CN111753456B - 一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统 - Google Patents

一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统 Download PDF

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CN111753456B CN202010618693.6A CN202010618693A CN111753456B CN 111753456 B CN111753456 B CN 111753456B CN 202010618693 A CN202010618693 A CN 202010618693A CN 111753456 B CN111753456 B CN 111753456B
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Abstract

本申请涉及一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统，方法包括以下步骤：步骤10，选取长l导线建立试验模型，选取不同分布荷载分别模拟不同地形的导线所受载荷；步骤20，模拟子导线和间隔棒；步骤30，扭矩荷载加载于所述节点，针对所述间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系；步骤40，将所述间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T‑θ关系曲线及对应工况的Tmax。本发明基于扭矩‑扭转角关系曲线着重研究间隔棒数目、初始水平张力和分裂数对分裂导线扭转刚度和翻转倾覆扭矩的影响，为分裂导线防翻转倾覆设计提供参考。

Description

一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统
技术领域
本申请属于输配电技术领域，尤其是涉及一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统。
背景技术
自上世纪九十年代至今，分裂线路的翻转故障时有发生，难以杜绝，不仅对电网安全运行构成了很大威胁，对此类故障的修复也造成了较大的人力物力损失。现有调查研究表明，二、四、六分裂线路均有翻转故障发生，涵盖220kV～750kV电压等级。研究多种参数对大档距多分裂导线扭转及翻转特性的影响，对于提升其抗扭转倾覆能力以实现线路防翻转优化设计方法，有着十分重要的意义。
目前除对实际事故的调查分析外，鲜有针对分裂导线翻转问题的研究。针对已发生事故的调查统计表明，大档距(500m以上)线路更易发生翻转扭绞故障。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中分裂导线翻转问题的研究的不足，从而提供一种防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，包括以下步骤：
步骤10，选取长导线建立试验模型，选取不同分布荷载分别模拟不同地形的导线所受载荷；
步骤20，模拟子导线和间隔棒，所述子导线和间隔棒各包含若干个节点，每个所述子导线的节点含若干个自由度，每个所述间隔棒的节点含若干个自由度，所述子导线和间隔棒通过自由度缩聚实现耦合连接；
步骤30，扭矩荷载加载于所述节点，针对所述间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系，基于T-θ关系曲线以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性；
步骤40，将所述间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ关系曲线及对应工况的Tmax。
在其中一个实施例中，所述步骤10中，选取长l导线建立试验模型，选取满布均匀荷载、满布矩形荷载、满布对称三角形荷载、(1/4、2/4、3/4)l布置对称三角形荷载四种形式的分布荷载；所述步骤20中，所述子导线和间隔棒各包含2个节点，每个所述子导线的节点含4个自由度，每个所述间隔棒的节点含6个自由度。
在其中一个实施例中，所述步骤10中：
所述荷载形式由均匀分布趋向跨中集中分布。
在其中一个实施例中，所述步骤20中：
模拟子导线时，导线抗扭刚度由以下式确定：
ks＝α(G1Ip1+G2Ip2)
式中，α为风攻角，G1为钢材的切变模量；G2为铝材的切变模量；Ip1、Ip2分别为所述导线的钢芯和铝包线的截面积惯性矩。
在其中一个实施例中，所述钢材的切变模量G1为81GPa、G2铝材的切变模量为27GPa，所述导线扭转刚度ks＝112.0N·m2/rad。
在其中一个实施例中，所述步骤30中：
扭矩荷载加载于所述节点时，依据分布荷载mi(x)其中，i＝1,2,3,…,l/Δx-1，每隔单位长度Δx，等效代换为小量的集中荷载Mi并施加于各子导线节点上，各小量集中荷载的和即为T，满足
Figure BDA0002562293550000031
Figure BDA0002562293550000032
在其中一个实施例中，所述导线为680m档距四或六分裂线路。
在其中一个实施例中，所述导线初始水平张力为27.65Nmax、相应垂度为25.09m，其中，Nmax为导线的额定抗拉力。
在其中一个实施例中，所述步骤40中：
所述间隔棒数目由1增至9并均匀布置，获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ曲线及对应工况的临界倾覆扭矩Tmax。
一种适用于防导线翻转的间隔棒使用系统，包括：
建模模块，用于选取长导线建立试验模型，选取分布荷载；
模拟模块，用于模拟子导线和间隔棒，所述子导线和间隔棒各包含若干个节点，每个所述子导线的节点含若干个自由度，每个所述间隔棒的节点含若干个自由度，所述子导线和间隔棒通过自由度缩聚实现耦合连接；
加载模块，用于将扭矩荷载加载于所述节点，针对所述间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系，基于T-θ关系曲线以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性；
运算模块，用于将所述间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ关系曲线及对应工况的Tmax。
本发明的有益效果是：本发明防导线翻转的间隔棒使用方法及使用系统，基于显式通用非线性动力分析，采用动力松弛法实现分裂导线受扭翻转过程的准静态模拟，使得导线模型在递增扭矩作用下发生缓慢而平稳的持续扭转变形，直至完全翻转，基于扭矩-扭转角关系曲线着重研究间隔棒数目、初始水平张力和分裂数对分裂导线扭转刚度和翻转倾覆扭矩的影响，为分裂导线防翻转倾覆设计提供参考。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
图1是本申请实施例的防导线翻转的间隔棒使用方法流程示意图；
图2是本申请实施例的满布均匀荷载示意图；
图3是本申请实施例的满布矩形荷载示意图；
图4是本申请实施例的满布对称三角形荷载示意图；
图5是本申请实施例的(1/4～3/4)l布置对称三角形荷载示意图；
图6是本申请实施例的分布荷载等效代换示意图之一；
图7是本申请实施例的分布荷载等效代换示意图之二；
图8是本申请实施例满布均匀荷载的不同间隔棒数目条件下分裂导线的总扭矩-扭转角关系曲线；
图9是本申请实施例满布矩形荷载的不同间隔棒数目条件下分裂导线的总扭矩-扭转角关系曲线；
图10是本申请实施满布对称三角形荷载的不同间隔棒数目条件下分裂导线的总扭矩-扭转角关系曲线；
图11是本申请实施例(1/4、2/4、3/4)l布置对称三角形荷载的不同间隔棒数目条件下分裂导线的总扭矩-扭转角关系曲线；
图12是本申请实施例的1间隔棒数目条件下分裂导线扭矩-扭转角关系曲线；
图13是本申请实施例的3间隔棒数目条件下分裂导线扭矩-扭转角关系曲线；
图14是本申请实施例的5间隔棒数目条件下分裂导线扭矩-扭转角关系曲线；
图15是本申请实施例的7间隔棒数目条件下分裂导线扭矩-扭转角关系曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。
发明原理：依据分裂导线力学基本关系并结合量纲分析法，建立双尺度的缩尺模型相似关系，设计并研制了一套研究分裂导线扭转及翻转特性的缩尺模型试验装置；同时，基于LS-DYNA显式分析方法，采用动力松弛法实现分裂导线受扭翻转过程的准静态模拟，也使得导线模型在递增扭矩作用下发生缓慢而平稳的持续扭转变形，直至完全翻转。以某680m档距线路为例，同时采用缩尺模型试验、LS-DYNA显式分析和ANSYS隐式分析(即利用通用有限元分析软件)三种途径，基于扭矩-扭转角关系曲线着重研究间隔棒数目、初始水平张力和分裂数对分裂导线扭转刚度和翻转倾覆扭矩的影响，为分裂导线防翻转倾覆设计提供参考。
请参考图1，一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，包括以下步骤：
步骤10，选取长导线建立试验模型，选取不同分布荷载分别模拟不同地形的导线所受载荷；
步骤20，模拟子导线和间隔棒，子导线和间隔棒各包含若干个节点，每个子导线的节点含若干个自由度，每个间隔棒的节点含若干个自由度，子导线和间隔棒通过自由度缩聚实现耦合连接；
步骤30，扭矩荷载加载于节点，针对间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系，基于T-θ关系曲线以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性；
步骤40，将间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ关系曲线及对应工况的Tmax。
在其中一个实施例中，步骤10中，选取长l导线建立试验模型，选取满布均匀荷载、满布矩形荷载、满布对称三角形荷载、(1/4、2/4、3/4)l布置对称三角形荷载四种形式的分布荷载；步骤20中，子导线和间隔棒各包含2个节点，每个子导线的节点含4个自由度，每个间隔棒的节点含6个自由度。
在其中一个实施例中，所述步骤10中：
所述荷载形式由均匀分布趋向跨中集中分布。
在其中一个实施例中，所述步骤20中：
采用简化为圆形截面的三维线性有限应变梁单元模拟子导线，模拟子导线时，导线抗扭刚度由以下式确定：
ks＝α(G1Ip1+G2Ip2)
式中，α为风攻角，G1为钢材的切变模量；G2为铝材的切变模量；Ip1、Ip2分别为所述导线的钢芯和铝包线的截面积惯性矩。
在其中一个实施例中，所述钢材的切变模量G1为81GPa、G2铝材的切变模量为27GPa，所述导线扭转刚度ks＝112.0N·m2/rad。
在其中一个实施例中，所述步骤30中：
扭矩荷载加载于所述节点时，依据分布荷载mi(x)(i＝1,2,3,…,l/Δx-1)每隔单位长度Δx，等效代换为小量的集中荷载Mi(i＝1,2,3,…,l/Δx-1)并施加于各子导线节点上，各小量集中荷载的和即为T，应满足
Figure BDA0002562293550000081
Figure BDA0002562293550000082
在其中一个实施例中，所述导线为680m档距四或六分裂线路。
在其中一个实施例中，
所述导线初始水平张力为27.65Nmax、相应垂度为25.09m。Nmax为导线的额定抗拉力。
在其中一个实施例中，所述步骤40中：
所述间隔棒数目由1增至9并均匀布置，获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ曲线及对应工况的临界倾覆扭矩Tmax。
实施例还公开了一种适用于防导线翻转的间隔棒使用系统，包括：
建模模块，用于选取长导线建立试验模型，选取不同分布荷载分别模拟不同地形的导线所受载荷；
模拟模块，用于模拟子导线和间隔棒，所述子导线和间隔棒各包含若干个节点，每个所述子导线的节点含若干个自由度，每个所述间隔棒的节点含若干个自由度，所述子导线和间隔棒通过自由度缩聚实现耦合连接；
加载模块，用于将扭矩荷载加载于所述节点，针对所述间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系，基于T-θ关系曲线以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性；
运算模块，用于将所述间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ关系曲线及对应工况的Tmax。
实施情景：经过调研，翻转现象破坏性大，但导线翻转故障出现情况相对较少。从已经发生的故障统计数据可知，导线翻转一般伴随覆冰和大风，导线翻转后容易造成局部磨损，绝大多数的翻转均在垭口地区发生，与高差因素影响不明显。
为了找出易发生翻转的条件，我们选取如图2满布均匀荷载、图3满布矩形荷载、图4满布对称三角形荷载、图5(1/4～3/4)l布置对称三角形荷载四种基本形式的分布荷载展开分裂导线扭转特性研究，荷载形式由均匀分布趋向跨中集中分布。T为施加于导线结构的总扭矩荷载。
我们所采用的连接杆单元(LINK杆单元)，仅含三个平动自由度UX、UY、UZ，因此无法对该单元进行扭矩加载。此外，子导线还可采用BEAM梁单元模拟。不同于LINK单元，BEAM单元含三个平动自由度UX、UY、UZ以及三个弯曲自由度ROTX、ROTY和ROTZ(不计翘曲自由度WARP)，且可承受压力。采用简化为圆形截面的BEAM单元模拟子导线，考虑到真实子导线抗弯刚度远小于其抗拉刚度，故此处建模时执行释放BEAM单元ROTY和ROTZ两自由度的命令。需说明，子导线在承受纯扭矩作用时始终处于受拉状态，故采用BEAM单元模拟子导线也可满足实际情况要求。采用LINK杆单元模拟子导线忽略了导线的自身扭转刚度，因此计算结果较实际有所偏小；采用BEAM单元模拟子导线时，其抗扭刚度由式(1)确定：
ks＝α(G1Ip1+G2Ip2)
式中，G1为钢材的切变模量，取81GPa；G2为铝材的切变模量，取27GPa；Ip1、Ip2分别为钢芯和铝包线的截面积惯性矩，情景涉及的导线型号为LGJ-300/40，导线自身扭转刚度ks＝112.0N·m2/rad。对于分裂导线的整体扭转而言，子导线的自身扭转刚度贡献有限，因此BEAM单元模拟结果仅略大于LINK单元，在整体规律上的表现是一致的。
间隔棒单元亦采用BEAM单元模拟。子导线单元和间隔棒单元均含2个节点，前者每个节点含4个自由度，后者含6个自由度，两者通过自由度缩聚实现耦合连接。
扭矩荷载需加载于节点上，如图6、图7所示，遵循荷载等效原则，依据分布荷载mi(x)(i＝1,2,3,…,l/Δx-1)每隔单位长度Δx，等效代换为小量的集中荷载Mi(i＝1,2,3,…,l/Δx-1)，并施加于各子导线节点上，各小量集中荷载的和即为T。
Figure BDA0002562293550000111
Figure BDA0002562293550000112
仍针对间隔棒数目和初始水平张力参数，分别以680m档距四、六分裂线路为例，依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系。基于T-θ关系曲线，以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性。
间隔棒数目对扭转及翻转特性的影响：控制导线初始水平张力为27.6％Nmax，相应垂度为25.09m，其余因素不变，间隔棒数目由1增至9，均匀布置，不同形式分布扭矩作用下的T-θ曲线及对应工况的Tmax如图8-11所示。可见，当扭矩荷载分布形式相同时，随着间隔棒数目由1增至9，分裂导线T-θ曲线斜率与最大总扭矩Tmax均显著增大，但增幅逐渐减小；当间隔棒数目一定时，随着荷载的分布形式由均匀趋于集中时，分裂导线所能承受的最大总扭矩Tmax逐渐减小。以上结果表明，在分布扭矩荷载作用下，增加间隔棒数目可提升分裂导线的抗扭转及翻转倾覆能力，呈现出与集中扭矩荷载作用情况类似的特点；但随着间隔棒数目增多，其提升效果逐渐减弱，这与集中扭矩作用情况有所不同。当线路参数一定时，扭矩荷载分布形式越集中，分裂导线的抗扭转能力越弱。
经过计算发现，载荷越集中，翻转越容易发生，而垭口正是集中载荷易发生的地区。所以可以判定，垭口情景为导线翻转易发区，在此地区采取防翻转措施经济效益最高。
此外，当控制导线初始水平张力为27.6％Nmax，相应垂度为25.09m，其余因素不变，间隔棒数目由1增至7，加载点位于跨中，对应工况为1-4，由三种方法所得T-θ曲线，以及缩尺模型试验(TEST)和ANSYS隐式分析(FEM)所得K和(θmax,Tmax)值如图12-15所示。可见，随着间隔棒数目由1增至7，分裂导线初始扭转刚度K有所增大，增幅为16.7％，而临界倾覆扭转角及扭矩(θmax,Tmax)均显著增大，其中临界倾覆扭矩Tmax增大94.5％。可见，增加分裂导线间隔棒数目，对其初始扭转刚度改善有限，但可显著提升其抗扭转倾覆能力。
本发明的有益效果是：本发明防导线翻转的间隔棒使用方法，基于显式通用非线性动力分析，采用动力松弛法实现分裂导线受扭翻转过程的准静态模拟，使得导线模型在递增扭矩作用下发生缓慢而平稳的持续扭转变形，直至完全翻转，基于扭矩-扭转角关系曲线着重研究间隔棒数目、初始水平张力和分裂数对分裂导线扭转刚度和翻转倾覆扭矩的影响，为分裂导线防翻转倾覆设计提供参考。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤10，选取长导线建立试验模型，选取不同分布荷载分别模拟不同地形的导线所受载荷；
步骤20，模拟子导线和间隔棒，所述子导线和间隔棒各包含若干个节点，每个所述子导线的节点含若干个自由度，每个所述间隔棒的节点含若干个自由度，所述子导线和间隔棒通过自由度缩聚实现耦合连接；
步骤30，扭矩荷载加载于所述节点，针对所述间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系，基于T-θ关系曲线以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性；
步骤40，将所述间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ关系曲线及对应工况的Tmax；
所述步骤20中：
模拟子导线时，导线抗扭刚度由以下式确定：
ks＝α(G1Ip1+G2Ip2)
式中，α为风攻角，G1为钢材的切变模量；G2为铝材的切变模量；Ip1、Ip2分别为所述导线的钢芯和铝包线的截面积惯性矩。
2.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，所述步骤10中，选取长l导线建立试验模型，选取满布均匀荷载、满布矩形荷载、满布对称三角形荷载、(1/4、2/4、3/4)l布置对称三角形荷载四种形式的分布荷载；所述步骤20中，所述子导线和间隔棒各包含2个节点，每个所述子导线的节点含4个自由度，每个所述间隔棒的节点含6个自由度。
3.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，所述步骤10中：
所述荷载形式由均匀分布趋向跨中集中分布。
4.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，所述钢材的切变模量G1为81GPa、G2铝材的切变模量为27GPa，所述导线扭转刚度ks＝112.0N·m2/rad。
5.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，所述步骤30中：
扭矩荷载加载于所述节点时，依据分布荷载mi(x)其中，i＝1,2,3,…,l/Δx-1，每隔单位长度Δx，等效代换为小量的集中荷载Mi并施加于各子导线节点上，各小量集中荷载的和即为T，满足
Figure FDA0003852300970000021
Figure FDA0003852300970000022
6.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，所述导线为680m档距四或六分裂线路。
7.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，
所述导线初始水平张力为27.65Nmax、相应垂度为25.09m，其中，Nmax为导线的额定抗拉力。
8.根据权利要求1所述的适用于防导线翻转的间隔棒使用方法，其特征在于，所述步骤40中：
所述间隔棒数目由1增至9并均匀布置，获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ曲线及对应工况的最大总扭矩Tmax。
9.一种适用于防导线翻转的间隔棒使用系统，其特征在于，包括：
建模模块，用于选取长导线建立试验模型，选取分布荷载；
模拟模块，用于模拟子导线和间隔棒，所述子导线和间隔棒各包含若干个节点，每个所述子导线的节点含若干个自由度，每个所述间隔棒的节点含若干个自由度，所述子导线和间隔棒通过自由度缩聚实现耦合连接；
加载模块，用于将扭矩荷载加载于所述节点，针对所述间隔棒数目和初始水平张力参数依次进行分布扭矩加载，建立总扭矩T与跨中x＝l/2处截面扭转角θ之间的对应关系，基于T-θ关系曲线以曲线斜率及最大总扭矩Tmax分别作为扭转和翻转特性评价指标，分析分裂导线在分布扭矩作用下的扭转及翻转特性；
运算模块，用于将所述间隔棒均匀布置，改变间隔棒数量获得不同形式分布扭矩作用下的T-θ关系曲线及对应工况的Tmax。
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