CN107908806A - 一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法及模拟试验装置 - Google Patents

一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法及模拟试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法及模拟试验装置，模拟试验装置包括曲线状的轨道、位于轨道上端的定滑轮、置于轨道上且沿轨道滚动的动滑轮及通过定滑轮牵引动滑轮滚动的导线，所述导线连接有拉力计和位移计，所述动滑轮上悬挂有导线张力模拟附重，本发明可根据导线型号、导线档距等因素变化，将百米以上档距的输电线路模拟缩短至数米内，在保证悬垂串受力特征与在原输电线路上一致的情况下，能准确有效的反映相应输电导线的张力变化，保证输电导线设计的准确性和可靠性，并极大的降低了试验难度、试验风险和试验成本。

Description

一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法及模拟试验 装置
技术领域
本发明涉及到输电线路杆塔荷载测试领域，尤其涉及到一种模拟精度较高且适用性好的输电线路单档导线张力变化模拟计算方法及模拟试验装置。
背景技术
随着国民经济的快速发展，我国电力需求持续增加，使电网规模迅速扩大，通过特高压输电线路的建设和运行，我国电网已发展成为世界上结构最复杂、规模最大的电网，电网线路电线力学计算一般以理论计算和有限元模拟为主，针对国内外输电线路连续档导线张力测试的试验较少。
E.S.Healy、A.J.Wright在设计220kV Wallenpaupack-Siegfried线路中对输电导线覆冰产生不平衡张力进行了试验研究，通过在一英里的档距内的试验结果验证了图解法的正确性，并认为可以基于此进行设计应用。
Jamaleddine等人进行两档输电线路脱冰的模型试验，采用跌落质量块的方法来模拟覆冰脱落，得出导线脱冰的动态和静态响应，并根据试验模型建立相应的有限元模型进行校验，两种方法得出的结果很相近。
现有试验方法一般分为两种，一种采用依托工程输电线路试验，这种方式模型单一，不具备可变性；另一种采用缩尺模型模拟，由于输电导线呈悬链线形状，缩尺模型不能准确模拟实际输电线路的情况。因此，有必要研究一种既能模拟输电线路导线张力变化，又能灵活改变线路参数、有效减少试验场地占用的导线张力模拟方法。
发明内容
本发明主要解决现有电网线路电线力学计算以理论计算和有限元模拟为主、无法准确反映实际输电线路受力情况的技术问题；提供了一种模拟精度高且适用性好的输电线路单档导线张力变化模拟计算方法及模拟试验装置。
为了解决上述存在的技术问题，本发明主要是采用下述技术方案：
本发明的一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法，用于模拟输电线路因档距变化而引起的导线水平张力变化，模拟计算方法步骤如下：
(1)根据输电线路实际设计条件的档距和高差，确定导线型号和综合荷载g；
(2)根据导线型号，获得导线截面积A、导线弹性模量E和初始张力Tm；
(3)根据如上参数，获得悬垂串底部线夹最终水平偏转量△L，将△L平均分为n份水平位移量△l，△L＝n×△l；
(4)建立悬垂串偏转时底部线夹水平位移量△l与导线水平张力T关系：
其中，T为档距变化后导线水平张力，单位N；
l为导线实际档距，单位m；
△l为悬垂串底部线夹位移量，单位m；
Tm为导线初始水平张力，单位N；
g为导线综合荷载，单位N/m；
β为高差角，单位°；
E为导线弹性模量，单位MPa；
A为导线截面积，单位mm2；
代入前述确定的相应参数，可获得T-△l关系公式；
(5)根据T-△l关系公式，计算每增加一份△l的导线张力；
(6)绘制导线水平张力-档距变化量对应的T-△l关系理论曲线；
(7)根据△L＝n×△l和上述T-△l关系理论曲线，获得悬垂串底部线夹最终水平偏移量△L下的导线水平张力T；
本模拟计算方法，可以根据导线型号、导线档距等因素的变化，将百米以上档距的输电线路模拟缩短至数米距离内，在保证悬垂串受力特征与在原输电线路上一致的情况下，能准确有效的反映输电导线的张力变化，保证输电线路设计的准确性和可靠性，并极大降低了试验难度、风险和成本。
基于上述模拟计算方法的输电线路单档导线张力变化模拟试验装置，包括曲线状的轨道、位于轨道上端的定滑轮、置于轨道上且沿轨道滚动的动滑轮及通过定滑轮牵引动滑轮滚动的导线，所述导线连接有拉力计和位移计，所述动滑轮上悬挂有导线张力模拟附重；
模拟试验装置采用上述模拟计算方法获得的x-y函数关系作为轨道曲线形状，并在轨道上设置可沿轨道滚动的动滑轮，利用导线牵引动滑轮滚动，测量导线张力来模拟输电线路中某一档导线张力随档距增量(减量)的变化情况，并验证通过计算得到的导线张力曲线的准确性，整个模拟试验装置占地面积小，模拟精度高，节约了试验风险和成本，满足需要单档导线张力变化的试验场合。
其中上述轨道曲线的计算方法如下：
(1)根据设计要求确定所述定滑轮位置和选择动滑轮型号，其中所述轨道曲线下端部座标为(0，0)，位于轨道曲线上部的定滑轮中心与轨道曲线下端部的水平距离为a，定滑轮顶部与轨道曲线下端部的垂直距离为b，动滑轮直径为D；
(2)设定动滑轮在轨道曲线上的切点座标为(x，y)，对应的动滑轮圆心座标为得到动滑轮滚动dl时各微元之间关系：
其中，为动滑轮与轨道曲线接触点处的切线水平夹角；
(3)建立导线张力T和导线张力模拟附重GH的平衡关系式：
其中，θ为导线与x轴水平夹角；
GH为导线张力模拟附重；
(4)建立导线拉动长度微元dl和夹角之间的关系：
(5)根据T-△l关系公式，结合公式3～公式5，采用Matlab软件程序，计算出l-x和l-y的函数关系；
(6)依据l-x和l-y的函数关系，得到曲线模型x-y函数关系式，根据该曲线模型，完成轨道曲线的绘制；
通过轨道曲线的绘制并输出，完成曲线状轨道的制作，轨道曲线精确，满足单档导线张力变化的试验要求。
基于上述输电线路单档导线应力变化模拟试验装置的导线水平张拉试验，用于获取导线水平张力-档距变化量的实际对应关系，其试验步骤如下：
(1)将动滑轮置于轨道的下端部，通过拉力计测量并记录该位置的导线张力T；
(2)拉动动滑轮，通过位移计使动滑轮与轨道曲线的切点水平距离x增加值是△l的倍数，同时通过拉力计测量并记录该位置的导线张力T；
(3)以同样方法，测量并记录多个动滑轮切点水平位移值x和对应的导线张力T；
(4)绘制导线水平张力-档距变化量对应关系的T-△l关系实测曲线。
通过该导线张拉试验，获得T-△l关系实测曲线并与模拟计算得出的T-△l关系理论曲线对比，验证了该模拟计算方法对导线张力变化计算的准确性，具有灵活的可变性和适用性。
本发明的有益效果是：本模拟计算方法和模拟试验装置，可以根据导线型号、导线档距等因素的变化，将百米以上档距的输电线路模拟缩短至数米内，在保证悬垂串受力特征与在原输电线路上一致的情况下，能准确有效的反映相应输电导线的张力变化，保证输电导线设计的准确性和可靠性，并极大的降低了试验难度、试验风险和试验成本。
附图说明
图1是本发明的模拟试验装置的一种示意图。
图2是图1中的动滑轮受力示意图。
图3是图2中的动滑轮受力分解示意图。
图4是图1中的轨道曲线x-y函数关系曲线示意图。
图5是导线水平张力-档距变化量对应关系的T-△l关系实测曲线和理论曲线对照示意图。
图中1.轨道，2.定滑轮，3.动滑轮，4.导线，5.拉力计，6.位移计，7.导线张力模拟附重。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法，用于模拟输电线路因档距变化而引起的导线水平张力变化，模拟计算方法步骤如下：
(1)根据输电线路实际设计条件的档距和高差，确定导线型号和综合荷载g；
(2)根据导线型号，获得导线截面积A、导线弹性模量E和初始张力Tm；
(3)根据如上参数，获得悬垂串底部线夹最终水平偏转量△L，将△L平均分为n份水平位移量△l，△L＝n×△l；
(4)建立悬垂串偏转时底部线夹水平位移量△l与导线水平张力T关系：
其中，T为档距变化后导线水平张力，单位N；
l为导线实际档距，单位m；
△l为悬垂串底部线夹位移量，单位m；
Tm为导线初始水平张力，单位N；
g为导线综合荷载，单位N/m；
β为高差角，单位°；
E为导线弹性模量，单位MPa；
A为导线截面积，单位mm2；
代入前述确定的相应参数，可获得T-△l关系公式；
(5)根据T-△l关系公式，计算每增加一份△l的导线张力；
(6)绘制导线水平张力-档距变化量对应的T-△l关系理论曲线，如图5所示；
(7)根据△L＝n×△l和上述T-△l关系理论曲线，获得悬垂串底部线夹最终水平偏移量△L下的导线水平张力T；
一种输电线路单档导线张力变化模拟试验装置，如图1所示，包括曲线状的轨道1、位于轨道上端的定滑轮2、置于轨道上且沿轨道滚动的动滑轮3及通过定滑轮牵引动滑轮滚动的导线4，位于定滑轮一侧的导线连接有拉力计5和位移计6，动滑轮上悬挂有导线张力模拟附重7；
根据图2和图3所示动滑轮的受力情况，轨道曲线的计算方法如下：
(1)根据设计要求确定所述定滑轮位置和选择动滑轮型号，其中所述轨道曲线下端部座标为(0，0)，位于轨道曲线上部的定滑轮中心与轨道曲线下端部的水平距离为a，定滑轮顶部与轨道曲线下端部的垂直距离为b，动滑轮直径为D；
(2)设定动滑轮在轨道曲线上的切点座标为(x，y)，对应的动滑轮圆心座标为得到动滑轮滚动dl时各微元之间关系：
其中，为动滑轮与轨道曲线接触点处的切线水平夹角；
(3)建立导线张力T和导线张力模拟附重GH的平衡关系式：
其中，θ为导线与x轴水平夹角；
GH为导线张力模拟附重；
(4)建立导线拉动长度微元dl和夹角之间的关系：
(5)根据T-△l关系公式，结合公式3～公式5，采用Matlab软件程序，计算出l-x和l-y的函数关系；
(6)依据l-x和l-y的函数关系，得到曲线模型x-y函数关系式，根据该曲线模型，完成轨道曲线的绘制；
在上述模拟试验装置上，如图1所示，进行导线水平张拉试验，用于获取导线水平张力-档距变化量的实际对应关系，其试验步骤如下：
(1)将动滑轮置于轨道的下端部，通过拉力计测量并记录该位置的导线张力T；
(2)拉动动滑轮，通过位移计使动滑轮与轨道曲线的切点水平距离x增加值是△l的倍数，同时通过拉力计测量并记录该位置的导线张力T；
(3)以同样方法，测量并记录多个动滑轮切点水平位移值x和对应的导线张力T；
(4)绘制导线水平张力-档距变化量对应关系的T-△l关系实测曲线。
如图5所示，将T-△l关系实测曲线与T-△l关系理论曲线进行对比，可以发现两条曲线的相似度比较高，通过该模拟试验装置可以精确模拟出在档距民发生变化情况下的导线张力变化，提高设计的准确性和可靠性。
模拟试验时，根据具体的输电线路设计条件，取悬垂串两侧实际档距为300m，无高差，采用导线型号为LGJ-300/40，通过《电力工程高压送电线路设计手册(第二版)》第三章电线力学计算的内容，得到如下表的设计参数：
导线型号 弹性模量E 导线截面A 综合荷载g 初始张力Tm
单位 MPa mm2 N/m N
LGJ-300/40 73000 338.99 11.11 13546
依照模拟计算方法步骤3，取悬垂串最终水平偏转量△L为1m，水平位移量△l为0.025m，代入公式1，得到导线水平拉力T-△l关系如下：
T＝19.126Δl3-2.6644Δl2+9.7386Δl+13.479
取△l的增加值变化，可计算出相应的T值，并绘制出如图5所示的T-△l关系理论曲线。
依照模拟试验装置及相应的轨道曲线计算方法，取动滑轮直径D为0.2m，导线张力模拟附重GH为40kN，轨道曲线下端部到定滑轮中心的水平距离a为2.0m，轨道曲线下端部到定滑轮顶部的垂直距离b为0.8m，将前述得到的T-△l关系理论曲线的相关参数和D、GH、a、b四个参数值带入公式3和公式4，通过Matlab软件计算得到如图4所示的x-y函数关系。
将该x-y函数关系曲线经过加工并输出，形成模拟试验装置的轨道曲线，在所述的模拟试验装置上进行导线水平张拉试验，得到对应的T值和△l值的试验参数，绘制出如图5所示的T-△l关系实测曲线，从图中可以看出，本模拟试验装置可以有效模拟单档导线水平张力的变化。
在本发明的描述中，技术术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“纵”、“横”、“内”、“外”等表示方向或位置关系是基于附图所示的方向或位置关系，仅是为了便于描述和理解本发明的技术方案，以上说明并非对本发明作了限制，本发明也不仅限于上述说明的举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、增添或替换，都应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种输电线路单档导线张力变化模拟计算方法，用于模拟输电线路因档距变化而引起的导线水平张力变化，模拟计算方法步骤如下：
(1)根据输电线路实际设计条件的档距和高差，确定导线型号和综合荷载g；
(2)根据导线型号，获得导线截面积A、导线弹性模量E和初始张力Tm；
(3)根据如上参数，获得悬垂串底部线夹最终水平偏转量△L，将△L平均分为n份水平位移量△l，△L＝n×△l；
(4)建立悬垂串偏转时底部线夹水平位移量△l与导线水平张力T关系：
<mrow> <mfrac> <mi>l</mi> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>g</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>l</mi> <mn>3</mn> </msup> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> <mrow> <mn>24</mn> <msubsup> <mi>T</mi> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>m</mi> </msub> <mi>l</mi> </mrow> <mrow> <mi>E</mi> <mi>A</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>l</mi> </mrow> <mrow> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mi>g</mi> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> <mrow> <mn>24</mn> <msup> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>E</mi> <mi>A</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，T为档距变化后导线水平张力，单位N；
l为导线实际档距，单位m；
△l为悬垂串底部线夹位移量，单位m；
Tm为导线初始水平张力，单位N；
g为导线综合荷载，单位N/m；
β为高差角，单位°；
E为导线弹性模量，单位MPa；
A为导线截面积，单位mm2；
代入前述确定的相应参数，可获得T-△l关系公式；
(5)根据T-△l关系公式，计算每增加一份△l的导线张力；
(6)绘制导线水平张力-档距变化量对应的T-△l关系理论曲线；
(7)根据△L＝n×△l和上述T-△l关系理论曲线，获得悬垂串底部线夹最终水平偏移量△L下的导线水平张力T。
2.基于权利要求1所述输电线路单档导线张力变化模拟计算方法的输电线路单档导线张力变化模拟试验装置，其特征在于：所述模拟试验装置包括曲线状的轨道(1)、位于轨道上端的定滑轮(2)、置于轨道上且沿轨道滚动的动滑轮(3)及通过定滑轮牵引动滑轮滚动的导线(4)，所述导线连接有拉力计(5)和位移计(6)，所述动滑轮上悬挂有导线张力模拟附重(7)。
3.根据权利要求2所述的输电线路单档导线张力变化模拟试验装置，其特征在于，所述轨道曲线的计算方法如下：
(1)根据设计要求确定所述定滑轮位置和选择动滑轮型号，其中所述轨道曲线下端部座标为(0，0)，位于轨道曲线上部的定滑轮中心与轨道曲线下端部的水平距离为a，定滑轮顶部与轨道曲线下端部的垂直距离为b，动滑轮直径为D；
(2)设定动滑轮在轨道曲线上的切点座标为(x，y)，对应的动滑轮圆心座标为得到动滑轮滚动dl时各微元之间关系：
<mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>y</mi> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>l</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，为动滑轮与轨道曲线接触点处的切线水平夹角；
(3)建立导线张力T和导线张力模拟附重GH的平衡关系式：
其中，θ为导线与x轴水平夹角；
GH为导线张力模拟附重；
(4)建立导线拉动长度微元dl和夹角之间的关系：
(5)根据T-△l关系公式，结合公式3～公式5，采用Matlab软件程序，计算出l-x和l-y的函数关系；
(6)依据l-x和l-y的函数关系，得到曲线模型x-y函数关系式，根据该曲线模型，完成轨道曲线的绘制。
4.基于权利要求2所述的输电线路单档导线应力变化模拟试验装置的导线水平张拉试验，用于获取导线水平张力-档距变化量的实际对应关系，其试验步骤如下：
(1)将动滑轮置于轨道的下端部，通过拉力计测量并记录该位置的导线张力T；
(2)拉动动滑轮，通过位移计使动滑轮与轨道曲线的切点水平距离x增加值是△l的倍数，同时通过拉力计测量并记录该位置的导线张力T；
(3)以同样方法，测量并记录多个动滑轮切点水平位移值x和对应的导线张力T；
(4)绘制导线水平张力-档距变化量对应关系的T-△l关系实测曲线。
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