(三峡大学电气与新能源学院 湖北省宜昌市 443002)
摘要：倒V型绝缘子具有冰闪概率低、冰闪电压高、自清洗特性等优点，而得到国外广泛应用。然而，在中国，学者主要关注在悬式绝缘子，所以倒V型绝缘子的研究还不成熟。本文是根据真实数据，针对倒V型绝缘子，在极低气温下基于斜抛物线模型，夹角和外侧的拉力可以计算下做的研究。。根据模型，绝缘子和导线的轴向夹角关系很容易找到。从纯力学角度讲，角度为160度时，模型状况达到最优将实际的电气距离考虑进去时，结果将得到进一步优化。
关键词：气候条件；斜抛物线模型；力学分析；角度优化
0 引言
目前，中国杆塔采用的绝缘子大部分是垂直悬挂，少部分使用倒V型绝缘子串。倒V型绝缘子具有冰闪概率低、冰闪电压高、自清洗特性等优点，但是由于地形以及极端天气影响，使用倒V型绝缘子串可能会引起改造的铁塔纵向不平衡张力大于设计值，且由于绝缘子偏转导致距离不够等问题。本文提出多目标的的优化的方法，考虑电气距离，来分析其受力问题，角度优化问题。
1 预备条件说明
为了研究绝缘子，必须以最低温度作为运行状态，导线参数来源文献[1]。基于斜抛物线模型，很容易找到外部拉力和夹角。两个重要的参数：夹角
，外拉力 
。以下所有工作均是在预备条件下展开的。
1.2 光伏发电
光伏发电基本原理为半导体将光能直接转变为电能的光伏效应。光伏发电装置主要由电池板、控制器和逆变器三个部分构成成。
光伏发电装置晴天光照充分时间段发出的多余的电能倒送电网，光照不足时间段用电单位则从电网取电使用。采用光伏电池发电装置具有经济、环保、高效、可靠等优点。然而，光伏发电的转换效率很低。由半导体材料为主要原材料的光伏发电装置在目前的市场上得到了大规模的应用，这类光伏发电装置受到阳光照射时将太阳能转变成直流电能。目前，人类利用太阳能进行光伏发电主要通过独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、屋顶发电系统。
2 力学分析
2.1 在力学分析中的方法和条件
根据文献[2] ，倒V型绝缘子串的角
如图1所示。导线穿过A点，沿着AB线行走，从B点离开这个系统。A和B是反向V型绝缘子的底部，在绝缘体下面固定着AB线。线的AC和BC是绝缘子的主要部分。顶点C是绝缘子的交叉点，直接与输电塔相连。
Fig.1 Diagrammatic sketch of backward V type insulators
图1 按季度和年统计的日内24时段风电场出力均值
上由于绝缘子串没有参数，进一步研究绝缘子串的力，通常假设对未知参数作假设绝缘子：
长度C=6m
质量M=10kg
假设条件如下[2]：
1)夹角和A,B两点的拉力是个是一定的，即模型是严格对称的；
2)绝缘子和导线均为刚性体，节点连接为刚性连接;
3)绝缘子长度C=6m，质量M=10kg；
把绝缘体和线AB作为一个系统。当系统处于静止状态时，力在垂直方向和水平方向上都为零：
(2-1)
就整个系统而言，唯一的外力P来自于顶端，力T、T‘来自于外电缆。因此分析A和B两点的力T、T‘是有必要的。从斜抛物线模型知道力T、T‘的水平分量是相等的。即
，因此
是一个恒等式。力T、T‘的垂直分量和等于顶端拉力P。表达式如下：
(2-2)
Fig.2 Force diagram of backward V type
图2 倒V型绝缘子串受力图
在这个系统中，A、B和C有太多的力。对每一点进行分析是必要的。
(1)顶点A受到三个力T、FT和H。为了使A点静止，则有如下：
(2-3)
垂直方向：
(2-4)
水平方向：
(2-4)
Fig.3 Force analysis of the top
图3 顶部受力分析
(2)顶点C受三个力分别是P、FP和FP’.由于模型是严格对称的。
(2-5)
Fig.4 Force analysis of the bottom
图4 底部受力分析
3 轴向力分析
3.1 绝缘子轴向力
对于每一个绝缘体，它都是由塔顶上的拉力和电线底部的拉力所引起的。此外，它还受重力影响。然而重力的影响并不总是垂直的。如图5所示，将整个绝缘体分成多个单元质量是很方便的。每个单位质量都有自己的重力和所有单位质量相同的重量。轴向力可以转化到2个相邻单元块之间。对于任何2个相邻的单元质量来说，下一个单元都是由下面的引力和自身重力的一部分从轴向拉出来的。它把这2种力结合起来，作为一种新的拉力，来影响到上面的力。所以，在轴向方向的力逐渐增长。对于远离底部米的单元质量，其轴向力可以表述如下：
Fig.5 Axial force diagram of insulators
图5 绝缘子轴向力图
Fig.6 Force diagram of unit mass
图6 单位质量受力图
通过分析C点的力，可以计算出轴向力的最大值：
通过MATLAB可以找到和角度的关系，如图7所示：
Fig.7 Relation between max axial force of insulator and 
图7 绝缘子最大轴向力和角度关系
3.2 线AB的轴向力
AB中的每个单元质量，其重心垂直于轴向。所以AB中的轴向力等于点A和B的拉力之和：
4 多目标优化模型
4.1 模型建立
对于不同的角度
，最大的轴向力也是不同的。本模型的目标是找到能使所有参数最优的最佳角度。将绝缘子轴向力FZ’和导线轴向力FZ’’考虑在内多目标优化模型[4]建立如下：
(4-1)
4.2 模型解决办法
因为目标有两个，但是它们是不同的数量级，不能直接比较。因此，将它们与自身允许应力进行比较，以消除数据跨度的影响。绝缘子的抗拉强度：700kN ~ 840kN。因此绝缘子轴向力取，线AB轴向力FZ’’=137.02kN。将目标函数进行简化：
(4-2)
以此，整个模型表达如下：
(4-3)
约束条件：
(4-4)
借助MATLAB进行求解得到如下仿真结果：
Fig.9 Relation among single goal , max axial force of wire AB and insulators
图9 单目标与线AB和绝缘子最大轴向力关系
5 结论与分析
从图9可知，当角等于160度，这一模型是最优的。此时，线AB的合力在水平方向上等于零。线AB没有拉伸也没有收缩。此外，绝缘子具有理想的拉伸强度，即使绝缘子的轴向力稍高一些，也不会对安全稳定性造成太大的影响。也就是说，它不影响目标太多。因此，当它与导线AB轴力发生冲突时，最好注意导线的受力。绝缘子和线AB受力如下表：
参考文献:
[1] 王焕定，张梓茂，景瑞，结构力学，高等教育出版社•北京，2010年1月。
[2] 郑杰，500 kV输电线路倒V串最佳夹角的探讨，电力学报，1005-6548 (2010) 04-0328-04
[3] 刘庆丰.输电线路不平衡张力分析和计算[ J].电力自动化设备2006,26(1):93-95.
论文作者:余坤
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：绝缘子论文; 轴向论文; 模型论文; 拉力论文; 光伏论文; 导线论文; 夹角论文; 《电力设备》2017年第34期论文;