一种V型绝缘子悬挂方式的优化方法与流程

本发明涉及一种v型绝缘子悬挂角度的优化方法，特别是涉及了一种基于ansys有限元仿真分析计算v型复合绝缘子机械特性的方法。

背景技术：

由于经济和工业的快速发展，架空输电线路的整体规模也越来越庞大，再加上我国北方地区极端天气的出现，极易导致线路覆冰、覆湿雪，引发断股、断线、跳串以及冰雪闪络等事故，从而影响电力系统整体的安全性和稳定性。采用v型串绝缘子的悬挂方式可以有效的减少冰闪事故的发生，其主要原因是：

1、由于悬挂角度的存在，使得v型复合绝缘子不同伞裙的间隙不容易被冰柱和积雪桥接。

2、v型悬挂方式增加了复合绝缘子与雨水间的接触面积，使得复合绝缘子在雨水的冲刷下的自清洁效果更加明显，从而减少了绝缘子的积污量。

3、在绝缘子表面冰雪融化时，雨水会按照一定角度流下，避免形成贯通整个绝缘子表面的水帘，从而大大的降低了冰闪事故发生的概率。

4、v型绝缘子串可以明显的改善绝缘子周围的电场分布，使得电场分布更加的均匀，从而提高覆冰绝缘子的闪络电压。

由于以上这些优点的存在，v型悬挂方式的复合绝缘子在部分输电线路中得到了应用，但是其具体的机械特性和最优的悬挂方式尚未进行系统的研究，因此，对于v型复合绝缘子的机械特性分析的研究也就势在必行。随着输电线路电压等级的逐渐增大，高电压等级的复合绝缘子在输电线路中得到了广泛的应用，而长串复合绝缘子与传统的悬式绝缘子串的机械特性具有很大的差异。

目前对于输电线路中绝缘子受力的分析方法主要为试验验证和数值仿真分析。通过对大量的试验结果分析表明：相对于静态载荷和脉冲载荷的影响，绝缘子的机械特性受动态载荷的影响最大，在长期的动态载荷的影响下，会大大的减少绝缘子的疲劳寿命，由于端部金具连接工艺的差别，使得绝缘子在不同载荷下的寿命有了很大的影响。但是随着制作工艺的进步和升级，由绝缘子芯棒和金具的连接而引发的机械事故越来越少，而对于不同角度下绝缘子悬挂角度的优化问题需要进一步的研究。因此，本发明根据具体输电线路的地理和气象特征，对风载荷、重力载荷和覆冰载荷的确定提出了具体的方法，并利用有限元仿真分析的方法，对v型绝缘子的机械特性进行了相应的分析，根据v型绝缘子的受力大小和形变位移等结果，确定了输电线路的中v型绝缘子的最优悬挂角度，为v型绝缘子的悬挂角度的优化提出一个一般化的方法，为防止绝缘子的污闪事故的发生提供理论依据，有利于保证高电压等级输电线路的安全运行。

技术实现要素：

本发明的目的即在于，在传统的输电线路绝缘子机械特性的研究基础上，改进传统的绝缘子悬挂方法，针对v型绝缘子的悬挂方式，提出适合各个输电线路和气象条件下双串复合绝缘子悬挂方式优化的方法。该方法可对不同地理和气象环境下的风载荷、覆冰载荷和重力载荷进行确定，保证了该方法应用的广泛性，利用ansys仿真软件进行受力分析，简化了计算和试验的周期，有效降低了工程的成本预算，使得计算结果更加准确，为输电线路的规划和改造提供一定的理论依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于ansys有限元仿真分析计算的v型绝缘子悬挂角度优化方法。其具体步骤为：

1)确定输电线路的运行参数和所处地区的气象特征；

2)计算无风无覆冰气象条件下绝缘子承受架空线的重力载荷；

3)计算不同风力等级下输电线路承受的风载荷；

4)计算不同覆冰程度下输电线路承受的覆冰载荷；

5)根据计算得到的重力载荷、风载荷和覆冰载荷对绝缘子进行有限元仿真分析。

进一步的，所述的v型绝缘子为v型复合绝缘子。

进一步的，所述的1)确定输电线路的运行参数和所处地区的气象特征，是获取输电线路杆塔间的水平档距、架空线的型号、绝缘子的结构尺寸、绝缘子芯棒的泊松比和弹性模量参数，确定输电线路所属地区不同季节的风力等级和输电线路覆冰厚度。

进一步的，所述的2)计算无风无覆冰气象条件下绝缘子承受架空线的重力载荷，是在无风无冰的情况下，绝缘子只承受架空线的自重，绝缘子自重相对架空线的重力可忽略不计。

进一步的，所述的3)计算不同风力等级下输电线路承受的风载荷，是当输电线路在大风条件下运行时，架空线受到横向的水平力，使v型绝缘子受到轴向的压力。

进一步的，所述的4)计算不同覆冰程度下输电线路承受的覆冰载荷，是在架空线表面有冰雪附着时，绝缘子承受纵向的不平衡张力。

进一步的，所述的5)根据确定的重力载荷、风载荷和覆冰载荷对v型绝缘子进行有限元仿真分析，是根据绝缘子的实际尺寸简化计算模型，忽略复合绝缘子的伞裙和护套部分，只对绝缘子的芯棒部分进行模型建立；建立v型绝缘子仿真模型，绝缘子顶端与杆塔连接处采用铰接的连接方式；并根据芯棒的材料属性确定仿真模型的弹性模量和泊松比；对仿真模型施加重力载荷、横向水平风载荷和纵向水平覆冰载荷。

更进一步的，所述的5)根据确定的重力载荷、风载荷和覆冰载荷对v型绝缘子进行有限元仿真分析，在风载荷为主要影响因素时忽略覆冰载荷的影响，对v型绝缘子模型施加重力载荷和风载荷，通过对不同风速和悬挂角度下v型绝缘子的形变位移和受力大小进行分析，得到风载荷为主要影响因素时绝缘子的最优悬挂角度；在考虑覆冰载荷的影响时，分析重力载荷、风载荷和覆冰载荷综合作用下的绝缘子的形变位移和受力大小，最终确定v型绝缘子的最佳悬挂角度。

结合目前输电线路绝缘子的布置方式和线路改造的需求，本发明对v型绝缘子的悬挂方式进行了优化，有助于线路改造方案的实施和输电线路安全运行，其具体的有益效果如下所示：

1、提出了一种v型绝缘子悬挂方式的具体优化方案，该方法以输电线路的运行参数和极端天气下的气象特征为基础，从而确定绝缘子运行所处的环境的运行参数，可根据输电线路所处的不同环境确定相应的参数，保证了该方法应用的广泛性。

2、利用有限元仿真软件ansys建立防冰雪绝缘子仿真模型，对不同环境下的绝缘子受力情况进行仿真分析，大大的缩短了线路改造时工程方案的设计周期，采用有限元仿真会使计算更加精确，可考虑到不同因素对输电线路绝缘子机械特性的影响，可考虑到现实中不方便试验的因素，节约了试验的成本，并且对绝缘子机械特性的分析更加全面。

3、对不同地理环境和气象条件下，v型绝缘子悬挂方式的机械性能进行了综合性的研究，对不同悬挂角度下v型绝缘子的最大形变位移、承受的轴向压力、轴向拉力以及绝缘子受力的薄弱点进行了进一步的仿真分析，最终得出了v型绝缘子的最优悬挂角度，为v型绝缘子在线路设计和线路改造中的应用奠定了基础，为后续的不同悬挂方式绝缘子的机械特性的研究提供了研究的思路。

4、根据不同季节下绝缘子所处的气象条件不同，分开考虑了不同季节下，绝缘子所承受的最大机械载荷，在春季只考虑重力载荷和风载荷，在冬季同时考虑重力载荷、风载荷和覆冰载荷。使得对绝缘子机械特性的分析时更加符合输电线路实际的情况，增加了数据分析的准确性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为风载荷下v型绝缘子受力与形变图。图1中的符号表示：1-杆塔横担；2-迎风侧绝缘子；3-背风侧绝缘子；4-背风侧绝缘子发生形变；5-绝缘子夹角θ；6-载荷夹角φ；7-风载荷p；8-载荷合力；9-重力载荷g；

图2覆冰载荷下v型绝缘子受力图。图2中的符号表示：1-杆塔横担；2-迎风侧绝缘子；3-背风侧绝缘子；5-绝缘子夹角θ；7-风载荷p；9-重力载荷g；10-覆冰载荷m。

图3不同风力等级下迎风侧绝缘子受力—夹角关系；

图4不同风力等级下背风侧绝缘子受力—夹角关系；

图5不同风力等级下v型绝缘子形变位移—绝缘子夹角；

图6不同覆冰载荷下迎风侧绝缘子受力—夹角关系；

图7不同覆冰载荷下背风侧绝缘子受力—夹角关系；

图8不同覆冰载荷v型绝缘子的最大形变位移-绝缘子夹角之间的关系。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的一个具体的实施例中，根据天津地区500千伏输电线路的线路参数和气象条件对复合绝缘子悬挂方式进行优化，其具体的步骤为：

1、确定输电线路的运行参数和所处地区的气象特征：

通过查找数据可知：该500千伏输电线路的导线为4分裂导线，导线的比载为5.31×10-2n/m·mm²、导线的截面积为452.39mm²，垂直档距为500m。绝缘子芯棒的直径为24mm，长度为4250mm，芯棒材料的泊松比为0.26，弹性模量为39gpa。根据典型气象区的气象数据，风速v的取值范围是0～25m/s，在风速达到25m/s时所对应的风力等级为十级，分别选用不同的风力等级(4级、6级、8级、10级)表征风速的大小，分析四种风力等级下，绝缘子夹角对防冰雪复合绝缘子机械力学特性的影响。

2、计算无风无覆冰气象条件下绝缘子承受架空线的重力：

在无风无冰的情况下，绝缘子只承受架空线的自重，绝缘子自重相对架空线的重力可忽略不计，自然运行状态下绝缘子的受力计算公式为

g＝nγ1al1(1)

n为导线的分裂个数，γ1为导线的比载(n/m·mm²)，a为导线截面积(mm²)，l1为垂直档距(m)。

将1中的参数代入公式(1)得v型绝缘子所受的重力载荷g为24.2kn。

3、计算不同风力等级下输电线路承受的风载荷：

当输电线路在大风条件下运行时，架空线受到横向的水平力，使v型绝缘子受到轴向的压力。在不同风速下，v型绝缘子的受力形式不同，为分析不同风速下绝缘子的机械特性，需确定绝缘子的风偏载荷。空气中气体的流动会产生相应的风压，根据风速的大小转化为风压的计算公式为：

由风速产生风压的比载计算公式为：

γ2＝α·k·w0·d×10^-3(3)

不同风速下产生风载荷的计算公式为：

p＝n·γ2·a·lp(4)

其中，w0为基本风压，ρ为空气密度，v为风速，k为空气动力系数，α风速不均匀系数，d为架空线直径，a为导线截面积，lp为水平档距，p为导线风载荷。

通过式(2)～(4)可以得到不同风速下架空线的理论风压、风载荷和载荷夹角，计算如表一所示。

表一

4、计算不同覆冰厚度下输电线路承受覆冰载荷的步骤为：

在架空线表面有冰雪附着时，复合绝缘子承受纵向的不平衡张力。输电线路的纵向不平衡张力与架空线悬挂点高差、覆冰厚度、覆冰不均匀度等因素有关，导线悬挂点高差的增加会使绝缘子的左右两端产生不平衡张力，但绝缘子两端的不平衡张力不超过架空线拉断力的1.5％，在不同覆冰厚度和不同覆冰均匀度的作用下，在悬挂点左右两端的不平衡张力最大可达到导线拉断力的10％。可根据输电线路所属地区的气象条件选取不同的架空线拉断力来作为架空线的纵向不平衡张力。

首先确定典型气象区在承受覆冰载荷时，风速一般为10m/s，可选取风力等级为6级时的风载荷，结合该地区的输电线路的覆冰情况，由覆冰引起的覆冰载荷分别选取导线拉断力的4％、6％、8％和10％，其大小分别为4.13kn、6.20kn、8.27kn和10.3kn。

5、根据确定的重力载荷、风载荷和覆冰载荷对v型复合绝缘子进行有限元仿真分析：

首先，根据绝缘子的实际尺寸简化计算模型，忽略复合绝缘子的伞裙和护套部分，只对绝缘子的芯棒部分进行模型建立；建立v型绝缘子仿真模型，绝缘子顶端与杆塔连接处采用铰接的连接方式；并根据芯棒的材料属性确定仿真模型的弹性模量和泊松比；对仿真模型施加重力载荷、横向水平风载荷和纵向水平覆冰载荷。

随后，根据前面确定的各项参数来仿真计算以确定v型绝缘子的最佳悬挂角度，从而根据该方法可对不同气候条件、不同地理环境下的绝缘子的悬挂方式进行优化。

具体的，

(一)在风载荷为主要影响因素时，对v型绝缘子模型施加重力载荷和风载荷，通过对不同风速和悬挂角度下v型绝缘子的形变位移和受力大小进行，得到风载荷为主要影响因素时绝缘子的最优悬挂角度：

(1)风载荷下v型复合绝缘子受力。当输电线路承受较大风载荷时，一般为春季和夏季，此时输电线路不承受覆冰载荷，故忽略覆冰载荷的影响，对v型绝缘子施加重力载荷24.2kn和表一中不同风力等级下的风载荷。不同风载荷下的v型绝缘子在迎风侧和背风侧绝缘子受力与v型绝缘子的夹角之间的关系，如图3所示。迎风侧绝缘子所受的力为轴向的拉力，随着绝缘子夹角的逐步增大，绝缘子受力先减小再增大。

由图4可知，在风力等级为4级的气象条件下，背风侧绝缘子承受轴向的拉力，且随着绝缘子夹角的增加而增加；在风力等级为6级到10级的气象条件下，当绝缘子夹角很小时，背风侧绝缘子受力为负值，表示绝缘子受到轴向的压力，使得背风侧绝缘子发生屈曲变形，随着v型绝缘子夹角的增大，背风侧绝缘子承受的轴向压力逐渐减小为零，当夹角继续增大时，背风侧绝缘子轴向压力转变为轴向拉力，并且随着夹角的增大而增大。

(2)风载荷下v型复合绝缘子形变位移。在风载荷和重力载荷的作用下，v型绝缘子会受到轴向拉力或轴向压力，使v型绝缘子发生形变位移。对v型绝缘子施加重力载荷24.2kn和不同风力等级下的风载荷，v型绝缘子最大形变位移与绝缘子夹角的关系如图5所示。随着v型绝缘子夹角的增加，绝缘子的最大形变位移先减小再增大，且随着风力等级的不断增加，绝缘子的最大形变位移也逐渐增加。在v型绝缘子夹角为60～110°时，绝缘子的形变位移受风载荷的影响最小，且最大形变位移不超过0.02m。综合分析v型绝缘子迎风侧、背风侧的受力和绝缘子整体形变位移，当绝缘子夹角θ为载荷夹角φ的2倍时，迎风侧绝缘子和背风侧绝缘子的受力和形变位移最小。

(二)在考虑覆冰载荷的影响时，分析重力载荷、风载荷和覆冰载荷综合作用下的绝缘子的形变位移和受力大小，最终确定v型绝缘子的最佳悬挂角度。

(1)覆冰载荷下v型复合绝缘子受力分析

对v型绝缘子施加横向水平载荷6.23kn，施加重力载荷24.2kn和不同大小的不平衡张力。在不同覆冰载荷、重力载荷和风载荷下，迎风侧v型绝缘子的受力与绝缘子夹角之间的关系，如图6所示。

覆冰绝缘子受力的变化趋势与不考虑覆冰载荷时相同，随着绝缘子夹角的增大，迎风侧绝缘子的受力先减小后增加。当绝缘子夹角小于100°时随着覆冰载荷的增加，迎风侧绝缘子受力增加；当绝缘子夹角大于100°时，随着覆冰载荷的增加，迎风侧绝缘子受力变小。

背风侧绝缘子受力在覆冰载荷、风载荷和重力载荷作用下随绝缘子夹角变化如图7所示。背风侧绝缘子受力在不同覆冰载荷下基本不变，可见覆冰载荷对背风侧绝缘子受力大小的影响较小，影响绝缘子受力大小的主要因素为风速和绝缘子夹角。当绝缘子角度过大时，随着不平衡张力的增大，绝缘子受力逐渐变小。

由于绝缘子顶端与输电线路杆塔之间是铰链连接的形式，v型绝缘子会首先沿着重力与覆冰载荷的合力方向发生偏转，偏转后的绝缘子在风力载荷的作用下会发生形变位移，不同覆冰载荷v型绝缘子的最大形变位移与绝缘子夹角之间的关系如图8所示。随着v型绝缘子夹角的逐渐增大，v型绝缘子的所受形变位移逐渐减小，且覆冰载荷越大绝缘子的形变位移越大。主要是由于绝缘子的最大形变位移与绝缘子所受合力大小呈正相关的关系，随着绝缘子夹角的增大，绝缘子所受压力逐渐变为拉力，在拉力的作用下，绝缘子发生微小的形变位移，此时在不同的覆冰载荷下绝缘子发生的形变位移具有很小的差别。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。