用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A method for analyzing the mechanical characteristics of the overhead line structure in UHV Substation

【技术实现步骤摘要】
用于分析特高压变电站架空线结构力学特性的方法
本专利技术涉及特高压变电站架空线结构
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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。本专利技术的有益效果是：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。本专利技术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。本专利技术在模拟跨线和引本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：司学振，吕中宾，谢凯，杨晓辉，陶亚光，任鹏亮，张博，叶中飞，伍川，宋高丽，李梦丽，马伦，刘贝贝，王金洋，刘竹丽，霍翔宇，
申请(专利权)人：国网河南省电力公司电力科学研究院，国网河南省电力公司，郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南;41