CN112949122A - 输电线路金具的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路金具的设计方法，包括如下步骤：根据现有输电线路金具建立电磁‑热‑力物理模型；对所建模型进行多物理场的耦合并求解；对多物理场作用下的现有输电线路金具进行仿真分析；根据应力分布和涡流损耗分布对输电线路金具进行部件的材料重构；对重构后的输电线路金具进行仿真分析，并将应力分布和涡流损耗分布与前结果进行对比；重复选取最优的替换材料。采用多物理场耦合的方法，计算涡流损耗分布及应力分布，进而对涡流损耗较大的部件进行材料重构，得到重构后输电线路金具的涡流损耗分布以及应力分布，对确定在同样导线电流下，输电线路金具最佳选择，保证重构的输电线路金具既能减少涡流损耗又能保证机械强度。

Description

输电线路金具的设计方法

技术领域

本发明属于高压输电线路节能金具技术领域，特别是涉及一种输电线路金 具的设计方法。

背景技术

现阶段电力行业积极开展节能减排，在输电线路节能方面进行了大量的研 究工作，但大都集中在架空线路导线的节能降耗方面，而对辅助电力传输的重 要组件—线路金具关注较少。线夹是架空输电线路建设中使用最多的金具产品 之一，主要功能在于支撑、固定及保护裸导线，是起到传递机械负荷、电气负 荷及某种防护作用的金属附件。目前我国220kV及以下电压等级的输电线路上 的金具大都由铁制类材料制造，在运行时受传输电流交变磁场的作用而产生磁 滞、涡流等磁损耗。虽然铁磁金具的一次性建设投资较小，但却每时每刻在消 耗着大量的电能，日积月累，其耗电量十分惊人，在给国家造成巨大经济损失 的同时，还很不利于环境保护，这对于中国正在建设资源节约型和环境保护型 的社会目标来说，是非常不适应的。

目前，国内外对于线夹涡流损耗的计算采用数值计算方法和解析法。对于 结构简单的模型，解析法计算速度较快、精度高。但输电线路线夹的形状复杂， 还需要考虑电流的集肤效应，因此应用解析法来求解有很大的局限性。有限元 法以其对各种复杂形状的适应性和计算精度高等优点成为行之有效的数值分析 方法。

而国内金具的能耗研究目前一直以定性分析为主，缺少从理论到试验的系 统性研究分析，且近年来的金具节能研究成果主要集中在探索和发掘新的材料， 并用新型材料对铸铁件进行整体替换，造价较高，经济效益有限，并且整体替 换后局部应力集中处无法保证机械强度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种既能减少涡流损耗 又能保证机械强度的输电线路金具的设计方法。

本发明提供的这种输电线路金具的设计方法，包括如下步骤：

S.1、根据现有输电线路金具建立电磁-热-力物理模型；

S.2、对所建模型进行多物理场的耦合并求解；

S.3、对多物理场作用下的现有输电线路金具进行仿真分析；

S.4、根据应力分布和涡流损耗分布对输电线路金具进行部件的材料重构；

S.5、对重构后的输电线路金具进行仿真分析，并将应力分布和涡流损耗分 布与S.3中结果进行对比；

S.6、重复S.5选取最优的替换材料。

在S.1中，根据现有悬垂线夹建模，建模时对悬垂线夹简化处理，并以圆 柱体替代绞线，同时选取包含悬垂线夹的空气域。

在S.1中，选取包覆所述输电线路金具的空气域构建电磁-热-力物理模型， 空气域为圆柱域，其半径大于模型半径的十倍。

在S.2中，多物理场包括输电线路金具的电磁场、温度场、流场以及应力 场；电磁场与温度场之间传递的信息包括电导率和热量；温度场和流场之间传 递的信息包括动力粘度和温度；流场和应力场之间传递的信息包括流体压力、 速度和压力，应力场和温度场之间传递的信息包括热应力分布和温度分布。

在S.2中，温度场所采用的边界条件为最外层设置为物体表面与周围环境 进行的对流交换系数；流场的边界条件是气流吹入的边界条件为入口，气流流 出的边界条件为出口，其他边界设置为壁；并采用三层迭代算法进行求解。

在S.2中，三层迭代算法具体步骤如下：

S.2.1、根据流经导线的电流以及输电线路金具的各部分材料的与空气介质 的磁导率、电导率，环境初始温度、初始标准大气压，计算输电线路金具和空 气域的磁场分布、电流密度分布以及产生的电磁热；

S.2.2、在流场中根据热源产生的和施加的边界条件，求解空气计算区域的 温度、密度以及速度；

S.2.3、判断相邻两个流场及计算值是否满足控制精度要求，若不满足，令 迭代次数L＝L+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度 要求；

S.2.4、将由流场分析模型中计算得到的压强载入固体力学，并结合边界条 件计算得到导线在悬挂点处的应力分布；

S.2.5、判断相邻两次迭代计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足， 根据计算得到的温度、压强分布情况更新流体的物性参数，同时令迭代次数 m＝m+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S.2.6、再计算温度场和流场，重复上述步骤S.2.1—S.2.4，直至相邻两次 迭代计算三个物理场计算结果差值均满足控制精度要求；

S.2.7、内层物理场求解变量的收敛迭代过程中时间步长迭代次数n＝n+1进 入下一个求解过程，直至时间步迭代数达到预设定的步数N时，完成外层时间 步迭代，计算结束。

在S.3中，对现有输电线路金具的感应电流密度、磁通密度以及涡流损耗 密度分布进行仿真，观察输电线路金具涡流损耗最大处的所在部件和导线在悬 挂点的应力环境。

在S.4中具体步骤如下：

S.4.1、对S.3中仿真得到的输电线路金具的涡流损耗分布和悬挂点的应力 环境进行分析；

S.4.2、根据涡流损耗分布和应力分布确定输电线路金具中涡流损耗最大部 件和受力最大部件，并对相应部件进行材料重构；

S.4.3、替换新部件得到重构后的输电线路金具；

S.4.4、对重构的输电线路金具进行仿真分析，并与现有输电线路金具的分 析结果进行对比。

本发明通过涡流损耗分布以及悬挂点处导线的应力分布的仿真方法，采用 多物理场耦合的方法，计算出现有输电线路金具的涡流损耗分布以及导线在悬 垂线夹上悬挂点处的应力分布，进而对涡流损耗较大的部件进行材料重构，得 到重构后输电线路金具的涡流损耗分布以及应力分布，对确定在同样导线电流 下，输电线路金具最佳选择，保证重构的输电线路金具既能减少涡流损耗又能 保证机械强度。为复合材料部件替换原有输电线路金具部件的设计提供了可靠 的理论计算方法。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的整体模型结构示意图。

图2为本优选实施例中悬垂线夹的结构示意图。

图3为本优选实施例中多物理场耦合的耦合作用形式。

图4为本优选实施例中铸铁材料悬垂线夹上的感应电流密度分布情况。

图5为本优选实施例中铸铁材料悬垂线夹上的涡流损耗分布情况。

图6为本优选实施例中重构后悬垂线夹上的涡流损耗分布情况。

具体实施方式

本实施例中将输电线路金具选为悬垂线夹，并对其进行重新设计。具体方 法如下：

第一步、参考实际XGU-4型悬垂线夹各部位的几何参数，根据国内附件厂 家生产附件原型以及材料的物性参数，运用COMSOL Multiphysics仿真软件提 供的绘图工具建立仿真模型，在导线处施加相应的注入电流边界条件，仿真得 到铸铁材料的悬垂线夹的涡流损耗分布及应力分布，观察悬垂线夹的涡流损耗 最大处的部件，使用复合材料连接件替换铸铁材料悬垂线夹涡流损耗最大处的 部件，以降低悬垂线夹的整体涡流损耗的大小。在确定复合材料连接件的结构 时，不仅要减小悬垂线夹产生的涡流损耗还要保证其整体的机械强度。

根据金具厂家生产悬垂线夹的各部位的几何参数、以及材料的磁导率、电 导率、密度、比热容等物性参数，建立输电线路金具(悬垂线夹)及周围空气 域的电磁-热-力物理模型，空气域为圆筒，其半径为构建电磁-热-力物理模型 的十倍以上,如图1所示。

建模时，考虑到悬垂线夹能耗的影响因素、仿真的计算量和计算机的计算 能力，对悬垂线夹部分位置进行简化处理。同时采用多物理场耦合时，设置有 若干简化处理和假设，包括：

如图2所示，消减紧固件的螺纹构造、六角螺母进行圆形处理，同时架空 导线以圆柱体模型替代绞线结构，为了保证计算精度，需设置较大的求解域， 在此截取足够长的导线，其他位置产生的磁场对线夹的影响可忽略不计。

假设媒质的电导率为常数，磁导率为线性。仿真中忽略谐波的影响，线夹 及导线在工频下运行，为似稳场，无需考虑位移电流的影响。输电线路线夹内 除涡流损耗以外，还存在磁滞损耗。由于交变电流频率低，且由铸铁和铝合金 为主要材料构成的线夹磁导率趋于线性，所以磁滞损耗相对较小，可以忽略， 只考虑线夹的涡流损耗。

第二步、对所建模型进行多物理场的耦合并求解；多物理场包括悬垂线夹 的电磁场、热场、流场以及应力场。电磁场与温度场之间传递的信息包括电导 率和热量，温度场和流场之间传递的信息包括动力粘度和温度，流场和应力场 之间传递的信息包括流体压力、速度和压力，应力场和温度场之间传递的信息 包括热应力分布和温度分布，如图3所示。

在对多物理场的耦合进行仿真时，温度场所采用的边界条件为最外层设置 为物体表面与周围环境进行的对流交换系数。流场的边界条件是气流吹入的边 界条件为入口，气流流出的边界条件为出口，其他边界设置为壁。针对悬垂线 夹的电磁-热-力物理模型所需求解方程组之间相互耦合作用的特点，本发明采 用三层迭代算法进行求解。具体步骤如下：

S2.1、根据流经导线的电流、悬垂线夹的各部分材料的与空气介质的磁导 率、电导率，环境初始温度、初始标准大气压，计算悬垂线夹和空气域的磁场 分布、电流密度分布以及产生的电磁热；

S2.2、在流场中根据热源产生的和施加的边界条件，求解空气计算区域的 温度、密度以及速度；

S2.3、判断相邻两个流场及计算值是否满足控制精度要求，若不满足，令 迭代次数L＝L+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度 要求；

S2.4、将由流场分析模型中计算得到的压强载入固体力学，并结合边界条 件计算得到导线在悬挂点处的应力分布；

S2.5、判断相邻两次迭代计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足， 根据计算得到的温度、压强分布情况更新流体的物性参数，同时令迭代次数 m＝m+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S2.6、再计算温度场和流场，重复上述步骤S21～S24，直至相邻两次迭代计 算三个物理场计算结果差值均满足控制精度要求；

S2.7、程序将跳出内层物理场求解变量的收敛迭代过程，时间步长迭代次 数n＝n+1进入下一个求解过程，直至时间步迭代数达到预设定的步数N时，程 序完成外层时间步迭代，计算结束。

第三步、对多物理场作用下的现有输电线路金具进行仿真分析。通过对铸 铁材料的悬垂线夹的感应电流密度、磁通密度以及涡流损耗密度分布进行仿真， 观察悬垂线夹涡流损耗最大处的所在部件和导线在悬挂点的应力环境。铸铁材 料悬垂线夹的感应电流密度和涡流损耗密度如图4、图5所示。

第四步、根据应力分布和涡流损耗分布对输电线路金具进行部件的材料重 构。对步骤第三步中仿真得到的悬垂线夹的涡流损耗分布和悬挂点的应力环境 进行分析，涡流损耗最大处所在悬垂线夹的部件进行结构的设计和材料的重新 选择。采用新设计的复合材料连接件对原铸铁材料的悬垂线夹的涡流损耗最大 部分进行替换。

第五步、对重构后的输电线路金具进行仿真分析，并将应力分布和涡流损 耗分布与第三步中结果进行对比。

第六步、重复第四步和第五步选取最优的替换材料。

本实施例中，设置导线流过电流为1500A以做具体说明。并经过多次试验 件替换材料选用为玄武岩纤维这种复合材料。

由于玄武岩纤维材料具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，且绿色环保，性 价比高，所以选择玄武岩纤维这种复合材料。设置导线流过电流为1500A，通过 改变悬垂线夹的主体材料参数，得到铸铁材料悬垂线夹感应电流密度和涡流损 耗密度情况如图4、图5所示。经过仿真分析结果知，在使用铸铁材料时，红色 流线对应着电流密度(A/m²)，感应电流主要集中在220kV悬垂绝缘子串固定导 线的U型螺栓内侧及船体附近，电流密度模的最大值约为8.40×106A/m²，处于 220kV悬垂绝缘子串固定导线的U型螺栓处。

由图5可知，体积损耗密度(W/m³)的分布同感应电流一样主要集中在铸铁 材料的220kV悬垂绝缘子串固定导线的U型螺栓内侧，最大值可以达到约3.15 ×106W/m³。

通过对220kV悬垂绝缘子串金具部分的三维模型整体的体积损耗密度进行 积分，可以得到铸铁材料的220kV悬垂绝缘子串金具因涡流而产生的总的耗散 功率约为9.6597W，即因涡流而产生的电阻热的总加热功率约为9.6597W。

采用玄武岩纤维复合材料连接件替换220kV悬垂线夹的U型螺栓部分后， 再次仿真，结果如图6，可见悬垂线夹整体的涡流损耗有了明显的下降，替换后 的总涡流损耗为3.2826W，相较原铸铁材料悬垂线夹的涡流损耗下降了66.01％。 使用玄武岩纤维复合材料连接件替换输电线路后的悬垂线夹上感应电流密度分 布情况如图6所示。

采用玄武岩纤维复合材料连接件替换输电线路金具的方法有效降低了金具 上的涡流损耗，相较使用复合材料为主体的悬垂线夹，保证了悬垂线夹在导线 悬挂点的机械强度，延长了导线的抗疲劳特性和使用寿命。即在铸铁材料悬垂 线夹的U型螺栓采用复合材料连接件进行替换，可以有效降低悬垂线夹所产生 的总的涡流损耗。因此，复合材料连接件替换输电线路金具的部件为U型螺栓。 对输电线路采用铸铁线夹与玄武岩纤维复合材料连接件替换后的线夹进行节能 效益对比分析，经调研，单只铸铁材料线夹价格约为50元，单只玄武岩纤维连 接件替换后的线夹造价约为67.22元，单只线夹每年可以节省约33.52元，所 以采用玄武岩纤维这种复合材料连接件替换的线夹的投资回收期约为2年。

与现有技术相比，本发明利用热-流-固多物理场耦合的有限元计算方法， 基于三层迭代算法得到悬垂线夹涡流损耗分布与应力分布，进而对不同材料的 悬垂线夹的涡流损耗和应力分布进行仿真计算，得出悬垂线夹本体上涡流损耗 最大的部件及导线在悬挂点的应力情况，从而确定这一部件的复合材料连接件 的替换结构，有效优化了复合材料连接件替换输电线路金具的设计方法，减少 了悬垂线夹的涡流损耗并保证了整体的机械强度，为节能金具的设计提供了可 靠的理论计算方法。并对输电线路上采用铸铁线夹与复合材料连接件替换后的 节能线夹进行对比分析，解决目前悬垂线夹节能设计主要靠经验估计、缺少理 论依据和设计方法的难题。

Claims (8)

1.一种输电线路金具的设计方法，其特征在于，本方法包括如下步骤：

S.1、根据现有输电线路金具建立电磁-热-力物理模型；

S.2、对所建模型进行多物理场的耦合并求解；

S.3、对多物理场作用下的现有输电线路金具进行仿真分析；

S.4、根据应力分布和涡流损耗分布对输电线路金具进行部件的材料重构；

S.5、对重构后的输电线路金具进行仿真分析，并将应力分布和涡流损耗分布与S.3中结果进行对比；

S.6、重复S.5选取最优的替换材料。

2.如权利要求1所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于：在S.1中，根据现有悬垂线夹建模，建模时对悬垂线夹简化处理，并以圆柱体替代绞线，同时选取包含悬垂线夹的空气域。

3.如权利要求2所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于：在S.1中，选取包覆所述输电线路金具的空气域构建电磁-热-力物理模型，空气域为圆柱域，其半径大于模型半径的十倍。

4.如权利要求2所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于：在S.2中，多物理场包括输电线路金具的电磁场、温度场、流场以及应力场；电磁场与温度场之间传递的信息包括电导率和热量；温度场和流场之间传递的信息包括动力粘度和温度；流场和应力场之间传递的信息包括流体压力、速度和压力，应力场和温度场之间传递的信息包括热应力分布和温度分布。

5.如权利要求4所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于：在S.2中，温度场所采用的边界条件为最外层设置为物体表面与周围环境进行的对流交换系数；流场的边界条件是气流吹入的边界条件为入口，气流流出的边界条件为出口，其他边界设置为壁；并采用三层迭代算法进行求解。

6.如权利要求5所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于：在S.2中，三层迭代算法具体步骤如下：

S.2.1、根据流经导线的电流以及输电线路金具的各部分材料的与空气介质的磁导率、电导率，环境初始温度、初始标准大气压，计算输电线路金具和空气域的磁场分布、电流密度分布以及产生的电磁热；

S.2.2、在流场中根据热源产生的和施加的边界条件，求解空气计算区域的温度、密度以及速度；

S.2.3、判断相邻两个流场及计算值是否满足控制精度要求，若不满足，令迭代次数L＝L+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S.2.4、将由流场分析模型中计算得到的压强载入固体力学，并结合边界条件计算得到导线在悬挂点处的应力分布；

S.2.5、判断相邻两次迭代计算结果差值是否满足控制精度要求，若不满足，根据计算得到的温度、压强分布情况更新流体的物性参数，同时令迭代次数m＝m+1；重新计算流场，直至相邻两次迭代计算结果差值满足控制精度要求；

S.2.6、再计算温度场和流场，重复上述步骤S.2.1—S.2.4，直至相邻两次迭代计算三个物理场计算结果差值均满足控制精度要求；

S.2.7、内层物理场求解变量的收敛迭代过程中时间步长迭代次数n＝n+1进入下一个求解过程，直至时间步迭代数达到预设定的步数N时，完成外层时间步迭代，计算结束。

7.如权利要求1所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于：在S.3中，对现有输电线路金具的感应电流密度、磁通密度以及涡流损耗密度分布进行仿真，观察输电线路金具涡流损耗最大处的所在部件和导线在悬挂点的应力环境。

8.如权利要求1所述的输电线路金具的设计方法，其特征在于，在S.4中具体步骤如下：

S.4.1、对S.3中仿真得到的输电线路金具的涡流损耗分布和悬挂点的应力环境进行分析；

S.4.2、根据涡流损耗分布和应力分布确定输电线路金具中涡流损耗最大部件和受力最大部件，并对相应部件进行材料重构；

S.4.3、替换新部件得到重构后的输电线路金具；

S.4.4、对重构的输电线路金具进行仿真分析，并与现有输电线路金具的分析结果进行对比。

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