CN110941925A - 用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，属于特高压变电站架空线结构技术领域。它包括以下步骤：获取特高压变电站架空线结构的基础参数，架空线包括均选择扩径导线的跨线和引下线；采用悬链线方程分别对跨线、引下线找形；在有限元分析软件中，基于对跨线、引下线找形的曲线生成对应的跨线、引下线几何模型，并建立对应于架空线结构的附属零件几何模型，装配后生成架空线结构装配模型。本发明确立了变电站架空线结构的力学分析方法，根据导线实际工作情况对跨线和引下线的线条进行模拟，力学分析更趋近于实际。

Description

用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法

技术领域

本发明涉及特高压变电站架空线结构技术领域，具体涉及一种用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法。

背景技术

在特高压变电站工程中，特高压变压器、高压套管和避雷器是输电系统的重要组成部分。高压套管、避雷器上部一般通过人字形或II字形引下线与站内跨线相连接。一般的，跨线、引下线和跳线统称为架空线。为减小线路的电抗和电晕，增加载流量，降低电能损耗，特高压变电站中的架空线通常采用扩径导线。

扩径导线是以满足技术条件的常规导线规格为基准，采取扩大导线外径技术，在保证电晕所要求的导线外径前提下，减少导线的铝截面，从而减少导线的总重量，减少铁塔荷载和结构重量，极大地降低线路造价。扩径导线按用途分为两大类，一类扩径导线应用于变电站，另一类扩径导线应用于输电线路。变电站用扩径导线的主要功用是将电流从变压器引到输电线路上，距离通常只有几十米，不用考虑弧垂、张力等问题。由于变电站母线的分裂数通常小于线路导线分裂数，在两者的电磁噪声的环境限值相近的前提下，要求变电站母线的外径远大于线路用导线，所以此类扩径导线的特点是无钢芯，但扩径比较大。

在大风或某些其他恶劣天气环境中，变电站的架空线会发生风振或舞动，并导致跨线和引下线出现较大位移。这会对连接设备端部的形成较大的短时附加冲击载荷，可能会造成套管的屈曲变形甚至破断，使套管的绝缘性、密封性出现较大幅度的降低，并可能引发接地不良、漏油、进水等一系列次生问题，严重时会引发电器故障，需要对变压器进行停运检修，严重影响线路的工作安全性及供电可靠性。

公开于2019年8月16日的中国专利文献CN110135096A记载了一种管母线、引下线、金具系统的应力分析方法，包括获取建模所需参数；对引下线找形，并完成引下线的几何建模；计算引下线所受风荷载；采用梁单元作为引下线数值模拟的单元；分析管母线节点的约束形式，和引下线与管母线的相对位置的对管母线约束节点受力的影响，以及引下线的参数对引下线管母系统的受力影响，从而完成整个管母引下线系统的受力分析；建立金具的几何模型；将金具的几何模型导入ANSYS软件中划分网格，通过引下线管母系统得到管母节点的受力视为管母引下线联接金具受到的由引下线和管母线在风荷载作用下传来的作用力，选择一个具有代表性的典型工况作为金具的荷载来源，并将荷载通过MPC法加载到金具实体模型上；设置插销侧表面与金具底座滑槽内表面为接触对，设置接触参数，考虑摩擦，不考虑初始间隙和初始穿透，再进行静力非线性计算，得到金具的应力分布。该方法中，管母线、引下线、金具系统为普通的管母线及引下线，不能应用在分析特高压输电架空线力学特性上。而且，其虽然将导线视为悬链线，但其采用索结构找形理论确定导线弧垂方程及导线线长，完成导线的找形。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，以解决现有技术中不存在分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，包括以下步骤：

步骤a,获取特高压变电站架空线结构的基础参数，所述架空线结构包括跨线、引下线，所述引下线的端头固定有接线端子，所述跨线贯穿所述接线端子的穿线孔设置，所述跨线和所述引下线均选择扩径导线；

步骤b,采用悬链线理论分别对所述跨线、引下线找形，以获得对应于所述跨线的第一导线线型样条曲线、对应于所述引下线的第二导线线型样条曲线；具体包括以下分步骤：

步骤b1,建立空间任意位置的基于双曲余弦曲线构造的悬链线方程,确定导线跨距、导线的已知节点坐标，及导线两端的悬挂点坐标，所述导线为跨线或引下线；

步骤b2,将悬链线方程、导线跨距、导线的已知节点坐标，及导线两端的悬挂点坐标一并输入导线线型模拟软件，以获得导线线型模拟曲线；

步骤b3,根据导线线型模拟曲线，提取节点坐标，并将节点坐标导入有限元分析软件内，以在有限元分析软件内构造导线线型样条曲线，完成导线找形；

步骤c,在有限元分析软件中，基于第一导线线型样条曲线生成对应的跨线几何模型，基于第二导线线型样条曲线生成对应的引下线几何模型，并建立对应于架空线结构的附属零件几何模型，并将附属零件几何模型和引下线几何模型装配在跨线几何模型上生成架空线结构装配模型；

步骤d,设置所述架空线结构装配体的对应部件的材料属性；材料属性包括与力学性能相关的力学特性参数和质量属性参数；

步骤e，在有限元分析软件中对所述架空线结构装配模型进行网格划分，设定所述架空线结构装配模型的边界条件及载荷。

优选的，采用悬链线理论对导线找形的方法包括：确定所述导线跨距L、导线上的已知节点坐标(x₀,y₀)，以及导线两端的悬挂点坐标(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，将导线上的已知节点坐标、导线两端的悬挂点坐标和导线跨距值代入导线的线形方程公式

式中，a为悬链系数，L为导线跨距，(x₀,y₀)为导线上的已知节点坐标，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分别为导线两端的悬挂点坐标；

在导线线型模拟软件中绘制导线的线形曲线。

优选的，所述扩径导线为支撑型扩径导线。

进一步的，在所述步骤c中，所述扩径导线的几何模型为同心圆管，所述同心圆管的外壁为所述扩径导线的外接圆，所述同心圆管的内壁为所述扩径导线的内壁；所述扩径导线的几何模型的截面面积为

其中，D为同心圆管的外径，d为同心圆管的内径；所述扩径导线的几何模型的惯性矩为

其中，D为同心圆管的外径，d为同心圆管的内径。

进一步的，所述扩径导线选择铝管支撑型扩径导线，所述铝管支撑型扩径导线包括内支撑铝管、中包覆环层和外包覆环层，所述中包覆环层由螺旋包绕在所述内支撑导电管外表面的多根铝合金导线形成，所述外包覆环层由螺旋包绕在所述中包覆环层外的多根铝合金导线形成，且所述中包覆环层的铝合金导线螺旋方向与所述外包覆环层的铝合金导线螺旋方向相反。

优选的，在所述步骤e中，选择六面体网格模拟所述跨线和所述引下线；在设置所述六面体网格精度时，设定所述六面体网格的最小尺寸控制系数为0.1。

优选的，在所述步骤e中，在考虑作用在所述跨线及所述引下线上的风荷载和导线覆冰的因素下设定所述架空线结构装配模型的边界条件及载荷。

本发明的有益效果是：

变电站用扩径导线内部具有一条中空管，并在中空管的外表面包覆有多股细导线并绞制成包环，这种结构区别于现有的实心导线，因此，在有限元分析时需要考虑与实心导线的区别，比如中空管和多股细导线的截面面积、截面力矩特性等因素综合后对扩径导线受力分析的影响。如果忽略扩径导线内部的中空管结构，获得的架空线结构的力学特性会极大的偏离实际结果。虽然本领域技术人员明了扩径导线的具体结构，但本领域并不存在分析特高压变电站架空线结构力学特性的有效方法。

本发明将扩径对线等效为同心圆管结构，特别是扩径导线的截面特性参数的等效，极大的减少了运算量，提高力学特性分析效率。

本发明在模拟跨线和引下线时，根据导线实际工作情况对跨线和引下线的线条进行模拟，并结合扩径导线的截面形状制作跨线、引下线的实体几何模型，这样，模拟的效果更接近于实际的特高压变电站架空线结构力学特性。而在本发明中，采用悬链线理论，根据导线两端的悬挂点坐标及导线线长，基于双曲余弦曲线确定悬链线方程，完成导线的找形。索结构绷紧度较高，在变电站内考虑跨线及引下线上的风荷载和导线覆冰的因素，跨线并非索结构，而表现为双曲余弦曲线，所以采用双曲余弦曲线能够更好地模拟跨线的实际形状。

在有限元分析软件中选择六面体网格对架空线结构装配模型进行网格划分，相较于四面体网格，六面体网格的网格质量好，计算精度较高，更易收敛。在实体离散过程中，相同大小的网格尺寸，六面体网格数量较少，所需计算时间大大缩短。但对于几何形状不是十分规则的结构，无法直接获得六面体网格，需要划分大量时间进行调整细化；由于四面体网格可填充任何几何形状，所以，这种情况下可以采用四面体网格。

附图说明

图1为铝管支撑型扩径导线的截面图，其中，铝管内径为d，铝管外径为D_φ，铝合金导线丝的直径为d_i。

图2为采用本发明方法得到的跨线线形模拟曲线。

图3为采用本发明方法在有限元软件中获得的导线线型样条曲线。

图4为采用本发明方法制作的架空线间隔断面布置图。

图5为采用本发明方法制作的架空线结构的三维实体模型图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种用于分析特高压输电架空线结构力学特性的方法，包括以下步骤：

步骤a,获取待特高压输电架空线结构的基础参数，所述架空线结构包括跨线、引下线，所述引下线的端头固定有接线端子，所述跨线贯穿所述接线端子的穿线孔设置，所述跨线和所述引下线均选择扩径导线；

步骤b,采用悬链线理论分别对所述跨线、引下线找形，以获得对应于所述跨线的第一导线线型样条曲线、对应于所述引下线的第二导线线型样条曲线；悬链线找形法的优点是模型误差小，符合工程实际。具体的，采用悬链线理论分别对跨线、引下线找形的分步骤包括：

步骤b1,建立空间任意位置的基于双曲余弦曲线构造的悬链线方程,根据工程实际确定导线跨距、导线的已知节点坐标，及导线两端的悬挂点坐标，导线为跨线或引下线；

步骤b2,将悬链线方程、导线跨距、导线的已知节点坐标，及导线两端的悬挂点坐标一并输入导线线型模拟软件，以获得导线线型模拟曲线；MATLAB软件就是一款导线线型模拟软件。

步骤b3,根据导线线型模拟曲线，提取节点坐标，并将节点坐标导入有限元分析软件内，以在有限元分析软件内构造导线线型样条曲线，完成导线找形；

工程中，在已知导线跨距L、导线上的已知节点坐标(x₀,y₀)和导线两端的悬挂点坐标(x₁,y₁)，(x₂,y₂)的情况下，可根据如下公式，得到导线的线形方程：

式中，a为悬链系数，L为导线跨距，(x₀,y₀)为导线上的已知节点坐标，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分别为导线两端的悬挂点坐标；

将坐标点和跨距值代入上面公式，并在MATLAB中计算并绘制导线的线形曲线。取导线跨距长度为20.6m，导线两端挂点坐标分别为(-4014,27694.5)、(13846,30973.5)。图2示出了MATLAB软件中得到的导线线型模拟曲线，图3示出了有限元分析软件内构造的导线线型样条曲线。

步骤c,在有限元分析软件中，基于第一导线线型样条曲线生成对应的跨线几何模型，基于第二导线线型样条曲线生成对应的引下线几何模型，并建立对应于架空线结构的附属零件几何模型，并将附属零件几何模型和引下线几何模型装配在跨线几何模型上生成架空线结构装配模型；参见图4示出了架空线间隔断面布置图，图5示出了架空线结构的三维实体模型图。

优选的，所述扩径导线选择铝管支撑型扩径导线。铝管支撑型扩径导线包括内支撑铝管、中包覆环层和外包覆环层，所述中包覆环层由螺旋包绕在所述内支撑导电管外表面的多根铝合金导线形成，所述外包覆环层由螺旋包绕在所述中包覆环层外的多根铝合金导线形成，且所述中包覆环层的铝合金导线螺旋方向与所述外包覆环层的铝合金导线螺旋方向相反。其中，可以采用下面的方法建立对应于所述扩径导线的几何模型。

由于分析特高压输电架空线力学特性时，具体到跨线、引下线及接线端子的具体结构，在考察该结构在风振及舞动时对接线端子力学特性的影响时，并不需要关注导线某一局部及其内部的相互接触问题。因此，为了降低本方法对设备硬件要求，缩减分析时间，可以将扩径导线的截面等效简化为同心圆管，也就是建立对应于同心圆管的几何模型，在所述同心圆管对应于所述扩径导线的某一截面位置，所述同心圆管的外壁为所述扩径导线的外接圆，所述同心圆管的内壁为所述扩径导线的内壁；若为其他形式的支撑型扩径导线，可仿照此方法获得对应的同心圆管的尺寸。

此时，同心圆管的截面面积

可以近似等效为扩径导线截面面积

其中，m为中包覆环层的铝合金导线根数，n为外包覆环层的铝合金导线根数，d_i为铝合金导线丝的直径，D为同心圆管的外径，d为同心圆管的内径；D_φ为内支撑铝管外径，内支撑铝管内径为d。

同心圆管的惯性矩

可以近似等效于扩径导线的惯性矩，其中，D为同心圆管的外径，d为同心圆管的内径；

步骤d,设置所述架空线结构装配体的对应部件的材料属性；材料属性包括与力学性能相关的力学特性参数和质量属性参数。本实施例中，架空线结构使用的材料均为各相同性材料，只需设置其弹性模量与泊松比等材料力学性能参数即可；这里，通过指定其材料密度来表征质量属性，各零部件的材料属性如表1。

表1架空线结构装配体中各部件的材料参数

步骤e，在有限元分析软件中对所述架空线结构装配模型进行网格划分，设定所述架空线结构装配模型的边界条件及载荷。

对所述架空线结构装配模型进行网格划分包括确定实体网格形状、设置实体网格精度和网格划分方式。优选的，本实施例选择六面体网格模拟跨线及引下线，并辅以四面体网格模拟某些几何形状较为复杂的部位。完成实体网格形状即网格类型确定后，需进行实体网格精度设定。设置实体网格精度时，需要兼顾网格数量及模型求解精度，并同时设定最小尺寸控制系数为0.1。具体的还需要针对每个零部件大小分别进行实体网格精度设定。某些局部区域以及在模型过度区域需根据实际需要重新在该区域设定实体网格精度，以进行局部网格控制。由于架空线结构装配模型中绝大多数零部件为形状规则，因此，网格划分方式采用结构网格划分方式。对于某些局部不规则的区域，可对模型进行布尔分割，将其规整为多个较为规则的模块。

求解精度指的是运用求解方法得到的测量值与目标真值的接近程度,这里所说的模型求解精度是指对该模型使用有限元方法计算得到的数值解与其试验测量值的比值。

表2本发明选择网格精度时的核算数据

网格精度(mm)	网格数量(个)	模型求解精度	计算时间(h)
				20	202150	0.716	0.5
10	701786	0.832	2
				5	3474703	0.923	6
2	57540103	0.936	10.5

为保证网格质量，避免出现网格畸变，网格划分完成后，需再进行网格质量检查。网格检查包括：形状检查、尺寸检查和分析检查。在对网格进行形状检查时，当采用四面体网格时要着重关注其形状因子，以判断其网格体积与具有与该网格相同的外接圆半径的四面体体积之比，通常这个值应控制在0～1。

另外，为避免网格产生畸变，应检查网格面的顶角是否出现钝角。在完成形状检查后，还要对网格尺寸进行检查，查看划分后的网格最大和最小边是否超出预先设定范围，最大边的预先设定值即为在进行网格划分时所设定的网格精度尺寸；最小边的设定值与网格精度及最小尺寸控制系数有关，最小边＝网格精度×最小尺寸控制系数，最小尺寸控制系数一般选择0.1～0.15。并进行分析检查，查看划分网格过程中是够出现警告及错误，并针对提示及时进行处理，以确保网格质量。

设定所述架空线结构装配模型的载荷及边界条件时，需要考虑不同的工程实际场合下，载荷及边界条件的差别，并根据工程实际需要进行确定。但在确定实际工况时，必须考虑作用在跨线及引下线上的风荷载，及导线覆冰的影响。风荷载及导线覆冰是户外工作构件最常遇到也是最主要的外部载荷，以本模型为例，引跨线系统承受9级风载(风速17m/s)同时导线有10mm厚覆冰。在确定系统载荷时，应根据风荷载计算方法得到作用在导线上的风载大小，这里需特别注意计算风荷载时要考虑到风压高度变化系数，对引下线施加的风载应是随高度变化的。考虑导线覆冰的影响时，可计算出10mm后覆冰的质量。然后将覆冰载荷以均布载荷形式施加在导线上。由于导线覆冰后其迎风截面会增大，当考虑导线覆冰时，上述的风荷载计算方法在确定导线风载时应根据覆冰厚度计算处增大的迎风截面积，以覆冰后的实际迎风截面积计算导线风载。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a,获取特高压变电站架空线结构的基础参数，所述架空线结构包括跨线、引下线，所述引下线的端头固定有接线端子，所述跨线贯穿所述接线端子的穿线孔设置，所述跨线和所述引下线均选择扩径导线；

步骤b,采用悬链线理论分别对所述跨线、引下线找形，以获得对应于所述跨线的第一导线线型样条曲线、对应于所述引下线的第二导线线型样条曲线；具体包括以下分步骤：

步骤b1,建立空间任意位置的基于双曲余弦曲线构造的悬链线方程,确定导线跨距、导线上的已知节点坐标和导线两端的悬挂点坐标，所述导线为跨线或引下线；

步骤b2,将悬链线方程、导线跨距、导线的已知节点坐标，及导线两端的悬挂点坐标一并输入导线线型模拟软件，以获得导线线型模拟曲线；

步骤b3,根据导线线型模拟曲线，提取节点坐标，并将节点坐标导入有限元分析软件内，以在有限元分析软件内构造导线线型样条曲线，完成导线找形；

步骤c,在有限元分析软件中，基于第一导线线型样条曲线生成对应的跨线几何模型，基于第二导线线型样条曲线生成对应的引下线几何模型，并建立对应于架空线结构的附属零件几何模型，并将附属零件几何模型和引下线几何模型装配在跨线几何模型上生成架空线结构装配模型；

步骤d,设置所述架空线结构装配体的对应部件的材料属性；材料属性包括与力学性能相关的力学特性参数和质量属性参数；

步骤e，在有限元分析软件中对所述架空线结构装配模型进行网格划分，设定所述架空线结构装配模型的边界条件及载荷。

2.如权利要求1所述的用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，采用悬链线理论对导线找形的方法包括：确定所述导线跨距L、导线上的已知节点坐标(x₀,y₀)，以及导线两端的悬挂点坐标(x₁,y₁)、(x₂,y₂)，将导线上的已知节点坐标、导线两端的悬挂点坐标和导线跨距值代入导线的线形方程公式

式中，a为悬链系数，L为导线跨距，(x₀,y₀)为导线上的已知节点坐标，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分别为导线两端的悬挂点坐标；

在导线线型模拟软件中绘制导线的线形曲线。

3.如权利要求1所述的用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，所述扩径导线选择支撑型扩径导线。

4.如权利要求3所述的用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，所述支撑型扩径导线选择铝管支撑型扩径导线。

5.如权利要求4所述的用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，在所述步骤c中，所述扩径导线的几何模型为同心圆管，所述同心圆管的外壁为所述扩径导线的外接圆，所述同心圆管的内壁为所述扩径导线的内壁；所述扩径导线的几何模型的截面面积为

其中，D为同心圆管的外径，d为同心圆管的内径；所述扩径导线的几何模型的惯性矩为

其中，D为同心圆管的外径，d为同心圆管的内径。

6.如权利要求1所述的用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，在所述步骤e中，选择六面体网格模拟所述跨线和所述引下线；在设置所述六面体网格精度时，设定所述六面体网格的最小尺寸控制系数为0.1。

7.如权利要求1所述的用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法，其特征在于，在所述步骤e中，在考虑作用在所述跨线及所述引下线上的风荷载和导线覆冰的因素下设定所述架空线结构装配模型的边界条件及载荷。

Images