220kV输电线路塔线耦联体系覆冰仿真方法与流程

本发明涉及一种220kv输电线路塔线耦联体系覆冰仿真方法，属输电线技术领域。

背景技术：

输电线路的安全稳定运行是保障电能传输的关键。我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家，在冬季，长期的低温与冻雨、降雪等天气条件下，输电导、地线及杆塔表面会附着积雪形成覆冰。覆冰会引发线路结构的力学失效，从而导致倒塔、断线等机械损伤事故，导致大面积的线路故障。目前我国采用的设计规范中，铁塔荷载计算将塔和导线分开考虑，设计杆塔时的覆冰荷载验算也是针对固定的工况，对于极端天气情况下输电线路的实际过载能力则无法考虑。而实际的输电线路是由多个输电铁塔及导地线连接而成的整体，在外部荷载的作用下，输电铁塔、绝缘子以及架空线之间会相互影响。频发的覆冰事故暴露出现行设计规范存在着一定的局限性，难以满足实际运行的需求。因此需要考虑输电塔—线—绝缘子的耦合特性，建立更为合理的分析模型。

国内外学者针对输电线路塔线耦联体系覆冰的仿真分析做了大量研究，并取得了一定的成果，但是仍然存在以下不足：1.现有研究多采用等效处理的方式，即将分裂导线等效为一根导线进行分析，忽略了子导线之间的耦合。2.实际输电线路同一耐张段内导线水平应力处处相同，线路建设竣工时悬垂绝缘子会保持在竖直状态，而现有研究大多忽略了建模过程中对导线赋予相同初应变而导致的直线塔绝缘子偏移，没有对塔线体系进行初始找形，或者考虑了塔线体系的初始找形，但是计算较为复杂且收敛速度慢。3.在覆冰的计算与有限元仿真中，通常假设覆冰在架空线表面均匀分布，采用多种等效的方法进行覆冰的模拟，对动力作用下覆冰的惯性没有进行充分考虑；4.现有研究方法多是针对覆冰单一工况的研究，而实际输电线暴露在恶劣的自然环境下，必须考虑多种耐候性考验，且线路覆冰通常伴随着微风，需要考虑覆冰载荷和微风载荷共同作用下的响应特性。

技术实现要素：

本发明的目的是，针对输电线路塔线耦联体系覆冰的仿真分析的现行研究存在的不足，提出一种220kv输电线路塔线耦联体系覆冰仿真方法，集建模、找形、覆冰计算为一体。

实现本发明的技术方案如下，一种220kv输电线路塔线耦联体系覆冰仿真方法，所述方法包括以下步骤：

(1)覆冰输电塔线耦联体系有限元建模；包括利用单元镜像命令对铁塔进行建模；对绝缘子及分裂导线间隔棒建模；对分裂子导线和地线建模；

(2)对输电线路塔线耦联体系进行找形；

(3)输电线路塔线耦联体系覆冰载荷计算；

(4)输电线路塔线耦联体系覆冰-风载荷计算；

(5)覆冰下响应计算及数据提取分析。

所述塔线耦联体系有限元建模方法如下：

输电线在自然悬挂状态下所形成的形状为悬链线；架空导线的悬链线方程式：

式中：lh＝0为等高悬点架空线的悬链线长度(m)；σ0为弧垂最低点的轴向应力(mpa)；γ为架空线自重比载(mpa/m)；q为架空线的单位长度质量(kg/km)；a为架空线的截面积(mm²)；h为架空线两端悬挂点的高差(m)。

根据悬链线方程将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导地线模型，从而得到塔线耦联体系的初始有限元模型。

所述对输电线路塔线耦联体系找形步骤如下：

得到的塔线耦联体系有限元模型施加初应变，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。

所述输电线路塔线耦联体系覆冰载荷计算如下：

采用附加质量单元法对覆冰荷载进行模拟，雨凇覆冰的等效模型为与架空线同心的空心圆柱体，密度取0.9g/cm³，覆冰的体积计算公式为：

式中：v是单位长度覆冰体积/m³；d是架空线计算外径/mm；b是覆冰厚度/mm；

覆冰的载荷为单位长度架空线上覆冰的重力，则单位长度架空线的覆冰荷载为：

式中：f冰是架空线单位长度覆冰荷载/n；d是架空线计算外径/mm；b是覆冰厚度/mm；g是重力加速度，取9.8m·s^-2。

所述输电线路塔线耦联体系覆冰-风载荷计算如下：

架空线在覆冰状态时，整体的外径变大，使得架空线的迎风面积增加。覆冰时的单位长度架空线的风压计算公式为：

fv＝βcαfμcsb(d+2b)wvsin²θ×10^-3(4)

式中：fv是单位长度架空线覆冰风压值/n；βc是风载荷调整系数；αf是风压不均匀系数；μcs是风载体形系数；b是覆冰风载增大系数；wv是风速为v时的风压标准值/pa；d是架空线外径/mm；b是覆冰厚度/mm；θ是风向与线路方向所成夹角/°。

所述覆冰下响应计算及数据提取分析方法如下：

将得到的覆冰荷载或覆冰风荷载施加在有限元模型对应节点上，在求解器中进行求解；计算结束后，在通用后处理器中提取结构位移、应力和不平衡张力数据，从而对输电线路的覆冰和覆冰-风致响应进行分析。

本发明的有益效果在于，本发明提出一种基于ansysapdl语言的集建模、找形、覆冰计算为一体的多工况输电塔线耦联体系覆冰仿真方法。本发明适用于对覆冰灾害频发地区的输电线路进行覆冰响应分析，在此次基础上对输电线路进行局部加固或覆冰灾害预警，以期将灾害损失降到最低。

本发明采用单元镜像命令进行精细化塔线有限元建模，建模周期短，计算效率高；根据分裂导线的实际排列方式建模，考虑了分裂导线子导线间的耦合作用，模型更加精细。本发明将解析法及有限元法相结合对导线进行模拟，解决了架空线有限元建模及找形的技术难题。首先，根据悬链线公式对架空线进行建模，建模完成后对塔-线耦联体系进行自重下的迭代求解，根据自重下的位移更新塔-线耦联体系的坐标，最终得到精确的模型。本发明采用附加质量单元法对覆冰荷载进行模拟，充分考虑了覆冰的重力作用和惯性作用，其该方法操作方便，计算精度高，对于覆冰架空线的静力分析和动力分析均可适用

附图说明

图1为镜像单元前的铁塔塔腿有限元模型；

图2为镜像单元后的铁塔塔腿有限元模型；

图3是输电线路塔线耦联体系找形流程图；

图4是输电线路塔线耦联体系找形结果图；

图4(a)为调整前；

图4(b)为调整后；

图5是找形结束后的输电线路塔线耦联体系有限元模型；

图6是找形结束后的输电线路塔线耦联体系有限元模型；

图7是覆冰工况下输电线轴力曲线；

图8是覆冰-风组合工况下输电线端部轴力时程曲线；

图9是覆冰-风组合工况下输电铁塔不平衡张力时程曲线；

图中，1是导线；2是光缆；3是地线；4是静态；5是动态。

具体实施方式

下面举例说明本发明的实施过程。

本实施例为江西电网220kv某单回路架空输电线路的一个耐张段。该耐张段含有三基铁塔，中间铁塔为直线塔，型号为zmc4-27；两端铁塔为耐张塔，型号为jci-30。左右档距分别为137m、462m。导线为竖直排列二分裂导线，导线型号为2×jl/g1a-300/40，地线型号为opgw-36b1-120，地线型号为jlb35-120。

本实施例输电线路塔线耦联体系覆冰仿真方法，主要包括以下步骤：

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，充分利用输电铁塔的高度对称性，利用单元镜像命令对铁塔进行建模，将镜像单元后多余的节点和单元进行合并。以耐张塔塔腿建模为例，图1所示为镜像前的塔腿有限元模型，图2所示为镜像后的塔腿有限元模型。

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；

将分裂导线、地线相关参数代入悬链线方程(1)，

根据方程式将子导线和地线离散成一系列1m为间隔节点，将这些节点连接形成导地线模型，得到塔线耦联体系的初始有限元模型。

步骤2：对输电线路塔线耦联体系进行找形；

找形流程图如图3所示，对步骤1得到的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，对塔线耦联体系进行自重分析，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节点坐标，重新进行重力求解，重复上述过程，直至位移与应力达到收敛精度，找形完成。找形结束后的输电线路三塔两线模型如图4所示，图4(a)为调整前，图4(b)为调整后；耐张塔的放大图如图5和图6所示。

步骤3：输电线路塔线耦联体系覆冰载荷计算；

根据实测覆冰厚度，根据公式(3)计算对应的覆冰荷载大小。

步骤4：输电线路塔线耦联体系覆冰-风组合载荷计算；

根据实测风速以及风向角，根据公式(4)计算对应的覆冰-风荷载大小：

fv＝βcαfμcsb(d+2b)wvsin²θ×10^-3(4)

步骤5：覆冰响应计算及数据提取分析。

将步骤3或4得到的覆冰荷载覆冰-风组合荷载施加在有限元模型对应节点上，在求解器中进行求解。覆冰工况下输电线轴力曲线如图7所示，覆冰-风组合工况下输电线端部轴力时程曲线如图8所示，覆冰-风组合工况下输电铁塔不平衡张力时程曲线如图9所示。

计算结束后，在通用后处理器中提取结构位移、应力时程、不平衡张力等曲线，从而对输电线路的覆冰响应进行分析。