CN107423509B - 一种输电线塔体系气弹模型构建方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种输电线塔体系气弹模型构建方法及装置，首先获取输电线塔体系的环境参数信息构建风场模型；其次获取输电线塔结构信息以及历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；再次，根据函数关系，建立多相耦合数学模型；最后，通过对所述多相耦合数学模型进行数值计算建立所述输电线塔气弹模型。所述方法中，采用计算流体动力学方法对输电线塔体系多相耦合流场进行数值模拟，与现有技术相比，所建立的气弹模型能够辅助分析高压输电线塔体系的风致破坏机理，因此，解决了传统模型构建方法不符合微地形、微气象环境特点的问题。

Description

一种输电线塔体系气弹模型构建方法及装置

技术领域

本申请涉及高压输电技术领域，尤其涉及一种输电线塔体系气弹模型构建方法及装置。

背景技术

气弹模型，又称气动弹性动力学模型，是指在特定气象环境下，环境中的结构器件会在空气动力的作用下产生弹性变形，并且这种弹性变形会反过来影响空气动力环境，进而再次影响结构器件的动力学模型。输电线塔在搭建环境中由于其具有高耸的结构，尤其在野外环境中会使部分输电线塔体系处于一种与整个配电网络的总体地形和气象环境特点不一样的环境，这种特殊的环境，存在更加复杂的空气流动特点，如气流对线塔体系的作用更加强烈，并且作用方向呈多向性，本领域中将这种特殊的输电环境称为微地形、微气象环境。

在高压输电线塔体系中，输电线塔具有高柔性以及阻尼小等特性，并且输电线在布置中高度紧凑化，输电线在大跨距、多分裂和相间距小，易于与输电塔发生耦合振动。特高压紧凑型输电线-塔结构的高柔性、几何非线性和导线布置高度紧凑化等特点，使其在特定的微气象、微地形条件下易于诱发失稳振动乃至风偏闪络，在一定程度上制约了高压输电技术的推广应用。而高压输电线路结构在风荷载作用下的动力特性非常复杂，其风振响应尤其是体系的风致破坏容易导致输电线路的风致破坏事故频繁发生，为电网运营造成经济损失。

为了减少输电线路的风致破坏事故，现有技术中常通过构建输电线塔的气弹模型来模拟分析风致破坏机理。但已有的模型构建方法仅以输电网络所在地区的总体地形和气象环境作为环境参数的输入，通过这种方法构建的模型在某些复杂的微地形、微气象环境下不符合输电环境特点，使构建的模型不能正确反映风致破坏的机理。因此构建符合输电线塔在微地形，微气象环境下的气弹模型用以辅助分析风致破坏机理成为本领域中亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种输电线塔体系气弹模型构建方法及装置，以解决传统模型构建方法不符合微地形、微气象环境特点的问题。

一方面，本申请提供一种输电线塔体系气弹模型构建方法，包括：

获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型；

获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；

根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型；

设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并对所述多相耦合数学模型进行数值计算；

根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型。

可选地，所述环境参数包括：风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度，并按照下述步骤构建风场模型：

获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数；

根据所述微地形和微气象环境参数，确定风场模型的参数量，所述参数量包括风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度中的至少一个；

根据所述参数量构建所述风场模型。

可选地，所述根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型的步骤，包括：

对所述输电线塔体系中的构件进行简化处理；

根据所述简化处理结果，确定简化处理后的输电线塔体系间接影响因素；

对所述间接影响因素进行参数修正；

根据所述参数修正结果，建立多相耦合数学模型。

可选地，所述对所述间接影响因素进行参数修正的步骤，包括：

去除温度因素的影响；

设定所述输电线塔体系的振动系统具有时变特性，所述振动系统的参振质量呈周期性变化。

另一方面，本申请还提供一种输电线塔体系气弹模型构建装置，包括：

风场模型构建模块，用于获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型；

函数关系确定模块，用于获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；

多相耦合数学模型构建模块，用于根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型；

数值计算模块，用于设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并对所述多相耦合数学模型进行数值计算；

气弹模型构建模块，用于根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型。

可选地，所述风场模型构建模块包括：

微环境参数获取单元，用于获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数；

参数量确定单元，用于根据所述微地形和微气象环境参数，确定风场模型的参数量，所述参数量包括风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度中的至少一个；

风场模型构建单元，用于根据所述参数量构建所述风场模型。

可选地，所述多相耦合数学模型构建模块包括：

简化处理单元，用于对所述输电线塔体系中的构件进行简化处理；

间接影响因素确定单元，用于根据所述简化处理结果，确定简化处理后的输电线塔体系间接影响因素；

参数修正单元，用于对所述间接影响因素进行参数修正；

多相耦合数学模型构建单元，用于根据所述参数修正结果，建立多相耦合数学模型。

可选地，参数修正单元包括：

温度因素去除子单元，用于去除温度因素的影响；

振动参数修正子单元，用于设定所述输电线塔体系的振动系统具有时变特性，所述振动系统的参振质量呈周期性变化。

由以上技术方案可知，本申请提供的输电线塔体系气弹模型构建方法及装置，在输电线塔体系气弹模型的构建过程中，首先获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型；其次获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；再次，根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型；再设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并对所述多相耦合数学模型进行数值计算；最后，根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型。

所述模型构建方法，采用计算流体动力学方法对输电线塔体系多相耦合流场进行数值模拟，突破了现有技术中仅针对输电导线或输电塔以及总体环境的局限，所建立的气弹模型能够辅助分析高压输电线塔体系的风致破坏机理，从而确定失稳振动、风偏闪络与风速、导线布置形式及输电线塔结构等因素之间的关系。因此，解决传统模型构建方法不符合微地形、微气象环境特点的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种输电线塔体系气弹模型构建方法的流程示意图；

图2为一种输电线塔体系气弹模型构建方法实施例二的流程示意图；

图3为一种输电线塔体系气弹模型构建方法实施例三的流程示意图；

图4为一种输电线塔体系气弹模型构建方法的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，为一种输电线塔体系气弹模型构建方法的流程示意图。

本申请提供的输电线塔体系气弹模型构建方法包括以下步骤：

S101：获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型；

对于步骤S101，本实施例中，通过分析风速、风向、重力、空气密度及动力粘度建立风场模型，所述风场模型根据输电线塔体系的所属位置而具体确定其存在的数据参数量，例如，对于所属环境比较稳定的环境，风场模型中可以仅包含风速模型，从而减少数据的处理量。具体的，对于步骤S101，如图2所示，在本申请提供的部分实施例中，还包括以下步骤：

S201：获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数；

S202根据所述微地形和微气象环境参数，确定风场模型的参数量，所述参数量包括风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度中的至少一个；

S203：根据所述参数量构建所述风场模型。

由以上技术方案可知，本实施例通过获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数，并根据所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数确定风场模型中的参数量，即根据实际输电线塔体系的环境情况确定所述风场模型中所包含的实际参数的个数，如风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度等。本实施例中，为了便于数据处理，在实际应用微地形、微气象环境进行模型的建立过程中，可以建立一个能够反映实际空气流动状态的风场模型，从而根据模型确定线塔体系的实际工作环境，以及实际环境下对应的微地形和微气象环境特点。

S102：获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；

对于步骤S102在根据所述环境参数信息构建风场模型后，通过获取输电线塔体系的结构信息以及应用环境下的历史气象信息，确定所述风场模型下的风偏闪络与输电线塔结构信息对应的定量函数关系。其中，输电线塔的结构信息主要包括输电线与输电塔的结构尺寸数据，例如，线塔的高度，线塔构件厚度以及相邻输电线塔之间的距离等。

本实施例中，所述历史气象信息是指归纳收集并保存在相应的数据库中的气象资料，对于历史气象数据，可以是电网运营商通过统计记录的气象数据，也可以是来源于地理信息系统中记录的气象数据。历史气象信息应精确到具体地带，特别是气象特征明显的典型地带。在获取到历史气象数据后，本实施例中通过整理的微地形、强风场、定向作用下空气间隙的工频放电数据，确定风偏闪络与风场模型、输电线塔结构信息之间的定量函数关系。

S103：根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型；

对于步骤S103，在确定了所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系后，根据所述定量函数关系建立多相耦合数学模型，具体地，如图3所示，所述多相耦合数学模型的建立还包括以下步骤：

S301：对所述输电线塔体系中的构件进行简化处理；

S302：根据所述简化处理结果，确定简化处理后的输电线塔体系间接影响因素；

S303：对所述间接影响因素进行参数修正；

S304：根据所述参数修正结果，建立多相耦合数学模型。

由以上技术方案可知，本实施例中根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型的步骤中，首先需要对输电线塔体系中数据和边界条件分别进行简化处理和参数修正，例如：对于金具、绝缘子串以及夹具作必要的简化处理，同时忽略温度因素对输电线塔体系结构气动特性的影响，在输电线塔体系在实际环境中出现的振动现象，设定振动系统具有时变特性时，其参振质量呈周期性变化。

S104：设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并对所述多相耦合数学模型进行数值计算；

本实施例中，利用计算机对所述多相耦合数学模型进行流体动力学计算，示例地，通过数据处理软件，如ANSYS软件中的Workbench平台进行计算。在Workbench平台的对应模块里分别建立所述输电线塔的结构模型及Fluent流场模型等，设置修正系数及边界条件后，并利用Workbench求解器进行多相耦合数值计算，并结合微地形、微气象环境下风场特征，基于相似准则的量纲分析方法，获取密度比、Strouhal数、强度和刚度等参数，所述气弹模型的构建提供设计依据。

S105：根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型。

本实施例中，根据S104步骤的计算结果，结合微地形、微气象环境下风场特征，基于相似准则的量纲分析方法，获取密度比、Strouhal数、强度和刚度等参数建立所述输电线塔气弹模型。

进一步地，根据本申请建立的输电线塔气弹模型，本申请的部分实施例中还包括基于上述气弹模型的风洞试验，以试验结果辅助分析风致破坏的作用机理，例如：利用空心铜管模拟塔的刚度，轻质ABS板模拟几何表面，光滑铝管模拟导线来完成典型输电线塔结构气弹模型的制作；利用实验室“微地形、微气象”风洞试验台，测量不同风速、电压等级及极性下气弹模型的动力特性、风偏闪络规律，修正边界条件，验证理论模型；基于试验数据，修正微地形、微气象环境下输电线塔体系失稳振动与风偏闪络的多耦合场数学模型。

基于上述模型构建方法，如图4所示，本申请还提供一种输电线塔体系气弹模型构建装置，包括：

风场模型构建模块，用于获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型；

函数关系确定模块，用于获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；

多相耦合数学模型构建模块，用于根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型；

数值计算模块，用于设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并对所述多相耦合数学模型进行数值计算；

气弹模型构建模块，用于根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型。

在一种方案中，所述风场模型构建模块包括：

微环境参数获取单元，用于获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数；

参数量确定单元，用于根据所述微地形和微气象环境参数，确定风场模型的参数量，所述参数量包括风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度中的至少一个；

风场模型构建单元，用于根据所述参数量构建所述风场模型。

在一种方案中，所述多相耦合数学模型构建模块包括：

简化处理单元，用于对所述输电线塔体系中的构件进行简化处理；

间接影响因素确定单元，用于根据所述简化处理结果，确定简化处理后的输电线塔体系间接影响因素；

参数修正单元，用于对所述间接影响因素进行参数修正；

多相耦合数学模型构建单元，用于根据所述参数修正结果，建立多相耦合数学模型。

在一种方案中，参数修正单元包括：

温度因素去除子单元，用于去除温度因素的影响；

振动参数修正子单元，用于设定所述输电线塔体系的振动系统具有时变特性，所述振动系统的参振质量呈周期性变化。

由以上技术方案可知，本申请提供的输电线塔体系气弹模型构建方法及装置，在输电线塔体系气弹模型的构建过程中，首先获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型；其次获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；再次，根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型；再设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并对所述多相耦合数学模型进行数值计算；最后，根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型。

所述模型构建方法，采用计算流体动力学方法对输电线塔体系多相耦合流场进行数值模拟，突破了现有研究仅针对输电导线或输电塔的局限，所建立的气弹模型能够辅助分析高压输电线塔体系的风致破坏机理，从而确定失稳振动、风偏闪络与风速、导线布置形式及输电线塔结构等因素之间的关系。。因此，解决传统模型构建方法不符合微地形、微气象环境特点的问题。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本发明总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种输电线塔体系气弹模型构建方法，其特征在于，包括：

获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型，所述风场模型根据输电线塔体系的所属位置确定风场模型存在的数据参数量；

获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；

根据所述定量函数关系，建立输电线塔体系失稳振动与风偏闪络的多相耦合数学模型；

设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并利用计算机对所述多相耦合数学模型进行流体动力学数值计算；

根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型；

利用实验室微地形、微气象风洞试验台，测量不同风速、电压等级及极性下气弹模型的动力特性、风偏闪络规律，修正所述多相耦合数学模型的边界条件，验证所述输电线塔气弹模型；

基于试验数据，修正所述输电线塔气弹模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境参数包括：风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度，并按照下述步骤构建风场模型：

获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数；

根据所述微地形和微气象环境参数，确定风场模型的参数量，所述参数量包括风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度中的至少一个；

根据所述参数量构建所述风场模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述定量函数关系，建立多相耦合数学模型的步骤，包括：

对所述输电线塔体系中的构件进行简化处理；

根据所述简化处理结果，确定简化处理后的输电线塔体系间接影响因素；

对所述间接影响因素进行参数修正；

根据所述参数修正结果，建立多相耦合数学模型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述间接影响因素进行参数修正的步骤，包括：

去除温度因素的影响；

设定所述输电线塔体系的振动系统具有时变特性，所述振动系统的参振质量呈周期性变化。

5.一种输电线塔体系气弹模型构建装置，其特征在于，包括：

风场模型构建模块，用于获取输电线塔体系的环境参数信息，根据所述环境参数信息构建风场模型，所述风场模型根据输电线塔体系的所属位置确定风场模型存在的数据参数量；

函数关系确定模块，用于获取所述输电线塔结构信息以及所述输电线塔应用环境下的历史气象信息，根据所述历史气象信息，确定所述风场模型下风偏闪络与所述输电线塔结构信息的定量函数关系；

多相耦合数学模型构建模块，用于根据所述定量函数关系，建立输电线塔体系失稳振动与风偏闪络的多相耦合数学模型；

数值计算模块，用于设置所述多相耦合数学模型的边界条件，并利用计算机对所述多相耦合数学模型进行流体动力学数值计算；

气弹模型构建模块，用于根据所述数值计算结果建立所述输电线塔气弹模型；

试验模块，用于利用实验室微地形、微气象风洞试验台，测量不同风速、电压等级及极性下气弹模型的动力特性、风偏闪络规律，修正所述多相耦合数学模型的边界条件，验证所述输电线塔气弹模型；基于试验数据，修正所述输电线塔气弹模型。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述风场模型构建模块包括：

微环境参数获取单元，用于获取所述输电线塔体系的微地形和微气象环境参数；

参数量确定单元，用于根据所述微地形和微气象环境参数，确定风场模型的参数量，所述参数量包括风速、风向、重力、空气密度以及空气动力粘度中的至少一个；

风场模型构建单元，用于根据所述参数量构建所述风场模型。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述多相耦合数学模型构建模块包括：

简化处理单元，用于对所述输电线塔体系中的构件进行简化处理；

间接影响因素确定单元，用于根据所述简化处理结果，确定简化处理后的输电线塔体系间接影响因素；

参数修正单元，用于对所述间接影响因素进行参数修正；

多相耦合数学模型构建单元，用于根据所述参数修正结果，建立多相耦合数学模型。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，参数修正单元包括：

温度因素去除子单元，用于去除温度因素的影响；

振动参数修正子单元，用于设定所述输电线塔体系的振动系统具有时变特性，所述振动系统的参振质量呈周期性变化。

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