220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法技术

本发明专利技术公开一种220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，包括：步骤1：建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；步骤2：对输电线路塔线耦联体系进行找形；步骤3：输电线路塔线耦联体系风载荷计算；步骤4：输电线路塔线耦联体系阻尼计算；步骤5：风振响应计算及数据提取分析。本发明专利技术建立了精细准确的输电线路耦联体系有限元模型，且在风振仿真计算时考虑了结构阻尼的影响；本发明专利技术适用于对风灾频发地区的输电线路进行风振分析，在此次基础上对输电线路进行局部加固或风灾预警，以期将灾害损失降到最低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法。
技术介绍
输电线路主要是由输电杆塔、导线、架空地线、绝缘子(串)、线路金具及接地装置等部分组成。输电线路是大跨高柔结构，对风载荷极为敏感。在强风的作用下，线路和杆塔会发生较大幅度的振动，线路与杆塔之间通过振动相互影响，形成复杂的动力耦联体系。而架空输电线路在设计之初，导线和杆塔结构的设计通常是分开进行的，采用拟静力分析的方法将导地线所受风载荷乘以风振系数作为静力载荷施加在输电杆塔挂线点上，在计算中并没有考虑塔线之间振动的相互影响。近年来风致倒塔事故频发表明拟静力风载荷分析方法具有局限性，因此对于输电线路风振的研究必须建立在塔线耦联体系模型的基础上，充分考虑输电杆塔和输电线之间的耦合作用。对于输电线路塔线耦联体系风振仿真已有学者做了大量研究，具体分为以下三个步骤：有限元建模、风载荷施加、数据提取及分析。但是仍存在以下不足：1.为减小电晕损失，增加输电容量，我国220kV及以上电压等级输电线路均采用分裂导线。现有研究在有限元建模方面，对于分裂导线采用等效处理的方式，将分裂导线等效为一根导线进行建模分析，忽略了子导线之间的耦合及次档距振动。2.输电线路在架设完成投入运行时，因为自重已有一定的位移和内应力分布。现有研究大多在耦联体系建模完成后不进行耦联体系找形，直接进行风载荷施加。部分研究考虑了塔线耦联体系的找形，但找形过程复杂，耗时长。中国专利公开第CN103455686A号“架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法”中对于导地线的建模采用直线连接绝缘子挂线点并剖分成0.9-1.1m的导线单元，在此基础上对塔线耦联体系进行多次自重分析得到精确的输电线路塔线耦联体系，该方法迭代次数多，找形耗时长。3.对输电线路塔线耦联体系进行风振分析时忽略了结构阻尼作用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，以解决上述技术问题。本专利技术方法具有模型精细准确、建模周期短的优点，能够为提高输电线路塔线耦联体系抗风能力提供参考。为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，包括以下步骤：步骤1：建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；步骤2：对输电线路塔线耦联体系进行找形；步骤3：输电线路塔线耦联体系风载荷计算；步骤4：输电线路塔线耦联体系阻尼计算；步骤5：风振响应计算及数据提取分析。进一步的，步骤1具体包括：步骤1-1：输电铁塔建模采用ANSYS软件的APDL语言对输电铁塔进行建模；步骤1-2：绝缘子及分裂导线间隔棒建模步骤1-3：分裂子导线和地线建模根据悬链线方程将分裂子导线和地线离散成一系列1m为间隔的节点，将这些节点连接形成分裂子导线模型和地线模型；步骤1-1、1-2、1-3所获得的模型构成输电线路塔线耦联体系有限元模型。进一步的，步骤2具体包括：在ANSYS软件中，对步骤1得到的输电线路塔线耦联体系有限元模型施加初应变、弹性模量和重力加速度，打开大变形开关和应力刚化开关，进行自重分析；分析完成后，在后处理器中查看节点位移与应力，计算相对误差，与预设收敛判据比较，到达收敛精度范围，则停止计算，找形结束；若未达到收敛精度，则根据位移结果更新输电线路塔线耦联体系有限元模型的所有节点坐标，重新进行自重分析，重复上述过程，直至位移与应力达到收敛精度，找形完成；获得找形后的输电线路塔线耦联体系有限元模型。进一步的，步骤3具体包括：读取输电铁塔风速仪的风速数据，根据伯努利方程得出风压时程曲线，结合铁塔杆件的迎风面积计算出风载荷时程曲线。进一步的，步骤4具体包括：对找形后的输电线路塔线耦联体系有限元模型进行模态分析，得到找形后的输电线路塔线耦联体系有限元模型中铁塔的前两阶自振频率，根据瑞利阻尼参数计算公式计算得到瑞利阻尼参数α、β值。进一步的，步骤5具体包括：在ANSYS软件中，将步骤3得到的风载荷时程曲线施加在找形后的输电线路塔线耦联体系有限元模型对应节点上，在求解器中添加步骤4计算得到的阻尼参数，进行瞬态求解；计算结束后，在时间历程后处理器中提取铁塔/绝缘子/分裂导线间隔棒/分裂子导线/地线位移、应力时程曲线，完成对输电线路的风振响应计算。进一步的，步骤1-3中悬链线方程式为： y = h L h = 0 [ 2 σ 0 γ s h γ x 2 σ 0 c h γ ( l - x ) 2 σ 0 ] - 1 + ( h L h = 0 ) 2 [ 2 σ 0 γ s h γ x 2 σ 0 本文档来自技高网...

【技术保护点】
220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；步骤2：对输电线路塔线耦联体系进行找形；步骤3：输电线路塔线耦联体系风载荷计算；步骤4：输电线路塔线耦联体系阻尼计算；步骤5：风振响应计算及数据提取分析。

【技术特征摘要】
1.220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；
步骤2：对输电线路塔线耦联体系进行找形；
步骤3：输电线路塔线耦联体系风载荷计算；
步骤4：输电线路塔线耦联体系阻尼计算；
步骤5：风振响应计算及数据提取分析。
2.根据权利要求1所述的220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，步
骤1具体包括：
步骤1-1：输电铁塔建模
采用ANSYS软件的APDL语言对输电铁塔进行建模；
步骤1-2：绝缘子及分裂导线间隔棒建模
步骤1-3：分裂子导线和地线建模
根据悬链线方程将分裂子导线和地线离散成一系列1m为间隔的节点，将这些节点连接形
成分裂子导线模型和地线模型；
步骤1-1、1-2、1-3所获得的模型构成输电线路塔线耦联体系有限元模型。
3.根据权利要求1所述的220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，步
骤2具体包括：在ANSYS软件中，对步骤1得到的输电线路塔线耦联体系有限元模型施加初
应变、弹性模量和重力加速度，打开大变形开关和应力刚化开关，进行自重分析；分析完成后，
在后处理器中查看节点位移与应力，计算相对误差，与预设收敛判据比较，到达收敛精度范围，
则停止计算，找形结束；若未达到收敛精度，则根据位移结果更新输电线路塔线耦联体系有限
元模型的所有节点坐标，重新进行自重分析，重复上述过程，直至位移与应力达到收敛精度，
找形完成；获得找形后的输电线路塔线耦联体系有限元模型。
4.根据权利要求1所述的220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，步
骤3具体包括：读取输电铁塔风速仪的风速数据，根据伯努利方程得出风压时程曲线，结合铁
塔杆件的迎风面积计算出风载荷时程曲线。
5.根据权利要求1所述的220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，步
骤4具体包括：对找形后的输电线路塔线耦联体系有限元模型进行模态分析，得到找形后的输
电线路塔线耦联体系有限元模型中铁塔的前两阶自振频率，根据瑞利阻尼参数计算公式计算得
到瑞利阻尼参数α、β值。
6.根据权利要求5所述的220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，步
骤5具体包括：在ANSYS软件中，将步骤3得到的风载荷时程曲线施加在找形后的输电线路
塔线耦联体系有限元模型对应节点上，在求解器中添加步骤4计算得到的阻尼参数，进行瞬态
求解；计算结束后，在时间历程后处理器中提取铁塔/绝缘子/分裂导线间隔棒/分裂子导线/地
线位移、应力时程曲线，完成对输电线路的风振响应计算。
7.根据权利要求2所述的220kV输电线路塔线耦联体系风振仿真方法，其特征在于，步
骤1-3中悬链线方程式为：
y = h L h = 0 [ 2 σ 0 γ s h γ x 2 σ 0 c h γ ( l - x ) 2 σ 0 ] - 1 + ( h L h = 0 ) 2 [ 2 σ 0 γ s h γ x ...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺博，厉天威，豆敏娜，罗兵，修娅萍，刘磊，王雨，李敏，李斌，唐力，
申请(专利权)人：西安交通大学，南方电网科学研究院有限责任公司，中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心，
类型：发明
国别省市：陕西;61