强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法技术

本发明专利技术公开了一种强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，步骤包括：步骤1：采集输电线路的结构

【技术实现步骤摘要】
强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法


[0001]本专利技术属于电力系统
，涉及一种强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法
。

技术介绍

[0002]输电线路作为远距离电能输送的载体，难以避免跨越诸多气候恶劣地区
。
在气温较低时，空气中的水分在输电导线上凝结形成覆冰，增加导线负荷，改变架空线的力学特性
。
而受温度
、
负荷
、
强风等因素影响，覆冰大块脱落，导致导线发生强烈的振动或摆动，极易造成输电线路放电
、
断线
、
倒塔等恶性故障，严重影响输电系统安全稳定运行
。
近些年来，国内外地研究者们针对上述问题已经开展了大量研究，但是，这些研究针对多因素间的耦联影响考虑不足，存在一定局限性
。
[0003]强风作用下的架空线脱冰是一个复杂的流固耦合振动过程
。
脱冰后，在持续性的风载作用下，产生横向的偏移，导线在竖直方向的弹跳变化转为复杂的空间运动
。
在覆冰生长
、
融化
、
脱落的过程中，导线发生偏心扭转，由于异形覆冰和风攻角的作用，使导线受到的风载量显著改变，导致输电线在强风作用下的运动轨迹存在明显差异，传统分析方法已经无法适用于冰风耦合下的脱冰工况，需要进行针对性研究
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，解决了现有技术在分析覆冰导线的脱冰动力响应的影响时，没有考虑实际工程中来流风作用下输电线路脱冰跳跃变化规律，评估结果难以准确反映现场实际情况的问题
。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是，一种强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，按照以下步骤实施：
[0006]步骤1：采集输电线路范围内各部分的结构
、
设计
、
气象参数；
[0007]步骤2：建立输电线路的导线
‑
绝缘子耦合响应有限元模型；
[0008]步骤3：通过数值模拟覆冰输电导线周围的湍流气动系数，进行横风和升力荷载量的换算；
[0009]步骤4：通过附加荷载法为输电线路施加覆冰
、
横风和升力荷载，撤除覆冰荷载模拟强风作用下的输电线路覆冰与脱冰过程；
[0010]步骤5：设定不同条件的强风作用工况，进行复杂条件下的输电线路脱冰过程模拟，得到脱冰动力响应特征，并分析脱冰动力响应特征
。
[0011]本专利技术的有益效果是，本专利技术方法通过有限元模拟软件建立输电线路导线
‑
绝缘子耦合响应有限元模型，模拟在强风作用下脱冰跳跃过程的规律变化，导出位移结果与不平衡动张力结果，进行对比分析，很好地弥补了现有技术只分析脱冰对导线在竖直维度的影响，和现有研究忽略实际工程中强风作用下的输电线路在脱冰过程中存在复杂空间维度变化的不足
。
附图说明
[0012]图1为本专利技术方法的整体流程简图；
[0013]图2为本专利技术实施例1基于有限元软件建立的输电线路导线
‑
绝缘子耦合响应模型
(
以三跨路段为例
)
示意图；
[0014]图3为本专利技术方法涉及的五种异形冰截面示意图；
[0015]图4为本专利技术实施例1涉及的
D
形覆冰导线截面的风攻角选取示意图；
[0016]图5为本专利技术实施例1涉及的覆冰导线截面的二维模型及湍流气动系数参考坐标示意图；
[0017]图6为本专利技术实施例1涉及的输电导线荷载施加方向示意图；
[0018]图7为本专利技术实施例1涉及的输电导线荷载施加三轴方向示意图；
[0019]图8为本专利技术实施例2工况下的输电线路脱冰档中点的位移情况；
[0020]图9为本专利技术实施例3工况下的输电线路脱冰档中点在空间尺度下的时间历程变化曲线
。
具体实施方式
[0021]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明
。
[0022]对于各个附图中描述位置关系的限定用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利技术的限制，实际状态及位置关系以此类推
。
[0023]参照图1，本专利技术的强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，按照以下步骤实施：
[0024]步骤1：根据工程需要，采集输电线路范围内各部分的结构
、
设计
、
气象参数；
[0025]根据中国气象部门定义，强风是指瞬时风速
≥10m/s
，因此在本专利技术方法中，设定的仿真工况取值为：风速范围为
10
～
30m/s(
每
5m/s)
；等值覆冰厚度为0～
40mm(
每
5mm)
；风攻角为0～
360
°
(
每
15
°
)。
[0026]另外，根据工程需要采集的数据包括：输电线路的各部分的结构设计
、
结构参数
、
以及线路跨越区段的环境
、
气象参数
。
[0027]步骤2：分别建立输电线路的导线模型和绝缘子串模型，合称导线
‑
绝缘子耦合响应有限元模型，
[0028]在导线
‑
绝缘子耦合响应有限元模型中，导线选用杆单元
Link 10
类型，绝缘子串选用杆单元
Link 8
类型，材料参数包括尺寸
、
强度
、
弹性模量
、
泊松比
、
密度和重力加速度；由于连接节点之间会产生扭矩和弯矩，因此导线与绝缘子的铰接处设置为铰支座连接，连接处能够实现自由转动，对绝缘子串模型进行近似刚化处理
。
[0029]步骤3：通过数值模拟覆冰输电导线周围的湍流气动系数，进行横风和升力荷载量的换算；
[0030]具体过程是，湍流气动系数的计算公式为：
[0031][0032]式中，
C
为气动系数；
X
为压力
(
与来流速度方向相异为正
)
，单位为
N
；
P
为动压，单位为
w
；
A
为参考面积，单位为
m2；
ρ
为空气密度，单位为
kg/m2；
V
为风速，单位为
m/s
；
L
为物体长度，单位为
m
；
d
为迎风长度，单位为
m
；
[0033]每个单位长度
(L<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1：采集输电线路范围内各部分的结构
、
设计
、
气象参数；步骤2：建立输电线路的导线
‑
绝缘子耦合响应有限元模型；步骤3：通过数值模拟覆冰输电导线周围的湍流气动系数，进行横风和升力荷载量的换算；步骤4：通过附加荷载法为输电线路施加覆冰
、
横风和升力荷载，撤除覆冰荷载模拟强风作用下的输电线路覆冰与脱冰过程；步骤5：设定不同条件的强风作用工况，进行复杂条件下的输电线路脱冰过程模拟，得到脱冰动力响应特征，并分析脱冰动力响应特征
。2.
根据权利要求1所述的强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，其特征在于，步骤1中，具体过程是：设定的仿真工况取值为：风速范围为
10
～
30m/s
；等值覆冰厚度为0～
40mm
；风攻角为0～
360
°
；另外，根据工程需要采集的数据包括：输电线路的各部分的结构设计
、
结构参数
、
以及线路跨越区段的环境
、
气象参数
。3.
根据权利要求1所述的强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，其特征在于，步骤2中，具体过程是：在导线
‑
绝缘子耦合响应有限元模型中，导线选用杆单元
Link 10
类型，绝缘子串选用杆单元
Link 8
类型，材料参数包括尺寸
、
强度
、
弹性模量
、
泊松比
、
密度和重力加速度；由于连接节点之间会产生扭矩和弯矩，因此导线与绝缘子的铰接处设置为铰支座连接，连接处能够实现自由转动，对绝缘子串模型进行近似刚化处理
。4.
根据权利要求1所述的强风作用下的输电线路脱冰跳跃动力响应模拟分析方法，其特征在于，步骤3中，具体过程是：湍流气动系数的计算公式为：式中，
C
为气动系数；
X
为压力，单位为
N
；
P
为动压，单位为
w
；
A
为参考面积，单位为
m2；
ρ
为空气密度，单位为
kg/m2；
V
为风速，单位为
m/s
；
L
为物体长度，单位为
m
；
d
为迎风长度，单位为
m
；每个单位长度
1m
的覆冰输电导线受到的横风荷载与升力荷载的计算公式为：式中，
FD
为横风荷载，单位为
N<...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾林平，窦效禹，李欣，谢松林，姬昆鹏，朱永灿，王帅，舒新，
申请(专利权)人：国家电网有限公司西北分部中国电力科学研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：