具过度承力导致金具疲劳损伤、断裂等事故,现有研究多聚焦于线路覆冰与大风荷载对连接金具的影响。但是,微风环境引起的输电线路低频共振对连接金具受力的作用机理及影响机制尚不明确。分析了微风振动引起导线的卡门涡街效应及其周期性升力,以悬垂绝缘子串为研究对象,建立了220 kV塔线体系与悬垂绝缘子串的三维仿真模型,研究了微风环境下线路共振对悬垂绝缘子串的力学响应特性。仿真结果表明:微风环境下线路共振会显著提高悬垂绝缘子串的应力水平;线路共振下悬垂绝缘子串的应力集中位置是球头挂环的球-杆连接处,最大等效应力为548.4 MPa。研究结果表明微风环境下线路共振会对连接金具产生显著影响,可为连接金具的结构优化设计及输电线路重点区域的运维检修提供依据。

Abstract

Under the action of external environmental forces, transmission lines are prone to accidents such as fatigue damage and fracture of connecting fittings caused by excessive load bearing. The existing research focuses on the influence of ice accumulation and strong wind load on connecting fittings. However, the mechanism of action and influence mechanism of low-frequency resonance of transmission lines caused by breeze environment on the load bearing of connecting fittings are still unclear. The Karman vortex street effect and periodic lift force of the conductors caused by aeolian vibration were analyzed. With the suspension insulator string as the research object, a three-dimensional simulation model of the 220 kV tower line system and the suspension insulator string was established to explore the mechanical response characteristics of the suspension insulator string under the resonance of the transmission lines in the breeze environment. The simulation results show that the resonance of the transmission line in the breeze environment would significantly increase the stress level of the suspension insulator string. The stress concentration position of the suspension insulator string under the resonance of the transmission line is at the ball-rod joint of the ball eye, and the maximum equivalent stress is 548.4 MPa. The research results indicated that the resonance of the transmission line in the breeze environment would have a significant impact on the connecting fittings, providing a basis for the structural optimization design of the connecting fittings and the operation and maintenance of the key areas of the transmission lines.

Graphical abstract

关键词

微风振动 / 卡门涡街 / 共振 / 连接金具 / 悬垂绝缘子串

Key words

aeolian vibration / Karman vortex street / resonance / connecting fittings / suspension insulator string

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郝子健, 周强, 郑文灵, 胡玉耀. 微风环境输电线路共振下悬垂绝缘子串金具承力机理[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(29): 12647-12659 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600578

HAO Zi-jian, ZHOU Qiang, ZHENG Wen-ling, HU Yu-yao. Load-bearing Mechanism of Suspension Insulator String Fittings under Resonance of Transmission Lines in Breezy Environment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(29): 12647-12659 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2600578

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近年来随着电网规模的逐渐扩大,连接金具在输电线路中的使用量持续增多^[1],其功能主要是承担机械载荷传递和结构连接,在由输电铁塔及线路组成的塔-线体系中起着不可替代的作用。输电线路在服役过程中会受到大风、覆冰或覆雪等多种环境因素作用,连接金具在这种环境下容易发生损伤和失效问题,导致网架倒塌或导线断线等严重后果,对输电线路的安全稳定构成严重威胁^[2]。

目前,国内外众多研究已从大风荷载、覆冰与覆雪等角度出发,对输电线路连接金具的力学行为及失效机理开展了大量研究。文献[3]通过金具的砂粒磨损试验发现,风载荷是金具磨损失效的因素,并呈现黏着磨损特征。文献[4]建立了导线与耐张绝缘子串的有限元模型,提出一种简化的应力时程计算方法,分析了连接金具的应力集中与失效模式。文献[5]系统分析了重冰与大风两种极端环境下线路与金具的动力响应与受力特性,指出了球头挂环等金具的易损部位,并提出优化方案。文献[6]针对重冰区输电线路运行中金具失稳问题,研究了不同覆冰及脱冰工况下耐张板的力学响应,并提出优化结构设计方案,以提高其承载稳定性。文献[7]通过对比自然与人工环境下的覆雪绝缘子的闪络试验,研究了覆雪厚度、环境条件和电弧受力对覆雪绝缘子闪络性能的影响。文献[8]分析了温度、风速、水滴直径等环境参数对复合绝缘子表面冻结系数与对流换热系数的影响,用自然覆冰试验验证了模型有效性。文献[9]针对重冰区的输电线路,建立了导线-金具整体耦合有限元模型,通过分析非同步脱冰导致的动态张力,揭示了悬垂串和耐张串金具的应力分布规律。尽管覆冰、覆雪与大风等极端环境下金具受力已有较多研究,但是微风振动引发塔-线体系的共振效应对连接金具的承力失效机理和影响程度尚不明确。

在微风环境下,输电线路会产生由卡门涡街引起的微风振动,当涡脱频率接近线路谐振频率时,线路将发生共振现象,进一步放大了金具的应力水平。文献[10]通过建立输电塔线缩尺模型并开展振动响应试验,揭示了输电线路在特定风速下的共振特性及位移放大效应。文献[11]研究了架空地线的共振频率与振型,确定共振频率范围,研究激振力大小和激振位置对除冰效果的影响,并用除冰实验验证了共振除冰技术的可行性。文献[12]针对跨越高速铁路的输电线路,分析了绝缘子振颤频率和振动幅值的变化规律,结果表明高速列车气流引起的绝缘子振颤会加剧导线及连接金具的磨损和失效问题。文献[13]通过多尺度法分析了输电线路主共振及谐波共振响应特性,研究了风速、张力和外部激励等参数对输电线路振动特性的影响。以上研究主要分析共振条件下导线应力、频率及振动特性,揭示了不同环境作用下输电线路的共振响应规律。

综上所述,现有研究主要集中于在大风、覆冰和覆雪等极端环境下的金具的力学分析以及输电线路振动特性,而输电线路微风环境下线路共振对连接金具的承力机理仍缺乏系统研究。因此,有必要从塔-线体系整体动力响应角度出发,研究输电线路微风环境输电线路共振下金具的受力特性。

现分析微风作用引起的卡门涡街效应,当涡脱频率与导线谐振频率接近时引发线路共振。在此基础上,以悬垂绝缘子串为研究对象,建立220 kV塔线体系及悬垂绝缘子串金具的精细化模型,研究输电线路共振对悬垂绝缘子串的承力影响程度及其分布特征,仿真结果揭示微风环境线路共振对连接金具的受力有显著影响,在金具的设计规划和检修工作中不容忽视,为输电线路连接金具的运行维护提供理论参考。

1 微风作用下输电线路振动机理

1.1 输电线路振动特性

线路的振动行为和初始构型对金具的受力情况有着重要影响,为准确分析导线和金具的力学特性,首先需要进行导线的自重找形。引入悬链线模型^[12],计算导线在重力作用下的初始形状变换,从而求解导线的平衡状态和相应的应力分布。

输电线路悬链线如图1所示,x、z坐标分别表示输电线路沿跨距方向的水平坐标和竖直坐标,y轴垂直于x-z平面,点A和点B分别表示导线的两端端点,点A与原点O重合,点C代表导线在两端端点水平投影中点,f_x为导线上任一点x坐标处的弧垂,其中,f_m为点C处的弧垂。基于悬链线示意图,推导输电导线的悬链线方程,输电线路任意一点x坐标处,导线空间形状的垂直坐标z。

输电线路悬链曲线计算公式如下。

(1)z=$\frac{\mathit{h}}{{\mathit{L}}_{0}}\left[\frac{2{\mathit{\sigma }}_{0}}{\mathit{\gamma }}\mathrm{s}\mathrm{h}\frac{\mathit{\gamma }\mathit{x}}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}\mathrm{c}\mathrm{h}\frac{\mathit{\gamma }(1-\mathit{x})}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}\right]$-$\sqrt{1+\frac{\mathit{h}}{{\mathit{L}}_{0}}}\left[\frac{2{\mathit{\sigma }}_{0}}{\mathit{\gamma }}\mathrm{s}\mathrm{h}\frac{\mathit{\gamma }\mathit{x}}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}\mathrm{s}\mathrm{h}\frac{\mathit{\gamma }(1-\mathit{x})}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}\right]$

(2)L₀=$\frac{2{\mathit{\sigma }}_{0}}{\mathit{\gamma }}$sh$\frac{\mathit{\gamma }\mathit{l}}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}$

式中:l为导线两端的水平距离,m;h为导线两端的垂直距离,m;γ为单位长度导线比载,N/(m·mm²);σ₀为导线的水平应力,N;L₀为导线两端等高时的线路长度,m。

在已知水平应力σ₀的情况下,线路上任一点的应力σ_x可表示为

(3)σ_x=σ₀cosh$\left[\frac{\mathit{\gamma }(\mathit{l}-2\mathit{x})}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}-\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{h}\frac{\mathit{h}}{{\mathit{L}}_{\mathit{h}=0}}\right]$

对于模拟的等高悬点输电线,令h=0时,则有

(4)z=f_x=-$\frac{2{\mathit{\sigma }}_{0}}{\mathit{\gamma }}$sinh$\frac{\mathit{\gamma }\mathit{x}}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}$sinh$\frac{\mathit{\gamma }(\mathit{l}-\mathit{x})}{2{\mathit{\sigma }}_{0}}$

分析输电线路的振动特性需要考虑线路的模态特性,即其固有频率和对应的振动模式,这将决定导线在微风振动下的响应特征^[14]。将输电线路悬链线图中的x-z平面记为平面内,x-y平面记为平面外,则对于两端固定于相同水平高度,质量均匀分布且仅受自重荷载作用的输电导线,其振动特性可分为平面外和平面内。

输电导线平面外的固有频率和对应模态表达式为

(5)y_w=A_nsin$\frac{\mathit{n}\mathrm{\pi }\mathit{x}}{\mathit{l}}$, n=1,2,3,…

(6)f_w=$\frac{1}{{\mathit{\lambda }}_{1}}\sqrt{\frac{{\mathit{T}}_{0}}{\mathit{m}}}$=$\frac{\mathit{n}}{2\mathit{l}}\sqrt{\frac{{\mathit{T}}_{0}}{\mathit{m}}}$, n=1,2,3,…

式中:y_w为输电线面外振动模态振幅,mm;A_n为输电线面外振动的模态振幅,mm;λ₁为导线在平面外振动的波长,m;f_w为导线平面内的固有频率,Hz;T₀为水平张力,N;m为输电线单位质量长度,kg/m;n为档距内的振动半波数。

输电导线平面内振动的固有频率及其对应模态表达式为

(7)y_n₁=B_nsin$\frac{\mathit{n}\mathrm{\pi }\mathit{x}}{\mathit{l}}$, n=1,2,3,…

(8)f_n₁=$\frac{2}{{\mathit{\lambda }}_{2}}\sqrt{\frac{{\mathit{T}}_{0}}{\mathit{m}}}$=$\frac{\mathit{n}}{\mathit{l}}\sqrt{\frac{{\mathit{T}}_{0}}{\mathit{m}}}$, n=1,2,3,…

式中:y_n₁为导线面内振动模态振幅,mm;B_n为导线平面内振动的模态振幅,mm;λ₂为导线在平面内振动的波长,m;f_n₁为导线平面内固有频率,Hz。

1.2 微风下输电线路的振动机理

输电线路在微风作用下,会在其背后产生方向相反、周期性交替脱落的气流漩涡,即卡门涡街效应,如图2所示。漩涡的交替脱落会在导线背后产生周期性升力,导致导线受到上下交变的脉冲力作用。风速在0.5~10 m/s范围内,导线最容易产生微风振动^[15],其振幅较小,一般不超过导线直径^[16],当气流漩涡的交替变化频率等于导线的自身谐振频率时,导线会在垂直面内产生共振现象,长时间作用下容易导致导线的磨损、断股和金具失效的问题,严重威胁输电线路的安全运行。

微风振动条件下的导线以垂直方向振动为主,顺风向位移相对较小,对结构的整体动力响应影响有限,因此忽略导线顺风向位移^[17]。导线的结构振动模型可以简化成二维的单自由度弹簧-质量-阻尼体系,来模拟导线模型与流场之间的相互作用,输电线路在微风作用下的结构示意如图3所示。

图3中,导线的微风振动响应的动力学方程可表示^[18]为

(9)M$\frac{{\mathrm{d}}^{2}\mathit{q}}{\mathrm{d}{\mathit{t}}^{2}}$+C$\frac{\mathrm{d}\mathit{q}}{\mathrm{d}\mathit{t}}$+Kq(t)=F(t)

式(9)中:M、C、K分别为结构单元质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;q为单位导线位移,m;t为时间,s;F(t)为导线上的载荷矢量。

阻尼是消耗输电线路振动能量的主要因素,导线选择采用 Rayleigh 阻尼模型。

(10)C=αM+βK

式(10)中:α、β分别为质量阻尼系数和刚度阻尼系数,由系统总阻尼比和前两阶模态频率ω₁、ω₂计算得到,导线的结构阻尼比ξ取1%^[19],计算公式如下。

(11)$\left\{\begin{array}{l}\mathit{\alpha }=\mathit{\xi }\frac{2{\mathit{\omega }}_{1}{\mathit{\omega }}_{2}}{{\mathit{\omega }}_{1}+{\mathit{\omega }}_{2}}\\ \mathit{\beta }=\mathit{\xi }\frac{2}{{\mathit{\omega }}_{1}+{\mathit{\omega }}_{2}}\end{array}\right.$

导线受微风作用振动如图4所示,微风产生的卡门涡街效应使得导线上下两侧空气流动不均匀,从而形成周期性的升降力,该升降力引起了结构的自激振动,振动频率也被称为涡脱频率。

涡脱频率计算公式为

(12)f=S$\frac{\mathit{v}}{\mathit{D}}$

式(12)中:f为涡脱频率,Hz;v为风速,m/s;D为导线外径,m;S为斯托罗哈数,取值一般为0.2^[20]。

微风作用到输电线路上的荷载以简谐荷载形式的微风激振力实现,激振力F_L(t)的表达式为

(13)F_L(t)=F_ysin(ωt)=C_l$\frac{1}{2}$ρV²Dsin(ωt)

式(13)中:F_y为升力的最大幅值,N/m;C_l为升力系数;ρ为空气密度,kg/m³;ω为升力圆频率,rad/s。

2 仿真模型建立

2.1 塔-线体系有限元模型

输电线路中的导线受重力的影响,会存在一定的弧垂,因此建模之前首先对档距为200 m的JL/G1A-400/35型导线进行重力找形。JL/G1A-400/35型导线的关键参数如表1^[21]所示。

利用有限元软件先在导线两悬点按照直线形状建模,悬点全约束,施加重力荷载后得到导线重力作用下的平衡状态^[22],导线弧垂与应力分布曲线如图5所示。根据式(4),理论计算导线中点弧垂为2.54 m,与有限元仿真得到的导线中点弧垂2.53 m相比,误差为0.3%。

基于220 kV输电线路建立一塔两线模型,采用B31梁单元模拟输电塔。导线本身只承受拉力,不受压力和弯矩的影响,故导线采用T3D2桁架单元模拟,导线类型选择JL/G1A-400/35钢芯铝绞线,档距200 m。在塔线体系的力学仿真中,将双分裂导线按照等面积原理等效为单根导线^[23]。简化绝缘子串采用B31梁单元模拟。采用的输电杆塔为SZSB型双回路直线塔,塔高56.5 m,呼高34 m。塔体的部件采用Q345角钢,其弹性模量为2.1×10⁵ MPa,泊松比为0.3,密度为7 850 kg/m³,塔线体系有限元模型如图6所示。

2.2 微风环境下输电线路共振数值模拟

在输电线路的振动分析中,共振现象通常是由外部激励频率与系统固有频率的匹配引起的,而谐响应分析可用于研究导线在正弦激励下的稳态响应,从而分析导线在不同频率下的振动特性并得到振动响应曲线。因此,为准确识别导线在微风环境下的共振特性,依次对导线进行模态分析和谐响应分析^[24],从而确定微风环境线路共振频率。

塔线体系采用220 kV同塔双回输电线路的典型杆塔形式,线路采用双分裂导线,忽略迎风侧子导线尾流对背风侧子导线的影响^[25-26]。对于同塔双回线路,各相导线在几何尺寸和气动特性上具有一致性,因此,在对输电线路导线气动特性分析的基础上,为保证分析的准确性和降低计算规模,选取单根导线为代表,以展示其局部尾流和涡脱特征,从而分析微风作用下输电线路的典型流场机理。

在完成导线的重力找形后,进一步开展导线的谐响应分析。将微风振动的频率范围3~100 Hz,设置为谐响应分析的计算频率范围,设置1 N的单位简谐激励,整体模态阻尼比ξ为1%,使用对数扫频方式得到的导线位移-频率曲线如图7所示。

由图7可知,在16.07 Hz附近导线位移响应达到峰值,振动幅值明显大于其他频率点,表明该频率达到了导线在微风环境下的共振频率。微风环境下的共振现象不仅限于一个特定频率,而是在一定频带范围内与导线的多阶固有频率耦合共振,选取位移响应最显著的频率作为代表性共振频率,重点分析微风环境下输电线路共振对塔线体系及连接金具受力特性的影响。因此,将16.07 Hz作为输电线路在微风环境下的共振频率,后续分析基于此频率开展。

根据导线共振时的微风频率f=16.07 Hz,代入式(12)得到此时共振的风速为v=2.15 m/s。在Fluent中,建立二维导线模型,模拟该风速下的卡门涡街效应,得到导线在v=2.15 m/s时的升力系数,从而计算共振时的导线激振力。

基于上述理论研究,利用Fluent软件对导线的卡门涡街效应进行模拟。仿真参数设置导线截面直径D为26.8 mm,计算域的尺寸参考圆柱绕流数值模拟的常用取值范围设置,以减弱外边界对尾流发展及涡脱过程的影响,故边界设置为上游10D、下游20D、宽度20D。参数采用标准大气条件下的取值,密度为1.225 kg/m³,黏度系数为1.81×10^-5 kg/(m·s)。仿真中空气从左向右流动,左边界为速度控制入口,右边界为压力出口,上下边界设置为对称壁面。湍流模型采用 k-ω 模型中的SST模型,入口风速设置为导线共振时的风速2.15 m/s,对导线周围进行局部网格加密,计算域与卡门涡街风速云图如图8所示。

从图8中可以看出,在导线后方形成方向相反、两列交替脱落的漩涡,这种现象即称为卡门涡街现象。在仿真软件中提取卡门涡街模拟中的升力系数时程曲线,在初始阶段经短暂波动后迅速进入稳定的周期性振荡状态。基于其时程变化特征,选取0~0.3 s的时程曲线展示,升力系数时程曲线如图9所示,可知v=2.15 m/s下升力系数幅值为0.16。

在塔线体系中,由式(13)计算激振力,并将其以垂直方向分布力施加给导线进行动力学分析,得到线路共振时塔线体系的应力响应。

2.3 悬垂绝缘子串有限元模型

2.3.1 几何模型

根据《国家电网公司输变电工程通用设计 220 kV输电线路金具分册(2011年版)》^[27],对应编号为2XP11-4000-12P(H)-1A的金具图纸,建立悬垂绝缘子串连接金具几何模型,模型包含挂点金具、球头挂环、复合绝缘子、碗头挂板、联板、直角挂板、悬垂线夹和螺栓等共计8种金具,金具装配后的整体几何模型如图10所示。

2.3.2 材料属性

连接金具中分别用到35号钢、35CrMo和Q345共3种材料,各部分金具的材料属性与参数如表2所示。

2.3.3 连接关系

为合理模拟各类金具之间的力学传递关系,在保证计算效率的前提下,对不同连接部位采用差异化的连接或约束方式,以反映其实际受力特性。在悬垂线夹处建立参考点,耦合线夹受力面,并将导线端部支反力作为外部载荷施加于该点。将各金具赋予相应的材料属性,划分网格,连接关系包含绑定约束、耦合约束和铰接。各个螺栓中心与金具中心分别建立两个参考点,采用“coupling”耦合约束,再将两个参考点建立线条wire,赋予截面类型设置为“hinge”的铰接连接属性。对于不存在相对转动的连接部位,则采用“tie”的绑定约束处理。挂点金具顶端设置完全固定约束,连接关系如图11所示。

3 仿真分析

3.1 塔线体系受力仿真分析

为模拟塔线体系在实际工况下的力学响应,设置两个连续的分析步,第一个分析步时间为1 s,对导线进行重力找形,模拟导线在自重作用下的弧垂与初始应力,第二个分析步时间为60 s,以线荷载的形式施加了模拟风速为2.15 m/s的微风激振荷载。仿真共设置两种工况,工况一是仅受导线自重荷载的工况,工况二是微风环境下线路共振工况。塔线体系边界条件设置为:输电塔底部完全固定,导线与绝缘子之间采用铰接,未连接绝缘子的导线端点处采用完全固定约束,绝缘子与输电塔之间采用Tie约束,塔线体系的应力分布如图12所示。

受力云图采用Mises等效应力表征多轴受力状态下的应力水平,由图12可知,输电塔主体结构Mises应力水平相比导线应力水平较低,应力主要集中在绝缘子与输电塔连接处、导线端点处,应力最大值分别为280.3 MPa和64.5 MPa。

在外部荷载作用下,约束部位产生的反作用力称为支反力,反映了导线上的荷载经绝缘子串传递至输电塔的等效力,使得绝缘子端部产生较大的支反力。本文提取简化绝缘子串底部端点的支反力时程,将其作为整体金具模型的荷载输入,支反力时程曲线如图13所示。

图10中,金具坐标系中x轴负方向即金具重力方向,如图6(a)中塔线体系的z轴方向,金具坐标系中z轴方向对应塔线体系的y轴方向,因此,工况一选择金具只承受导线重力荷载工况,由线路比载和档距计算金具模型承受的重力方向荷载为F_x=-10 564.4 N,工况二为微风环境下线路共振工况,由图13可知金具承受重力与共振荷载下各自支反力稳定后的平均值,其中,F_x=-11 259.3 N,F_z=3 604.2 N。

3.2 连接金具应力分布规律

连接金具作为输电线路荷载传递的关键节点,其应力分布直接决定了整体结构的安全性能。对比研究了悬垂绝缘子串连接金具仅受线路自重工况和线路共振工况下的应力分布结果。

自重和微风环境线路共振工况下连接金具整体分布云图如图14所示,两种工况下应力数据与分布具有明显差异,其中自重条件下金具最大应力为374.5 MPa,而线路共振工况下应力增至548.4 MPa,增幅达46.4%,在应力分布范围上,高应力区域范围扩大。由此可见,微风环境下线路共振会提高金具的应力水平,并改变局部应力分布状态。此外,由于微风振动导致的高频交变荷载,长期微风作用下,连接金具承受应力也随高频波动,加速其失效进程,存在磨损和断裂失效风险。

球头挂环在球头与杆部连接处出现应力集中区,仅自重时最大应力为374.5 MPa,线路共振时增至548.4 MPa,应力水平增幅高达46.4%,未达到材料屈服强度。模型中左、右侧的直角挂板以及悬垂线夹,各自应力结果相同。为进一步量化分析该应力集中区域的局部特性,提取了通过球头挂环沿路径应力分布曲线,如图15(c)所示。路径应力分布曲线表明,球头杆部应力普遍较高,而在杆部底端应力迅速衰减,这种分布与球头的铰接方式直接相关。线路共振时,导线的周期性摆动通过铰接连接传递至球头挂环,使其杆部在轴向拉力基础上叠加弯曲效应,从而在过渡部位形成明显的应力集中,是连接金具中受力最为不利的部位之一。

直角挂板在自重与微风环境线路共振工况下的应力云图如图16所示,其最大应力由自重时的197.4 MPa增至共振时的220.0 MPa,增幅为11.4%,相比其余金具增幅较小,应力主要集中于螺栓孔周边区域,整体分布较为均匀。直角挂板路径应力分布曲线如图16(c)所示,相比自重应力曲线,在螺栓孔连接处出现轻微的波动,这是由于直角挂板所采用的螺栓紧固的连接方式,使载荷主要通过板面进行传递,能够有效减弱相对转动带来的附加弯曲效应,因此其对应力变化的敏感性较低。

碗头挂板应力最大值集中于碗头内侧与螺栓接触的孔洞底部,呈“点状”高应力区,向碗头外侧缓慢衰减,在微风环境下线路共振作用下,最大等效应力由304.7 MPa增至467.4 MPa,增幅达53.4%。由图17(c)应力曲线图可知,应力集中在孔洞四周,应力数值较高且存在波动。周期性荷载通过铰接与螺栓连接,使孔洞区域在长期运行过程中易形成应力集中现象,是需要重点关注的局部区域。

悬垂线夹应力集中出现在螺栓孔周边和两侧耳轴处,如图18所示,自重与线路共振工况下最大应力分别为373.1 MPa和539.1 MPa,增幅达到44.5%。沿提取路径分析悬垂线夹应力,如图18(c)所示,耳轴处的高应力变化揭示其局部弯曲效应,导线的周期性摆动会使得接触面挤压与磨损,线夹上的螺栓预紧力更加剧了耳轴根部的应力集中现象,因此其失效风险不仅在于螺栓紧固处,同样也存在于几何结构突变部位。

挂点金具在自重与微风环境线路共振下的应力水平低,受力分布如图19所示,最大应力分别为61.2 MPa和79.9 MPa,增幅达到30.6%。由图19(c)的路径应力曲线可知,应力由顶部向螺栓处逐渐增大,最大应力集中在孔洞处,表明载荷在结构内部得到了均匀、高效的扩散传递。对比自重与共振的应力曲线,两条曲线近乎平行,应力的绝对增量约18.7 MPa,这是由于挂点金具直接与输电塔连接,且载荷能量更多地被下方铰接或紧固的金具吸收,因此对共振的响应不敏感。

联板在自重与微风环境线路共振下的受力分布由四周向中间递减,应力集中部位分布在四周孔洞处,最大应力分别为126 MPa与137.4 MPa,增幅仅为9.1%,共振对联板应力水平影响较小。由图20(c)可知,联板应力仅在螺栓孔连接处有突变,相比自重的增幅较小,它的多孔的板状结构实现了载荷的分散和平缓过渡,说明联板的结构稳定,对线路共振不敏感。

复合绝缘子应力集中区域主要分布在底端杆部过渡处,是球头球窝连接,自重与微风环境线路共振工况应力最大值分别为295.1 MPa和521.1 MPa,两种工况下应力差异较大,增幅达到76.6%。图21(c)路径应力分布曲线显示,每当经过绝缘子片时应力骤然下降,原因在于绝缘子片几乎不受力,在底部应力大幅增加,原因在于底部的球窝连接与球头挂环类似,易产生弯曲交变应力,因此复合绝缘子成为评估线路共振影响和制定预防性维护策略时优先关注的局部金具。

为进一步验证本文仿真结果的正确性,根据现有文献中的典型断裂实例进行对比分析。刘小会等^[7]对复合绝缘子的现场断裂情况进行了研究,发现其球杆端部同样易发生开裂失效,如图22(a)所示。庞锴等^[8]针对球头挂环拍摄了实际现场的断裂图片,结果表明实际断裂位置在球头与球杆的过渡处,如图22(b)所示。将典型实例的断裂位置与仿真应力集中位置对比分析,表明本文有限元模拟结果与工程实际断裂情况相符,验证了仿真结果的正确性。

由于连接金具的输入条件是交变的周期性荷载,使得各部分金具的最大应力也会产生一定的应力波动,统计各部分金具的最大应力波动幅值,并计算各金具最大应力与相应材料屈服应力的比率,统计与计算结果如表3所示。

由表3可知,微风环境线路共振下连接金具最大受力均未达到材料的屈服强度,应力占比最大的金具是球头挂环,占比为65.68%,是最易达到屈服强度从而损坏的金具,其余金具应力占比从大到小的顺序依次是悬垂线夹、直角挂板、复合绝缘子、碗头挂板、联板和挂点金具。

从金具的最大应力波动幅值可以看出,不同金具的应力水平受共振的影响程度不同,复合绝缘子相比自重下应力增幅最大,增幅达76.6%,应力波动的幅值也最大,说明其受微风下线路共振的影响大,敏感性高。联板的应力增幅仅为9.1%,应力波动幅值最小,受微风下线路共振的影响小。因此,微风下线路共振会使得金具应力水平显著提高,增加金具断裂失效风险。

4 结论

以悬垂绝缘子串为研究对象,仿真结果揭示了微风振动引发的卡门涡街效应会导致线路的低频共振,共振效应严重影响连接金具的受力特性,这种影响在输电线路的规划设计和运维工作中是不容忽视的,为连接金具在微风环境下的结构优化设计提供理论依据,并能对输电线路重点区域的运维检修提供参考。主要结论如下。

(1)微风环境输电线路共振会显著放大输电线路连接金具的应力水平。220 kV输电线路在微风环境输电线路共振作用下,悬垂绝缘子串的最大等效应力由自重工况下的374.5 MPa增至548.4 MPa,高应力区域范围明显扩大,表明微风环境下线路共振是影响连接金具承力的重要因素。

(2)不同类型连接金具对微风环境输电线路共振的响应敏感性存在明显差异。其中,复合绝缘子、碗头挂板和球头挂环对应力变化较为敏感,应力增幅分别达到76.6%、53.4%和46.4%,挂点金具和悬垂线夹应力增幅为44.5%和30.6%,直角挂板和联板应力增幅相对较小,增幅为11.4%和9.1%,结构稳定性较好。

(3)在微风环境输电线路共振作用下,连接金具应力集中主要出现在球头挂环球杆与球头过渡连接处、复合绝缘子底部杆部区域,应力分别高达548.4 MPa和521.1 MPa,球窝连接类部位在导线周期性振动作用下承受较大的交变应力,是连接金具中需要重点关注的关键位置。

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