考虑结构变化的架空地线雷击机械损伤建模与分析.pdf
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1、d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-2 9 0 X.2 0 2 3.0 7.0 1 2收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 3 修回日期:2 0 2 3-0 4-2 1基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 1 9 7 7 0 8 3);广东省自然科学基金面上项目(2 0 2 2 A 1 5 1 5 0 1 1 1 8 2)考虑结构变化的架空地线雷击机械损伤建模与分析林轩1,王珮沣1,莫少星1,钟枚汕1,3,郭德明1,2,刘刚1,2(1.华南理工大学 电力学院,广东 广州 5 1 0 6 4 1;2.人工智能与数字经济广东省实验室(广州),广东 广州 5 1
2、 0 3 3 5;3.南方电网数字研究院有限公司,广东 广州 5 1 0 6 7 0)摘要:针对铝包钢地线遭受雷击后发生损伤乃至断股、断线的机理,国内外已开展多项针对雷击造成地线热烧蚀损伤的研究,但地线的损伤是热烧蚀损伤和机械损伤共同作用的结果,因此有必要对地线在雷击过程中的机械损伤进行分析。首先根据实际雷击地线的物理过程,利用C OM S O L软件搭建一个考虑结构动态演变的地线机械损伤评估模型,该模型可以实现地线在雷击过程中存在的结构演变的模拟;接着利用试验数据验证该模型的准确性;最后使用该模型,对地线在各种参数的脉冲分量、持续分量作用下的机械损伤进行计算并评估其损伤结果,确定机械力对地线
3、雷击损伤的影响。研究结果表明:相比于脉冲分量作用阶段,在持续分量作用下,机械力会对地线造成更加明显的损伤;雷击过程中冲击力和电磁力不会对地线造成损伤,但是热应力和轴向拉力的存在会明显加剧地线的损伤,因此在进行地线在雷击作用下的损伤分析时,机械力的作用不可忽略。关键词:架空地线;铝包钢绞线;雷击损伤;机械损伤;有限元分析;脉冲分量;持续分量中图分类号:TM 7 5 1;T B 1 1 5 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-2 9 0 X(2 0 2 3)0 7-0 1 0 3-1 2M e c h a n i c a l D a m a g e M o d e l i n g a n d
4、 A n a l y s i s o f O v e r h e a d G r o u n d W i r e s C o n s i d e r i n g S t r u c t u r e C h a n g e s d u e t o T h e r m a l A b l a t i o n U n d e r L i g h t n i n g S t r i k e sL I N X u a n1,WANG P e i f e ng1,MO S h a o x i ng1,ZHO NG M e i s h a n1,3,GUO D e m i ng1,2,L I U G a n
5、g1,2(1.S c h o o l o f E l e c t r i c P o w e r,S o u t h C h i n a U n i v e r s i ty o f T e c h n o l og y,G u a ngz h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 6 4 1,C h i n a;2.G u a ngd o ng A r t i f i c i a l I n t e l l ige n c e a n d D igi t a l E c o n o my L a b o r a t o ry(G u a ngz h o u),G u a ngz
6、h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 3 3 5,C h i n a;3.D igi t a l G r i d R e s e a r c h I n s t i t u t e,C S G,G u a ngz h o u,G u a ngd o ng 5 1 0 6 7 0,C h i n a)A b s t r a c t:M u l t ipl e s t u d i e s h a v e b e e n c o n d u c t e d b o t h a t d o m e s t i c a n d a b r o a d t o i n v e s t ig
7、a t e t h e m e c h a n i s m by w h i c h t h e a l u m i n u m-c l a d s t e e l gr o u n d w i r e i s d a m age d o r e v e n b r o k e n a f t e r b e i ng s t r u c k by l igh t n i ng,pa r t i c u l a r ly w i t h r e spe c t t o t h e r m a l a b l a t i o n d a m age c a u s e d by l igh t
8、n i ng s t r i k e s.H o w e v e r,gr o u n d w i r e d a m age i s t h e r e s u l t o f b o t h t h e r m a l a b l a t i o n a n d m e c h a n i c a l d a m age,i t i s n e c e s s a ry t o a n a lyz e t h e m e c h a n i c a l d a m age t o t h e gr o u n d w i r e d u r i ng l igh t n i ng s t
9、r i k e s.F i r s t ly,a c c o r d i ng t h e phys i c a l pr o c e s s o f l igh t n i ng s t r i k e o n t h e gr o u n d w i r e,a gr o u n d w i r e m e c h a n i c a l d a m age e v a l u a t i o n m o d e l w a s c o n s t r u c t e d u s i ng C OM S O L s o f t w a r e t h a t c o n s i d e r
10、 e d t h e dyn a m i c e v o l u t i o n o f t h e gr o u n d w i r e s t r u c t u r e d u r i ng t h e pr o c e s s.T h i s m o d e l c o u l d s i m u l a t e t h e s t r u c t u r a l e v o l u t i o n o f t h e gr o u n d w i r e d u r i ng l igh t n i ng s t r i k e.T h e n,e xpe r i m e n t a
11、 l d a t a w a s u s e d t o v e r i fy t h e a c c u r a cy o f t h e m o d e l.F i n a l ly,t h i s m o d e l w a s u s e d t o c a l c u l a t e a n d e v a l u a t e t h e m e c h a n i c a l d a m age t o t h e gr o u n d w i r e u n d e r v a r i o u s pa r a m e t e r s o f i mpu l s e c o mp
12、o n e n t s a n d c o n t i n u o u s c o mpo n e n t s t o d e t e r m i n e t h e i mpa c t o f m e c h a n i c a l f o r c e o n t h e gr o u n d w i r e a f t e r l igh t n i ng s t r i k e.T h e r e s e a r c h r e s u l t s s h o w t h a t c o mpa r e d t o t h e i mpu l s e c o mpo n e n t ph
13、 a s e,m e c h a n i c a l f o r c e w i l l c a u s e m o r e o b v i o u s d a m age s t o t h e gr o u n d w i r e d u r i ng t h e c o n t i n u o u s c o mpo n e n t ph a s e.T h e i mpa c t f o r c e a n d e l e c t r o m agn e t i c f o r c e d u r i ng t h e l igh t n i ng s t r i k e pr o c
14、 e s s w i l l n o t c a u s e d a m age s t o t h e gr o u n d w i r e,b u t t h e pr e s e n c e o f t h e r m a l s t r e s s a n d a x i a l t e n s i o n w i l l s ign i f i c a n t ly e x a c e r b a t e gr o u n d w i r e d a m age s.第3 6卷 第7期广 东 电 力V o l.3 6 N o.7 2 0 2 3年7月G U A N G D O N G
15、 E L E C T R I C P OWE RJ u ly 2 0 2 3 T h e r e f o r e,w h e n a n a lyz i ng t h e d a m age s t o gr o u n d w i r e s u n d e r l igh t n i ng s t r i k e s,t h e r o l e o f m e c h a n i c a l f o r c e c a n n o t b e ign o r e d.K e y w o r d s:o v e r h e a d gr o u n d w i r e;a l u m i n
16、 u m-c l a d s t e e l gr o u n d w i r e;l igh t n i ng s t r i k e d a m age;m e c h a n i c a l d a m age;f i n i t e e l e m e n t a n a lys i s;i mpu l s e c o mpo n e n t;c o n t i n u o u s c o mpo n e n t 架空地线(以下简称“地线”)架设在输电线路的上方,用于防止输电线路受到雷电侵害1-3。地线直接暴露于空气中,所处环境复杂多变,极易因自然因素或人为因素受到损伤。雷电击中地线将
17、导致地线发生不同程度的损伤,包括地线的断股、断线4。一旦发生地线断线事故,电网公司将承受巨大的经济损伤,工作人员和附近居民的生命安全也可能受到威胁5-7。国内外雷击地线事故频发4,8-9。在冬季雷频发的日本沿海,地线的雷击断股现象非常普遍,断股的概率为0.0 8 次/(k m a)1 0;1 9 9 42 0 0 0年,加拿大安大略水电局的9万k m地线累计发生5 7 4次断裂1 1;此外,美国、巴西、德国及我国对雷击地线断线均有报道1 2-1 6。目前,对地线遭受雷击后的损伤分析主要是通过有限元仿真计算研究其热损伤1 7。但是,在地线遭受雷击的过程中,其除了遭受严重的热烧蚀损伤之外,其还会受
18、到多种机械力的共同作用1 8。这些由于机械力的作用而导致的地线损伤,被称为机械损伤。目前针对地线在雷击过程中遭受机械损伤的研究尚属空白。在实际的雷击地线过程中,地线会因为雷电弧的高温而发生熔化,熔化部分的地线形成金属熔池,这一部分的地线将不再受力。当雷击点位置的地线部分熔化后,横截面积减小,作用在雷击点处的轴向拉力将发生变化。随着熔化体积的增大,雷击点处的横截面积减小,作用在雷击点处的轴向拉力随之增大1 9。因此,雷击点处地线的受力是动态变化的。为了准确计算地线受到的机械损伤,在建模过程中需要去除熔化部分的地线。此外,雷击期间弧根周围存在较大的温度梯度,不同材料的热膨胀 系 数 具 有 各 向
19、 异 性,因 此 会 有 热 应 力 的 产生2 0-2 1。在有限元仿真模型中,通过设置材料的热膨胀系数实现对热应力的计算。弹性模量和屈服强 度 是 有 限 元 仿 真 模 型 中 需 要 考 虑 的 力 学 参数2 2-2 3。随着温度的升高,弹性模量和屈服强度均呈下降趋势,D u等2 4利用实验数据给出了2 08 0 0 范围内对应的拟合函数。D o ng 等2 5基于连续损伤力学建立了热力耦合损伤数值模型,与热烧蚀损伤相比,热 机械耦合模型的模拟结果更接近于实验,热应力的作用增加了面内损伤。由于镀锌钢绞线在表面铝层发生磨损后,钢芯容易发生氧化、腐蚀导致其机械性能大大减弱,自2 0 1
20、4年起,中国南方电网有限责任公司在3 5 k V 5 0 0 k V交流输电线路装备技术导则 中规定将镀锌钢绞线更换为防腐性能更好的铝包钢绞线。因此,本文以铝包钢绞线为研究对象,分析地线在雷击过程中的机械损伤。首先基于真实的雷击地线过程,建立一种考虑地线结构动态演变的地线机械损伤评估模型(后文简称“新模 型”)。新 模 型 联 合MA T L A B与有限元软件C OM S O L,模拟地线在雷击过程中存在的结构演变。随后根据现有文献报道的实验数据,对新模型的计算准确性提供数据支持。最后,基于该模型对地线的雷击机械损伤开展评估,确定雷击过程中机械力对地线雷击损伤发展的影响。1 考虑结构动态演变
21、的地线机械损伤评估模型1.1 雷击地线实际物理过程雷电通道与地线的接触位置被称为弧根。当地线受到雷击时,雷电流从弧根注入地线。在雷电弧传热和雷电流焦耳热的共同作用下,地线发生剧烈的温升。当暂态温度达到地线材料的熔点时,地线开始熔化,结构发生变化,如图1所示。此时地线遭受的损伤称为烧蚀损伤。图1 地线在雷击过程中结构动态变化示意图F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f d y n a m i c s t r u c t u r e c h a n g e o f g r o u n d w i r e d u r i n g l i g h t n
22、 i n g s t r i k e地线因高温熔化后,熔化部分在重新凝固之前将不再受力。随着地线的熔化,地线内的应力也重新分布。同时,未熔化地线材料自身的抗拉强度也401第3 6卷 会随着温度的升高而下降。此时,地线在烧蚀损伤的基础上进一步发生机械损伤。为了对雷击过程中地线遭受的机械损伤进行分析讨论,下面对这一物理过程进行有限元仿真建模分析。本章将分以下几个步骤建立新模型。首先,仿真计算得到雷击地线过程中地线的温度分布结果;随后,提出一种可以实现地线结构动态演变的数值方法,得到地线遭遇雷击烧蚀损伤后的结构;之后,对损伤后的地线施加机械力,计算得到地线的机械损伤结果;最后,基于该损伤结果对地线的
23、雷击机械损伤程度进行评估。1.2 雷击地线温度场一般性配置为了对雷击地线造成的损伤进行分析,首先对雷击过程中的暂态热行为进行仿真计算,第一步对地线进行建模。本文以横截面积5 0 mm2的铝包钢绞线为例,建立的地线模型如图2所示。铝包钢地线的主要结构参数见表1,材料参数见表22 6-2 7。图2 铝包钢地线结构示意图F i g.2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f a l u m i n u m-c l a d s t e e l g r o u n d w i r e表1 铝包钢地线的主要结构参数T a b.1 M a i n s t r u c t u
24、r a l p a r a m e t e r s o f a l u m i n u m-c l a d s t e e l g r o u n d w i r e参数数值横截面积/mm25 0钢丝股数7单丝直径/mm3.0铝层厚度/mm0.3 7钢芯直径/mm2.2 6捻距/mm1 0 0雷击地线过程中,地线受到的高温烧蚀损伤可以分为2个来源:高温雷电弧直接接触地线传导的热量和雷电流注入雷击点后产生的焦耳热。根据标准2 8,雷电流可以分为脉冲分量和持续分量2个部表2 铝包钢地线的主要材料参数T a b.2 M a i n m a t e r i a l p a r a m e t e r
25、s o f a l u m i n u m-c l a d s t e e l g r o u n d w i r e参数值铝钢铝包钢绞线 熔点/6 6 01 6 0 0热膨胀系数/K-12 31 0-61 2.31 0-61 3.81 0-6热导率/W/(mK)2 3 84 4.5电阻温度系数/-14.31 0-36.51 0-33.81 0-3弹性模量E/G P a6 1.81 8 61 1 8.8抗拉强度b/MP a3 7 01 0 2 07 9 2相对介电常数111相对电导率111分。脉冲分量幅值可达几十k A甚至数百k A,电流值在几 s内迅速上升到峰值然后迅速下降,持续时间不超过5
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