CN108416097A - 地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法 - Google Patents

地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法 Download PDF

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刘刚
郭德明
陈星宇
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    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Abstract

本发明公开了一种地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，首先通过实验获取架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻的阻值；计算得到该接触电阻对应的接触面积；根据接触电阻和接触面积，计算出热流密度；建立地线与预绞丝的三维模型，并在接触端口的接触面积处加载计算得到的热流密度；最后，设计大电流温升实验，验证有限元仿真结果。本发明提供的方法，避免了在有限元仿真中对于复杂接触界面的建模要求，具有普遍推广使用的意义。

Description

地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法
技术领域
本发明涉及电网及过热分析研究技术领域，特别涉及一种地线与预绞丝接触端口的接触电阻有限元热分析等效方法。
背景技术
架空地线因过热导致断线的事故时有发生，致使大面积电网停电，严重影响电网的安全稳定运行。现有研究表明，当工频短路电流流经地线，在地线与预绞丝接触端口处，电流因集肤效应往预绞丝处扩散，地线与预绞丝接触端口的接触电阻是导致地线过热断线的一个重要因素。因此，对于地线与预绞丝接触端口过热分析研究，考虑接触电阻的存在是一个不可缺失的环节。
目前对于过热分析研究，有限元仿真计算是主要的手段之一。在有限元仿真中，对于复杂的接触界面进行几何建模难以实现，因此对于接触界面接触电阻进行等效设置是一个主要的解决途径，也是需要解决的一大难点。基于此，针对有限元仿真计算中接触电阻等处理问题，提出一种基于地线与预绞丝接触端口的接触电阻有限元热分析等效方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，避免了对复杂接触界面的几何建模，直接在接触界面加载接触电阻对应的热流密度，同时不影响地线与预绞丝接触端口的传热情况，减少了仿真工作所需时间。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，包括以下步骤：
1、通过实验获取架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻的阻值；
2、计算得到该接触电阻对应的接触面积；
3、根据实验得到的接触电阻和计算得到的接触面积，计算出热流密度；
4、建立地线与预绞丝的三维模型，并在接触端口的接触面积处加载计算得到的热流密度；
5、设计大电流温升实验，验证有限元仿真结果。
优选的，步骤1中，通过实验获取架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻阻值，所采用的实验测量方法为交流压降法或者热电法；交流压降法可以通过欧姆定律直接得到接触电阻，热电法则是通过电阻的热效应间接求取。
优选的，步骤2中，先获得该接触电阻的轴向等效接触长度d和截面的环形接触长度l这两个参数，接触面积S＝dl。
具体的，上述两个尺寸参数通过计算公式或者有限元仿真计算。
优选的，步骤2中接触面积通过Morgan的径向应力推导直接得到。
具体的，接触面积其中，d为接触电阻的轴向等效接触长度；Fr为单位长度地线表面径向所受的力；f为钢的屈服强度；Fr的可通过单位长度地线表面所受的总应力T与预绞丝螺旋角α2以及单根钢丝的直径dwire计算得到：
地线表面所受的总应力T和螺旋角α可由以下两式求解：
其中，T’为单位长度地线总应力；α1和m1分别为地线表面层的螺旋角和线股节径比，m2为预绞丝线股的节径比。
优选的，步骤3中，根据接触电阻以及接触面积计算接触电阻产生的热流密度，如下式：
式中，q为热流密度，I为加载的电流，Rc为接触电阻，S为接触面积。
优选的，步骤4中，收集地线和预绞丝的尺寸参数，利用有限元仿真软件ANSYS或者comsol建立地线与预绞丝的三维模型；添加激励时在预绞丝与地线接触部位加载上一步骤计算得到的接触电阻产生的热流密度。
优选的，步骤5中，利用大电流发生器设计地线与预绞丝的温升实验平台，加载一定电流得到地线与预绞丝接触端口的温升数据，结合仿真得到的数据进行验证分析。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明通过计算得到接触电阻的热流密度，加载至地线与预绞丝接触端口，以准确分析地线与预绞丝接触端口的温升情况。避免了对复杂接触界面的几何建模，直接在接触界面加载接触电阻对应的热流密度，同时不影响地线与预绞丝接触端口的传热情况，减少了仿真工作所需时间。
附图说明
图1为实施例基于地线与预绞丝接触端口的接触电阻有限元热分析等效方法流程图。
图2为实施例地线与预绞丝接触端口轴向电流密度分布示意图。
图3为实施例地线与预绞丝接触端口结构图。
图4为实施例地线与预绞丝接触端口径向示意图。
图5为实施例温升实验系统原理图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种地线与预绞丝接触端口的接触电阻有限元热分析等效方法，步骤流程图如图1所示，主要包括以下步骤：
步骤1，通过实验获取架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻的阻值；
步骤2，在地线与预绞丝接触端口处，接触电阻产生的热效应因电流在此处扩散所致，利用有限元电磁仿真或者解析计算得到该接触电阻对应的接触面积；
步骤3，根据实验得到的接触电阻和计算得到的接触面积，计算出热流密度；
步骤4，利用有限元仿真软件ANSYS或者comsol建立地线与预绞丝的三维模型，并在接触端口的接触面积处加载计算得到的热流密度；
步骤5，设计大电流温升实验，验证有限元仿真结果。
所述步骤1，架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻为交流接触电阻，难以用四线法直接测量。通过实验测量获取地线与预绞丝接触端口的接触电阻，测量方法有交流电压降法、热电法等。以交流电压降法为例，加载一定大小的交流电流I，测量得到地线与预绞丝接触端口两端的电压U以及功率因数并通过式(1)计算出接触电阻。
所述步骤2，一种计算接触面积的方法是：首先计算得到接触电阻的轴向等效接触长度和截面的环形接触长度。
对于接触电阻的轴向等效接触长度，如图2中的d所示。等效接触长度d可以通过有限元电磁仿真计算或者电磁解析计算得到。
地线与预绞丝接触端口的结构图以及径向接触情况如图3和图4所示。接触部位均出现在相邻两层线股凸起部位。径向接触长度l(即截面的环形接触长度)如图4中的红线所示。接触长度l的求解利用结构力学的计算公式或者有限元仿真计算获得。
接触面积由式(2)可以求解。
S＝dl (2)
其次，也可以采用绞线径向应力推导接触面积的方法，如式(3)所示。
其中，d为等效接触长度，Fr为单位长度地线表面径向所受的力，单位N；f为钢的屈服强度，单位Mpa。Fr可通过单位长度地线表面所受的总应力T与预绞丝螺旋角α2以及单根钢丝的直径dwire计算得到。
地线表面所受的总应力T和螺旋角α可由以下两式求解。
其中，T’为单位长度地线总应力，单位Mpa，一般取为最小破拉断力的20％；α1和m1分别为地线表面层的螺旋角和线股节径比，m2为预绞丝线股的节径比。
所述步骤3，根据步骤1和步骤2得到的接触电阻和接触面积，通过式(6)求得接触电阻的热流密度。
所述步骤4，利用ANSYS或者comsol有限元仿真软件建立地线与预绞丝接触端口的三维几何模型。添加激励时，在接触端口处加载接触电阻等效的热流密度。最终基于此仿真模型进行传热分析。
所述步骤5，设计地线与预绞丝接触端口的温升实验，通过加载一定的交流电流，获取该部位离散点的温度分布，实验装置如图5所示。
综上所述，一种可靠的接触电阻有限元热分析的等效方法，避免在有限元仿真中对于复杂接触界面的建模要求，减少了仿真工作量，且不影响研究对象的传热情况，具有普遍推广使用的意义。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过实验获取架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻的阻值；
S2、计算得到该接触电阻对应的接触面积；
S3、根据实验得到的接触电阻和计算得到的接触面积，计算出热流密度；
S4、建立地线与预绞丝的三维模型，并在接触端口的接触面积处加载计算得到的热流密度；
S5、设计大电流温升实验，验证有限元仿真结果。
2.根据权利要求1所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，步骤S1中，通过实验获取架空地线与预绞丝接触端口的接触电阻阻值，所采用的实验测量方法为交流压降法或者热电法；交流压降法可以通过欧姆定律直接得到接触电阻，热电法则是通过电阻的热效应间接求取。
3.根据权利要求1所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，步骤S2中，先获得该接触电阻的轴向等效接触长度d和截面的环形接触长度l这两个参数，接触面积S＝dl。
4.根据权利要求3所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，其中两个尺寸参数通过计算公式或者有限元仿真计算。
5.根据权利要求1所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，步骤S2中接触面积通过Morgan的径向应力推导直接得到。
6.根据权利要求1或5所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，接触面积其中，d为接触电阻的轴向等效接触长度；Fr为单位长度地线表面径向所受的力；f为钢的屈服强度；Fr的可通过单位长度地线表面所受的总应力T与预绞丝螺旋角α2以及单根钢丝的直径dwire计算得到：
地线表面所受的总应力T和螺旋角α可由以下两式求解：
其中，T’为单位长度地线总应力；α1和m1分别为地线表面层的螺旋角和线股节径比，m2为预绞丝线股的节径比。
7.根据权利要求1所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，步骤S3中，根据接触电阻以及接触面积计算接触电阻产生的热流密度，如下式：
式中，q为热流密度，I为加载的电流，Rc为接触电阻，S为接触面积。
8.根据权利要求1所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，步骤S4中，收集地线和预绞丝的尺寸参数，利用有限元仿真软件ANSYS或者comsol建立地线与预绞丝的三维模型；添加激励时在预绞丝与地线接触部位加载上一步骤计算得到的接触电阻产生的热流密度。
9.根据权利要求1所述的地线与预绞丝接触端口接触电阻的有限元热分析等效方法，其特征在于，步骤S5中，利用大电流发生器设计地线与预绞丝的温升实验平台，加载一定电流得到地线与预绞丝接触端口的温升数据，结合仿真得到的数据进行验证分析。
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