CN103955569B - 一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法。该方法：首先，确定输入参数，并通过弧垂逆推公式求水平应力；判断软导线两侧悬挂点的合力T0是否小于U型挂环的破坏荷重力[T0]；并通过悬链法依次从左右两侧绝缘子串计算出各个部件的空间位置及受力情况；然后，判断软导线与耐张串线夹连接处的合力T1是否小于导线最大承受拉力[T1]；再而，将导线若等分，利用悬链法求出各段导线的空间位置与受力；最后，判断最低点水平应力计算导线的实际弧垂和下料长度。本发明可以准确的呈现软导线各个部件的空间形态，控制软导线弧垂大小，计算出准确的软导线下料长度，保证了三相导线空间形态的一致性，具有非常高的可信度。
Description
技术领域
本发明涉及电力能源输电线路施工技术领域，特别是一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法。
背景技术
本发明应用于变电站软导线施工下料长度的计算，主要适用于500KV变电工程中的软导线，属于一种短距离且带有绝缘子串的导线施工下料长度计算数学模型。
当前对架空线数学模型的研究主要集中于输配线路，属于长距离线路，其特点是将架空线假设为柔性绳索，且绝缘子、耐张线夹、金具等附件对架空线数学模型影响很小，一般由应力已知条件下求得弧垂和线长。因为长距离线路导线应力容易受覆冰、风压、温度等气候条件影响发生变化，所以要考虑气象条件对导线和绝缘子串荷重的影响。
变电站软导线属于短距离架空线，且导线刚度、绝缘子、耐张线夹、金具等附件对架空线长度和受力有很大影响，同时架空线应力却是未知，一般需要由弧垂已知的条件下求得软导线应力和线长，才能确保三相软导线一致性和美观性。
目前还没有详细成熟的变电站软导线数学模型，工程中大多采用简化公式来计算，误差比较大，同时无法进行软导线空间形态分析。
现阶段对变电站软导线数学模型研究方法，由刘树林（参见刘树林.500KV变电站软母线架设施工及母线弧垂的控制.山西电力技术.1994,14(1)）提出的导线增量精确计算。其计算直接将绝缘子串水平投影长度近似绝缘子串长本身。忽略了在短距离测量绝缘子串内部各部件间的结构关系。由张斌（参见张斌，张军，李黎，刘华，张新旺. 1 000 kV特高压变电站软母线施工放线下料长度计算的探讨. 电力系统保护与控制，2004,36（18））等人提出的梯形模型和组合模型。将软导线分为绝缘子串和导线两部分将他们近似3条直线，将软导线等效于梯形模型来计算，同样这种算法忽略了绝缘子串内部各部件间的结构关系，影响计算结果。鉴于此本发明针对绝缘子串内部各部件间的结构关系展开分析，提出一种500KV变电站软导线下料长度施工模型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种准确的呈现软导线各个部件的空间形态，控制软导线弧垂大小，计算出准确的软导线下料长度，保证了三相导线空间形态的一致性的500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，包括如下步骤，
步骤S01：分析软导线、绝缘子与金具的物理结构和软导线链接方式作为输入参数；
步骤S02：根据现场施工需要，判断软导线的弧垂值，通过简化的弧垂逆推公式，求出水平应力；
步骤S03：分析计算悬挂铁架两侧的U型挂环处所受合力T0，并判断是否小于U型挂环的破坏荷重[T0]，若是，进入步骤S04；若否，进入步骤S02；
步骤S04：利用悬链法利计算出各个部件的空间位置及受力情况；
步骤S05：判断软导线两侧处所受合力T1是否小于软导线承受最大拉力[T1]，若是，进入步骤S06；若否，进入步骤S02；
步骤S06：将软导线若干等分并分析计算各段导线空间位置和受力情况；
步骤S07：判断软导线最低点水平应力并计算软导线的实际弧垂和下料长度。
在本发明实施例中，将架空线和耐张绝缘子串均视为理想柔索，即认为架空线和耐张绝缘子串各点实际弯矩均为零，耐张绝缘子串在左右两悬点A、B连线上的投影长度等于其实际长度，且两端耐张绝缘子串近似等长等重且无集中荷载，并在档距中央弧垂达到最大值；
则简化的弧垂逆推公式如下：
（1）
式中：
为期望弧垂，即施工时，根据现场情况选择软导线的弧垂值；
为高差角；
为单串耐张绝缘子串水平投影长度；
为单串耐张绝缘子串的长度；
为架空线的比载；
J为单串耐张绝缘子串的比载。
在本发明实施例中，所述步骤S04利用悬链法计算出各个部件的空间位置及受力情况，具体为，
采用如下数学模型，分别从左右两侧依次计算各个部件的水平投影长度、垂直投影长度与支反力，直至计算到软导线两端为止；
（2）
式中：
R为耐张绝缘子串上所求部件的支反力；
R'为耐张绝缘子串上与所求部件相链且在其物理上方的部件所受的支反力；
W为所求部件的重量；
L为所求部件的结构高度；
T为所求部件的水平张力；
h为导线档距高差；
Ly为所求部件垂直投影长度；
Lx为所求部件水平投影长度；
f为所求部件底部至悬挂点连线之间的铅垂距离。
在本发明实施例中，所述步骤S06计算软导线各段导线空间位置的具体过程为：将软导线分成100等份，500KV变电站软导线档距在25m至35m之间，减去耐张绝缘子串的水平投影长度，每份导线长度只有1~2cm；因软导线导线采用钢筋铝绞线其具备一定的硬度，将每份导线看做一条直线，然后按照所述数学模型（2）依次求出每段导线的支反力、水平投影长度、垂直投影长度以及每段导线底部至悬挂点连线间的铅垂距离。
在本发明实施例中，通过所述数学模型（2）求得的每段导线的水平投影长度、垂直投影长度即为该导线的坐标，
则求得每段导线长度
（3）
求得下料长度
（4）
式中：
为每个耐张线夹的吃线长度；
为每个耐张管压接后导线伸长量；
i为各段导线；
将计算出来的100段导线底部至悬挂点连线间的铅垂距离中取最小值作为弧垂值，求出软导线的下料长度和实际弧垂。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明计算方法可以准确的呈现软导线各个部件的空间形态，控制软导线弧垂大小，计算出准确的软导线下料长度，保证了三相导线空间形态的一致性，具有非常高的可信度；且本发明提出的数学模型计算出的结果比通过组合法计算出来的数学结果更准确。
附图说明
图1为本发明软导线下料长度数学模型计算方法流程图。
图2为软导线链接方式。
图3为本发明建立的数学模型。
图4为本发明方法结合VCC++语言的操作软件界面。
图中：1为第一个U型挂环，2为第二个U型挂环，3为球头挂环，4为绝缘子，5为碗头挂环，6为BN联板，7为挂板（Z型），8为调整环，9为均压环，10为耐张串线夹，11为导线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，包括如下步骤，
步骤S01：分析软导线、绝缘子与金具的物理结构和软导线链接方式作为输入参数；
步骤S02：根据现场施工需要，判断软导线的弧垂值，通过简化的弧垂逆推公式，求出水平应力；
步骤S03：分析计算悬挂铁架两侧的U型挂环处所受合力T0，并判断是否小于U型挂环的破坏荷重[T0]，若是，进入步骤S04；若否，进入步骤S02；
步骤S04：利用悬链法利计算出各个部件的空间位置及受力情况；
步骤S05：判断软导线两侧处所受合力T1是否小于软导线承受最大拉力[T1]，若是，进入步骤S06；若否，进入步骤S02；
步骤S06：将软导线若干等分并分析计算各段导线空间位置和受力情况；
步骤S07：判断软导线最低点水平应力并计算软导线的实际弧垂和下料长度。
为让本领域技术人员更加了解本发明，以下具体说明本发明的具体实施例。
如图1所示，一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，包括如下步骤，
a、忽略覆冰，风压，温度等气象条件因数，通过分析软导线、绝缘子与金具的物理结构和软导线链接方法作为输入参数，该输入参数包括软导线的高差、弧垂、分裂数、导线比载、单边绝缘子串平均重量与长度、高差角度、比载、导线与绝缘子的荷重、软导线的横截面积、单位重量绝缘子的重量、结构高度、每相软导线左右两侧绝缘子安装个数、U型挂环的结构高度与重量、球头挂环的结构高度与重量、碗头挂环的结构高度与重量、PL型均压屏蔽环的重量、BN型联板的结构高度与重量、挂板（Z型）的结构高度与重量、NYZ型耐张线夹（液压）的结构高度与重量、DT型调整环的结构高度与重量、耐张管压接后导线伸长量、吃线长度。
b、根据现场施工需要，判断软导线的弧垂值，通过简化的弧垂逆推公式，求出水平应力：
如图3所示，本实施例中，将架空线和耐张绝缘子串均视为理想柔索，即认为架空线和耐张绝缘子串各点实际弯矩均为零，耐张绝缘子串在两悬点A、B连线上的投影长度等于其实际长度，且两端耐张绝缘子串近似等长等重且无集中荷载，并在档距中央弧垂达到最大值；
则简化的弧垂逆推公式如下：
（1）
式中：
为期望弧垂，即施工时，根据现场情况选择软导线的弧垂值；
为高差角；
为单串耐张绝缘子串水平投影长度；
为单串耐张绝缘子串的长度；
为架空线的比载；
J为单串耐张绝缘子串的比载。
c、分析悬挂铁架两侧的U型挂环处所受合力T0，并判断是否小于U型挂环的破坏荷重[T0]；若T0小[T0]，则用悬链法计算各个部件的空间位置；若不是，则调整期望弧垂值直到满足T0小于[T0]；
求出水平张力： （2）
式中，s为软导线截面积；
接着求出左右两侧悬挂点的支反力，悬挂点为单边绝缘子串中两个U型挂环1、2的连接处，支反力公式为：
（3）
（4）
式中：
Ra，Rb分别为左右两侧悬挂点的支反力；
为绝缘子串重；
P为架空线集度；
l为导线档距，其中，由于金具结构关系需要分别减去左右两侧一个U型挂环的结构高度；
h为档距高差；
再根据公式（5）求绝缘子串的水平投影长度：
（5）
式中，为耐张串集度；
此时由公式（5）求出的水平投影长度与一开始假设的水平投影长度进行比较后，若发现差值，则使用牛顿迭代法重复计算确保绝缘子串水平投影长度保持到合适的精度，并根据该牛顿迭代法重复计算后的水平投影长度，通过式（1），（2），（3），（4）求出水平应力，水平张力T，以及左右两侧悬挂点的支反力Ra，Rb。
d、利用悬链法计算出各个部件的空间位置，软导线一侧链接顺序：U型挂环1、2、球头挂环3、数个绝缘子4、碗头挂环5、BN联板6、挂板（Z型）7、DT调整环8、NYZ型耐张线夹10（液压）、导线11；软导线另一侧链接顺序：U型挂环1、2、球头挂环3、数个绝缘子4、碗头挂环5、BN联板6、挂板（Z型）7、DT调整环8、NYZ型耐张线夹10（液压）、导线11，碗头挂环5、BN联板6、挂板（Z型）7、DT调整环8均设置于均压环9内，软导线链接方式具体参见附图2：
悬链法计算出各个部件的空间位置及受力情况，其具体计算过程如下所示，
采用如下数学模型，分别从左右两侧依次计算各个部件的水平投影长度、垂直投影长度与支反力，直至计算到软导线两端为止；
（6）
式中：
R为耐张绝缘子串上所求部件的支反力；
R'为耐张绝缘子串上与所求部件相链且在其物理上方的部件所受的支反力；
W为所求部件的重量；
L为所求部件的结构高度；
T为所求部件的水平张力；
h为导线档距高差；
Ly为所求部件垂直投影长度；
Lx为所求部件水平投影长度；
f为所求部件底部至悬挂点连线之间的铅垂距离。
e、判断软导线导线两侧处所受合力T1是否小于导线承受最大拉力[T1]，若T1小于[T1]，则开始求导线空间位置和下料长度；若不是，则调整期望弧垂值直到满足T1大于[T1]。
f、导线若等分并分析导线空间位置和受力情况：
计算软导线各段导线空间位置的具体过程为：将软导线分成100等份，500KV变电站软导线档距在25m至35m之间，减去耐张绝缘子串的水平投影长度，每份导线长度只有1~2cm；因软导线导线采用钢筋铝绞线其具备一定的硬度，将每份导线看做一条直线，然后按照所述数学模型（6）依次求出每段导线的支反力、水平投影长度、垂直投影长度以及每段导线底部至悬挂点连线间的铅垂距离。
g、求出软导线下料长度和实际弧垂：
通过所述数学模型（6）求得的每段导线的水平投影长度、垂直投影长度即为该导线的坐标，
则求得每段导线长度
（7）
求得下料长度
（8）
式中：
为每个耐张线夹的吃线长度；
为每个耐张管压接后导线伸长量；
i为各段导线；
将计算出来的100段导线底部至悬挂点连线间的铅垂距离中取最小值作为弧垂值，求出软导线的下料长度和实际弧垂。
本发明方法结合VC++语言实现计算过程，具体参照附图4，具体操作步骤如下：
步骤一、选择U型挂环型号，用于获得U型挂环的重量和结构高度信息；
步骤二、选择球头挂环型号，用于获得球头挂环的重量和结构高度信息；
步骤三、选择绝缘子型号，用于获得绝缘子的单位重量 ，结构高度以及每串绝缘子串的绝缘子个数信息；
步骤四、在BN联板组中；
选择碗头挂环型号，用于获得碗头挂环的重量和结构高度信息；
选择BN联板型号，用于获得BN联板的重量和结构高度信息；
选择Z型挂环型号，用于获得Z型挂环的重量和结构高度信息；
选择均压环型号，用于获得均压环的重量信息；
步骤五、选择耐张串线夹型号，用于获得耐张串线夹套上套管后的结构高度与重量，耐张串线夹的结构高度与重量以及吃线长度信息；
步骤六、选择调整环型号，用于获得调整环重量和结构高度信息；
步骤七、选择导线的型号，用于获得导线分裂数，单位重量，截面积，耐张管压接后导线长度信息；
步骤八、点击“确定”，软件出现软导线各部件型号的参数信息；
步骤九、根据施工需要选择坐标模式或者对边模式；
步骤十、根据施工设计图及现场情况，输入期望弧垂；
步骤十一、点击“导入数据”，若在坐标模式下，导入在现场测量好的软导线坐标信息；若在对边模式下，导入在现场测量好的软导线档距和高差；
步骤十二、若在坐标模式下，点击“三相计算”，软件通过本发明的数学模型计算出软导线下料长度和实际弧垂。若在对边模式下，点击“单相计算”，软件通过本发明的数学模型计算出软导线下料长度和实际弧垂。
表1为500KV变电站实地测量部分软导线档距、高差、弧垂值，并获取软导线实际下料长度与其各部件的参数值。将获取的参数值带入组合模型与本发明的数学模型中分别计算软导线的下料长度。通过表格容易看出，本发明提出的数学模型计算出的结果比通过组合法计算出来的数学结果更准确，验证了数学模型的可行性与可靠性。
表1 软导线下料长度实际值、组合法计算值及本发明方法计算值的比较结果
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤S01：分析软导线、绝缘子与金具的物理结构和软导线链接方式作为输入参数；
步骤S02：根据现场施工需要，判断软导线的弧垂值，通过简化的弧垂逆推公式，求出水平应力σ0；
步骤S03：分析计算悬挂铁架两侧的U型挂环处所受合力T0，并判断是否小于U型挂环的破坏荷重[T0]，若是，进入步骤S04；若否，进入步骤S02；
步骤S04：利用悬链法计算出各个部件的空间位置及受力情况；
步骤S05：判断软导线两侧处所受合力T1是否小于软导线承受最大拉力[T1]，若是，进入步骤S06；若否，进入步骤S02；
步骤S06：将软导线若干等分并分析计算各段导线空间位置和受力情况；
步骤S07：判断软导线最低点水平应力并计算软导线的实际弧垂和下料长度；
将架空线和耐张绝缘子串均视为理想柔索，即认为架空线和耐张绝缘子串各点实际弯矩均为零，耐张绝缘子串在左右两悬点A、B连线上的投影长度等于其实际长度，且两端耐张绝缘子串近似等长等重且无集中荷载，并在档距中央弧垂达到最大值；
则简化的弧垂逆推公式如下：
（1）
式中：
为期望弧垂，即施工时，根据现场情况选择软导线的弧垂值；
为高差角；
为单串耐张绝缘子串水平投影长度；
为单串耐张绝缘子串的长度；
为架空线的比载；
J为单串耐张绝缘子串的比载。
2.根据权利要求1所述的一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，其特征在于：所述步骤S04利用悬链法计算出各个部件的空间位置及受力情况，具体为，
采用如下数学模型，分别从左右两侧依次计算各个部件的水平投影长度、垂直投影长度与支反力，直至计算到软导线两端为止；
（2）
式中：
R为耐张绝缘子串上所求部件的支反力；
R'为耐张绝缘子串上与所求部件相链且在其物理上方的部件所受的支反力；
W为所求部件的重量；
L为所求部件的结构高度；
T为所求部件的水平张力；
h为导线档距高差；
Ly为所求部件垂直投影长度；
Lx为所求部件水平投影长度；
f为所求部件底部至悬挂点连线之间的铅垂距离。
3.根据权利要求2所述的一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，其特征在于：
所述步骤S06计算软导线各段导线空间位置的具体过程为：将软导线分成100等份，500KV变电站软导线档距在25m至35m之间，减去耐张绝缘子串的水平投影长度，每份导线长度只有1~2cm；因软导线导线采用钢筋铝绞线其具备一定的硬度，将每份导线看做一条直线，然后按照公式（2）的数学模型依次求出每段导线的支反力、水平投影长度、垂直投影长度以及每段导线底部至悬挂点连线间的铅垂距离。
4.根据权利要求3所述的一种500kV变电站软导线下料长度数学模型计算方法，其特征在于：通过公式（2）的数学模型求得的每段导线的水平投影长度、垂直投影长度即为该导线的坐标，
则求得每段导线长度
（3）
求得下料长度
（4）
式中：
为每个耐张线夹的吃线长度；
为每个耐张管压接后导线伸长量；
i为各段导线；
将计算出来的100段导线底部至悬挂点连线间的铅垂距离中取最小值作为弧垂值，求出软导线的下料长度和实际弧垂。
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