CN107092766A - 一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，包括以下步骤：确定风压不均匀系数，确定风压高度变化系数，确定导线风载荷体型系数，导线载荷计算，绝缘子载荷计算，建立杆塔、绝缘子串、金具和导线的有限元模型，计算最小空气间隙，绝缘评估。本发明提供的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，利用有限元模型进行绝缘性能评估带来的好处有：第一，能够考虑复合绝缘子、金具等自身受力变形对最小空气间隙的影响；第二，能够考虑金具之间连接方式对最小空气间隙的影响。

Description

一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法

技术领域

本发明涉及一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，属于空气污染预测技术领域。

背景技术

架空输电线路是电网的重要组成部分，在风荷载作用下绝缘子串及其悬挂的导线将产生风偏摆动，对未采用V型串或未安装防风拉线等防风偏措施的架空输电线路危害很大。由于输电导线一般通过悬垂绝缘子串悬挂于杆塔上，且往往采用单点悬挂的I串或者双I串形式，在大风作用下悬垂绝缘子串或跳线向杆塔方向倾斜，减小了导线与杆塔之间间隙的距离，当间隙的绝缘强度不足以承受系统运行电压时将会发生风偏闪络。

目前在实际工程中，I串形式的悬垂绝缘子串或跳线在风荷载下的绝缘性评估是采用刚体直杆模型法进行计算。在计算过程中将复合绝缘子串简化为刚体直杆，将绝缘子与金具的连接简化为铰接，采用静力等效计算的方式确定风偏角，然后在二维坐标系中建立杆塔与绝缘子串的简化模型，使用三角函数计算获得最小间隙，评估绝缘性能。

传统的绝缘子串或跳线风偏最小空气间隙的计算方法中，对复合绝缘子串是采用刚体直杆简化，对各部件的连接关系是采用铰接简化。在实际工程中，绝缘子串和导线是复杂的大位移、非刚体的体系。

采用传统的简化方法，忽略了各个部件自身变形对最小空气间隙的影响，难以考虑金具实际的连接方式对风偏的影响。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，提出建立I型复合绝缘子、金具、导线和杆塔体系的有限元模型的方法，对风荷载下的最小空气间隙进行计算，从而评估绝缘性能。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定风压不均匀系数：根据《1000kV架空输电线路设计规范》规定确定适用的风压不均匀系数；

步骤2，确定风压高度变化系数：根据地面粗糙程度、地表基本风速、高度等主要因素，依据《1000kV架空输电线路设计规范》，确定适用的风压高度变化系数；

步骤3，确定导线风载荷体型系数：根据导线的体形和气流方位，依据《1000kV架空输电线路设计规范》，确定适用的导线风载荷体型系数；

步骤4，导线载荷计算：采用导线的水平风荷载计算公式和垂直风荷载计算公式，计算跨距长度的导线所受风压；

步骤5，绝缘子载荷计算：采用悬垂绝缘子串和金具的水平风荷载计算公式，计算绝缘子串和金具的所受风压；

步骤6，建立杆塔、绝缘子串、金具和导线的有限元模型：采用变截面梁单元模拟绝缘子串，采用实体单元模拟金具，采用质点模拟导线，采用刚体单元模拟杆塔，建立杆塔-绝缘子串-金具-导线的有限元模型；

相比传统流程可以考虑绝缘子串自身的变形，可以考虑金具之间的接触限位关系，提高了计算的准确度；

步骤7，计算最小空气间隙：采用静力有限元计算，提取最小空气间隙；

步骤8，绝缘评估：根据最小空气间隙大小和环境工况，评估绝缘性能是否达到设计要求。

进一步地，所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：根据《1000kV架空输电线路设计规范》规定，风压不均匀系数α如表1、表2所示：

表1风压不均匀系数α

注：对跳线等档距较小者的计算α宜取1.20

表2风压不均匀系数α随水平档距变化取值

进一步地，所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：《1000kV架空输电线路设计规范》规定，风压高度变化系数μ_z如表3所示：

表3风压高度变化系数μ_z

注：地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

A类——近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B类——田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

C类——有密集建筑群的城市市区；

D类——有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

进一步地，所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：确定导线风载荷体型系数：

对于输电导线，规范规定的μ_sc是考虑水平风向与导线轴成90°时的影响值，《1000kV架空输电线路设计规范》规定：

导线或地线风荷载体型系数μ_sc为：

线径小于17mm或覆冰时，μ_sc＝1.2；

线径大于或等于17mm时，μ_sc＝1.1；

对于N分裂导线，N分裂导线的风荷载取单导线的N倍。

进一步地，所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：导线的载荷分为水平荷载和垂直荷载。

进一步地，所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：导线水平荷载的计算具体如下：

单位长度导线的水平风荷载计算公式如下所示：

p_h＝αW₀μ_zμ_scrB₁sin²θ

式中：

p_h——垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载标准值，单位：kN；

α——风压不均匀系数；

μ_z——风压高度变化系数；

μ_sc——导线的体型系数；

r——导线外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，单位：m；

B₁——导、地线及绝缘子覆冰后风荷载增大系数；5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2，15mm冰区取1.3，20mm及以上冰区取1.5-2.0；

θ——风向与导线或地线方向之间的夹角，单位：度。

进一步地，所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：悬垂绝缘子串和金具承受的水平风荷载计算如下式所示：

G_h＝W₀μ_zA_Isin²θ

式中：

A_I——绝缘子及其金具受风面积，单位：m²。

有益效果：本发明提供的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，利用有限元模型进行绝缘性能评估带来的好处有：第一，能够考虑复合绝缘子、金具等自身受力变形对最小空气间隙的影响；第二，能够考虑金具之间连接方式对最小空气间隙的影响。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是导线风荷载图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，包括以下步骤：

步骤1，确定风压不均匀系数：根据《1000kV架空输电线路设计规范》规定确定适用的风压不均匀系数；

步骤2，确定风压高度变化系数：根据地面粗糙程度、地表基本风速、高度等主要因素，依据《1000kV架空输电线路设计规范》，确定适用的风压高度变化系数；

步骤3，确定导线风载荷体型系数：根据导线的体形和气流方位，依据《1000kV架空输电线路设计规范》，确定适用的导线风载荷体型系数；

步骤4，导线载荷计算：采用导线的水平风荷载计算公式和垂直风荷载计算公式，计算跨距长度的导线所受风压；

步骤5，绝缘子载荷计算：采用悬垂绝缘子串和金具的水平风荷载计算公式，计算绝缘子串和金具的所受风压；

步骤6，建立杆塔、绝缘子串、金具和导线的有限元模型：采用变截面梁单元模拟绝缘子串，采用实体单元模拟金具，采用质点模拟导线，采用刚体单元模拟杆塔，建立杆塔-绝缘子串-金具-导线的有限元模型；

相比传统流程可以考虑绝缘子串自身的变形，可以考虑金具之间的接触限位关系，提高了计算的准确度；

步骤7，计算最小空气间隙：采用静力有限元计算，提取最小空气间隙；

步骤8，绝缘评估：根据最小空气间隙大小和环境工况，评估绝缘性能是否达到设计要求。

总之，相对传统计算流程，基于有限元模型的计算流程，能够考虑的因素更多，计算更加灵活方便。

实施例

一、确定风压不均匀系数

风并不是每时每刻都以同样的程度作用在输电线路上，同一时刻每一点的风速更是不均匀的。因此，在输电线路设计的风压计算中引入了风压不均匀系数α，以表征风场的上述特征。

根据《1000kV架空输电线路设计规范》规定，风压不均匀系数α如表1、表2所示。

表1风压不均匀系数α

注：对跳线等档距较小者的计算α宜取1.20

表2风压不均匀系数α随水平档距变化取值

二、确定风压高度变化系数

空气在地球表面流动时，由于与地面摩擦而产生摩擦力，这种摩擦力使靠近地面气流的方向和速度产生变化，随着高度的增加，摩擦对气流的影响逐渐减小。因此，风速随高度而增加，在低气层中增加很快；而当高度很高时则增长逐渐减慢。理论上，风速沿高度的增大与地面的摩擦力(粗糙程度)、地表基本风速、高度等主要因素有关。

《1000kV架空输电线路设计规范》规定，风压高度变化系数μ_z如表3所示：

表3风压高度变化系数μ_z

注：地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

A类——近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B类——田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

C类——有密集建筑群的城市市区；

D类——有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

三、确定导线风载荷体型系数

物体受到的风压与物体的体形和气流方位有关，这种影响常以风荷载体型系数μ_sc的大小来表示。对于输电导线，规范规定的μ_sc是考虑水平风向与导线轴成90°时的影响值，目前国内架空送电线路设计技术规程《1000kV架空输电线路设计规范》规定：

导线或地线风荷载体型系数μ_sc为：

线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)μ_sc＝1.2

线径大于或等于17mm时μ_sc＝1.1

对于N分裂导线，从工程应用考虑出发，可以不用考虑导线间的屏蔽效应，即，N分裂导线的风荷载取单导线的N倍。

四、导线载荷计算

导线的载荷分为水平荷载和垂直荷载。

(1)导线水平荷载的计算

导线实际所受风压，并非理论风压，还需要考虑多方面因素的影响，单位长度导线的水平风荷载计算公式如下所示：

p_h＝αW₀μ_zμ_scrB₁sin²θ

式中：

p_h——垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载标准值，单位：kN；

α——风压不均匀系数；

μ_z——风压高度变化系数；

μ_sc——导线的体型系数；

r——导线外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，单位：m；

B₁——导、地线及绝缘子覆冰后风荷载增大系数；5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2，15mm冰区取1.3，20mm及以上冰区取1.5-2.0；

θ——风向与导线或地线方向之间的夹角，单位：度；

在确定了导线单位长度风荷载之后，需要对整个档距内导线所承受的水平风荷载进行计算。对于线长的确定，理想的做法是根据导线的状态方程计算出其真实长度，但是无论是导线的悬链线方程还是抛物线方程其真实线长的计算均较复杂，都涉及到了双曲函数。在目前的工程应用中，计算导线荷载所用到的线长均是采用近似计算，即用水平档距来代替导线长度，这在一定程度上节省了计算的工作量，但是其准确度也相应的有所降低。

如图2示，悬垂绝缘子串承受导线的水平荷载由两个部分组成，风作用在导线上沿横担方向的分量(Y方向)导线的水平张力沿横担方向的分量。

其中风作用在导线上沿横担方向的分量如下式所示：

式中：

N——分裂导线数；

l'_h1、l'_h2——导线的真实长度，单位：m；

导线的水平张力沿横担方向的分量如下式所示：

W″_h＝N(T₁·sinψ₁+T₂·sinψ₂)

式中：

T₁、T₂——导线水平张力，单位：N；

ψ₁、ψ₂——输电线路与横担夹角的余角。

由于导线实际长度未知，工程上通常采取如下近似计算：

式中：

l₁、l₂——杆塔两侧的水平档距；

β₁、β₂——杆塔两侧导线悬挂点间的高差角。

进一步可得：

式中：

ψ——线路转角，ψ＝ψ₁+ψ₂；

(2)垂直荷载的计算

导线的垂直荷载计算如下式所示：

式中：

q——导线单位长度的重力，单位：N；

h₁、h₂——相邻杆塔间的高差，单位：m；

五、绝缘子载荷计算

绝缘子串水平风载荷的计算

悬垂绝缘子串和金具承受的水平风荷载计算如下式所示：

G_h＝W₀μ_zA_Isin²θ

式中：

A_I——绝缘子及其金具受风面积，单位：m²

标准型绝缘子为H×D＝146mm×254mm(H为绝缘子结构高度，D为绝缘子盘径)，绝缘子的受风面积单伞取0.03m²，复合绝缘子串取0.2m²，其他类型绝缘子对比标准型求出受风面积。

六、建立杆塔、绝缘子串、金具和导线的有限元模型

采用变截面梁单元模拟绝缘子串，采用实体单元模拟金具，采用质点模拟导线，采用刚体单元模拟杆塔，建立杆塔-绝缘子串-金具-导线的有限元模型。金具之间的约束关系通过建立铰链连接或者接触来模拟。

将第1-5步计算出的导线载荷和绝缘子载荷加载至模型上，对整个模型施加重力场。

七、计算最小空气间隙

采用静力有限元计算，获取计算结果后，在有限元模型中直接测量偏移后的导线质点距离杆塔的最近距离。

八、绝缘评估

根据最小空气间隙大小和环境工况，评估绝缘性能是否达到设计要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，确定风压不均匀系数：根据《1000kV架空输电线路设计规范》规定确定适用的风压不均匀系数；

步骤2，确定风压高度变化系数：根据地面粗糙程度、地表基本风速、高度等主要因素，依据《1000kV架空输电线路设计规范》，确定适用的风压高度变化系数；

步骤3，确定导线风载荷体型系数：根据导线的体形和气流方位，依据《1000kV架空输电线路设计规范》，确定适用的导线风载荷体型系数；

步骤4，导线载荷计算：采用导线的水平风荷载计算公式和垂直风荷载计算公式，计算跨距长度的导线所受风压；

步骤5，绝缘子载荷计算：采用悬垂绝缘子串和金具的水平风荷载计算公式，计算绝缘子串和金具的所受风压；

步骤6，建立杆塔、绝缘子串、金具和导线的有限元模型：采用变截面梁单元模拟绝缘子串，采用实体单元模拟金具，采用质点模拟导线，采用刚体单元模拟杆塔，建立杆塔-绝缘子串-金具-导线的有限元模型；

相比传统流程可以考虑绝缘子串自身的变形，可以考虑金具之间的接触限位关系，提高了计算的准确度；

步骤7，计算最小空气间隙：采用静力有限元计算，提取最小空气间隙；

步骤8，绝缘评估：根据最小空气间隙大小和环境工况，评估绝缘性能是否达到设计要求。

2.根据权利要求1所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：根据《1000kV架空输电线路设计规范》规定，风压不均匀系数α如表1、表2所示：

表1风压不均匀系数α

表2风压不均匀系数α随水平档距变化取值

3.根据权利要求1所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：《1000kV架空输电线路设计规范》规定，风压高度变化系数μ_z如表3所示：

表3风压高度变化系数μ_z

注：地面粗糙度可分为A、B、C、D四类：

A类——近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

B类——田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

C类——有密集建筑群的城市市区；

D类——有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

4.根据权利要求1所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：确定导线风载荷体型系数：

对于输电导线，规范规定的μ_sc是考虑水平风向与导线轴成90°时的影响值，《1000kV架空输电线路设计规范》规定：

导线或地线风荷载体型系数μ_sc为：

线径小于17mm或覆冰时，μ_sc＝1.2；

线径大于或等于17mm时，μ_sc＝1.1；

对于N分裂导线，N分裂导线的风荷载取单导线的N倍。

5.根据权利要求1所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：导线的载荷分为水平荷载和垂直荷载。

6.根据权利要求1所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：导线水平荷载的计算具体如下：

单位长度导线的水平风荷载计算公式如下所示：

p_h＝αW₀μ_zμ_scrB₁sin²θ

式中：

p_h——垂直于导线方向的单位长度导线水平风荷载标准值，单位：kN；

α——风压不均匀系数；

μ_z——风压高度变化系数；

μ_sc——导线的体型系数；

r——导线外径或覆冰时的计算外径，分裂导线取所有子导线外径的总和，单位：m；

B₁——导、地线及绝缘子覆冰后风荷载增大系数；5mm冰区取1.1，10mm冰区取1.2，15mm冰区取1.3，20mm及以上冰区取1.5-2.0；

θ——风向与导线或地线方向之间的夹角，单位：度。

7.根据权利要求1所述的基于有限元的导线风偏绝缘校核方法，其特征在于：悬垂绝缘子串和金具承受的水平风荷载计算如下式所示：

G_h＝W₀μ_zA_Isin²θ

式中：

A_I——绝缘子及其金具受风面积，单位：m²。