特高压输电线路多联V型绝缘子串力学特性仿真模拟方法

摘要

本发明公开了一种特高压输电线路多联V型绝缘子串力学特性仿真模拟方法，其技术方案是：首先确定风载荷和V型绝缘子串结构的风振系数，风振系数一种是内力风振系数；另一种是位移风振系数，然后进行V型绝缘子串力学建模，采用有限元理论，利用CAD与有限元软件对V型绝缘子串建立起V型绝缘子串--导线耦合模型；再进行V型绝缘子串力学特性仿真加载，最后基于以上工作，进行力学分析，对于分析结果，可以通过观察不同工况下V型绝缘子串的受力变化来验证。本发明采用有限元软件建立了悬垂绝缘子串与V型绝缘子串模型，对其进行静力和动力时程分析，分别得到了悬垂绝缘子串的最大风偏角，为V型绝缘子串夹角的优化设计提供理论依据。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种输电线绝缘子动力学特性研究，特别是涉及一种特高压输电线路多联V型绝缘子串力学特性仿真模拟方法。

背景技术：

在特高压输电线路工程设计与施工中，很多包括过电压与绝缘配合、耐污特性、防雷特性、线路环境、设备研制、运行维护等关键技术问题以及铁塔组立、张力架线、变电基础等施工方面的问题均不同于以往的高压或超高压输电线路，亟待研究和解决。

在特高压输电线路工程中，采用V型组装绝缘子串的目的是最大限度地限制绝缘子串摇摆角，以减小塔头尺寸及减小线路走廊宽度，V型绝缘子串一般用在酒杯型、门型、猫头型等直线杆塔上，在实际工程中，由于V型绝缘子串属于大位移、非刚性、非柔性的受力体系，所以使得其受力分析十分复杂，以往在计算中常常用不受压的刚性杆(铰接)来解决这个问题，并且在计算过程中V串是以10分钟以上的平均风速进行静力等效计算，这样很方便的确定了单元的拉力和压力，然而随着人们在实际工作中对V串运行情况的认识，发现V串亦具有一定程度的摇摆角存在，这就是说，以往的刚性杆的简化还存在一定的问题，它不能反映在风荷载作用下V型绝缘子串轴力随时间变化的情况，特别是结构单元由拉力变为同等量级的压力。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种简单实用、模拟准确且容易实施的特高压输电线路多联V型绝缘子串力学特性仿真模拟方法。

本发明的技术方案是：

一种特高压输电线路多联V型绝缘子串力学特性仿真模拟方法，包括以下步骤：

a、确定风载荷，作用在结构上的风是由平均风与脉动风组成的，平均风用静力的方法进行分析计算，而脉动风是均值为零的随机变量，引起的振动必定在平均风作用下的平衡位置附近，引入随机振动的理论，将风振效应理解为由于脉动风的作用，平均风下的效应得到加强；

b、确定V型绝缘子串结构的风振系数，风振系数一种是内力风振系数；另一种是位移风振系数，内力风振系数定义为单元在平均风和脉动风共同作用下的内力总和与平均风荷载作用下内力的比值，位移风振系数定义为节点在平均风和脉动风荷载共同作用下位移的总和与平均风作用下节点位移的比值；

c、进行V型绝缘子串力学建模，根据悬垂绝缘子串、V型绝缘子串与导线的几何特征，采用有限元理论，利用CAD与有限元软件对V型绝缘子串建立起V型绝缘子串--导线耦合模型；

d、进行V型绝缘子串力学特性仿真加载，首先确定V型绝缘子串的夹角，通过有限元软件针对该夹角内的不同工况进行静力分析，再通过有限元分析结果对比V型绝缘子串在不同角度下的受力特性；其次对应每一个工况进行静力风荷载的施加，荷载施加在导线与绝缘子串的节点之上，以此模拟均布荷载作用在体系上；

e、基于以上工作，进行力学分析，对于分析结果，可以通过观察不同工况下V型绝缘子串的受力变化来验证。

在步骤d中，所述夹角基本处在70°-120°之间，进行静力分析时所述夹角分别取80°、90°和100°。

在有限元模型中，金具和间隔棒对绝缘子串力学特性有限元计算影响比较小，在有限元建模时对其进行了简化处理，绝缘子串-导线的耦合体系中，导线使用CABLE单元，对导线进行找形，施加初始张力、弧垂，从而完成导线的建模，由于绝缘子串刚度大，仅允许有很小的弯曲和轴向变形现象，因此采用刚性杆模拟绝缘子串。

有限元模型的连接及边界条件：绝缘子串与塔身连接处为铰接；绝缘子串下端与钢板连接处设为铰接，此处根据实际情况释放90°风方向的弯矩，使之在此方向上可以转动；钢板和金具的连接采用刚接；间隔棒简化为“王”字型，与金具连接也是刚接。

通过静力和动力时程分析，分别得到了悬垂绝缘子串的最大风偏角，按照《风荷载设计规范》，通过静力计算得到的风偏角为21.04°；通过风模拟计算得到的风偏角为32.10°，远大于静力计算结果，规范中关于风荷载的系数取值偏小。

通过改变脉动系数来改变了脉动风的大小，结果表明，风偏角大体上随着脉动系数的增大而增大，尤其在脉动系较大时，脉动系数的变化，导致风偏角的变化比较显著。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用有限元软件建立了悬垂绝缘子串与V型绝缘子串模型，对其进行静力和动力时程分析，分别得到了悬垂绝缘子串的最大风偏角，为V型绝缘子串夹角的优化设计提供理论依据。

2、本发明采用有限元模型时，绝缘子串与塔身连接处为铰接；绝缘子串下端与钢板连接处设为铰接，此处根据实际情况释放90°风方向的弯矩，使之在此方向上可以转动；钢板和金具的连接采用刚接；间隔棒简化为“王”字型，与金具连接也是刚接，模型建立完成后，即可进行荷载的施加，方便快捷。

3、本发明在有限元建模时对金具和间隔棒进行了简化处理，方便加载，在绝缘子串-导线的耦合体系中，导线使用CABLE单元，对导线进行找形，施加初始张力、弧垂等，从而完成导线的建模，效率高，同时由于绝缘子串刚度大，仅允许有很小的弯曲和轴向变形现象，因此采用刚性杆模拟绝缘子串，模拟效果更好。

4、本发明简单实用、模拟准确且容易实施，其适用范围广，易于推广实施，具有良好的经济效益。

附图说明：

图1为平均风速和脉动风速的示意图；

图2为V型绝缘子串的结构示意图；

图3为V型绝缘子串的CAD简化模型图；

图4为V型绝缘子串-导线耦合模型的示意图；

图5为不同夹角的V型绝缘子串的示意图。

具体实施方式：

一种特高压输电线路多联V型绝缘子串力学特性仿真模拟方法，包括以下步骤：

a、确定风载荷，作用在结构上的风是由平均风与脉动风组成的，平均风用静力的方法进行分析计算，而脉动风是均值为零的随机变量，引起的振动必定在平均风作用下的平衡位置附近，引入随机振动的理论，将风振效应理解为由于脉动风的作用，平均风下的效应得到加强；

b、确定V型绝缘子串结构的风振系数，风振系数一种是内力风振系数；另一种是位移风振系数，内力风振系数定义为单元在平均风和脉动风共同作用下的内力总和与平均风荷载作用下内力的比值，位移风振系数定义为节点在平均风和脉动风荷载共同作用下位移的总和与平均风作用下节点位移的比值；

c、进行V型绝缘子串力学建模，根据悬垂绝缘子串、V型绝缘子串与导线的几何特征，采用有限元理论，利用CAD与有限元软件对V型绝缘子串建立起V型绝缘子串--导线耦合模型；

d、进行V型绝缘子串力学特性仿真加载，首先确定V型绝缘子串的夹角，通过有限元软件针对该夹角内的不同工况进行静力分析，再通过有限元分析结果对比V型绝缘子串在不同角度下的受力特性；其次对应每一个工况进行静力风荷载的施加，荷载施加在导线与绝缘子串的节点之上，以此模拟均布荷载作用在体系上；

e、基于以上工作，进行力学分析，对于分析结果，可以通过观察不同工况下V型绝缘子串的受力变化来验证。

一、确定风载荷和振动系数。

由于作用在结构上的风是由平均风与脉动风组成的，平均风可以用静力的方法进行分析计算，而脉动风是均值为0的随机变量，引起的振动必定在平均风作用下的平衡位置附近。要引入随机振动的理论才能加以分析，可以将风振效应理解为：由于脉动风的作用，平均风下的效应得到加强。参见图1。

V串的振动特性主要体现在结构的振动系数上，振动系数通常定义为风引起结构的总响应与平均风产生的响应之比。风振系数有两种表达形式。一种是内力风振系数，记作；另一种是位移风振系数，记作。内力风振系数定义为单元在平均风和脉动风共同作用下的内力总和与平均风荷载作用下内力的比值。位移风振系数定义为节点在平均风和脉动风荷载共同作用下位移的总和与平均风作用下节点位移的比值。在工程设计中，习惯于用风振系数来考虑风的脉动效应作用。规范中等效静力风荷载用静力风荷载和风振系数的乘积表示。

z高度处某单元风荷载作用下的内力和由平均风和脉动风两部分风荷载引起的单元轴力组成，即

其中，为z高度处某单元的平均风荷载内力值，为z高度处某单元脉动风荷载内力值。用风荷载内力和和平均风荷载内力值的比值可以得到内力风振系数的一般表达式：

（3-1）

位移风振系数也比较常用，它定义为节点在平均风和脉动风荷载共同作用下位移的总和与平均风作用下节点位移的比值：

（3-2）。

二、V型绝缘子串力学建模

根据悬垂绝缘子串、V型绝缘子串与导线的几何特征，采用有限元理论，利用CAD与有限元软件对于如图2的V型绝缘子串，可建立起V型绝缘子串-导线耦合模型，如图3。

有限元模型中，金具和间隔棒对绝缘子串力学特性有限元计算影响比较小，因此在有限元建模时对其进行了简化处理。绝缘子串-导线的耦合体系中，导线使用CABLE单元，对导线进行找形，施加初始张力、弧垂等，从而完成导线的建模。由于绝缘子串刚度大，仅允许有很小的弯曲和轴向变形现象，因此采用刚性杆模拟绝缘子串。

有限元模型的连接及边界条件：绝缘子串与塔身连接处为铰接；绝缘子串下端与钢板连接处设为铰接，此处根据实际情况释放90°风方向的弯矩，使之在此方向上可以转动；钢板和金具的连接采用刚接；间隔棒简化为“王”字型，与金具连接也是刚接。有限元模型见图4。模型建立完成后，即可进行荷载的施加。

三、V型绝缘子串力学特性仿真

1对不同角度的V型绝缘子串。根据收集的大量国内外研究和设计资料,V型串的夹角基本处在70°-120°之间。因此可以通过有限元软件在夹角分别取80°、90°、100°的工况下进行静力分析，如图5所示。通过有限元分析结果对比V型绝缘子串在不同角度下的受力特性。

2.对应每一个工况进行静力风荷载的施加。根据《高耸结构设计规范》，导线风荷载的标准值，应按如下计算：

（3-3）

（3-4）

式中：

——垂直于导线的水平风荷载标准值（KN）；

——风压不均匀系数，应根据设计基准风速，按照下表的规定确定；

——导线及地线风荷载调整系数，对于特高压线路的高塔取1.0；

——风压高度变化系数，按现行国家标准《建筑结构荷载规范》的规定，当基准高度不是10m时，应作相应换算；

——导线的体型系数，线径小于17mm或覆冰时（不论线径大小）应取=1.2；线径大于或等于17mm时，取1.1；

——导线的外径或覆冰时的计算外径；分裂导线取所有子导线外径的总和（m）；

——风向与导线方向之间的夹角（°）；

——基准风压标准值（KN/m²），应根据基准高度的风速，按式3-4计算。

绝缘子串风荷载的标准值，应按下式计算

（3-5）

式中——绝缘子串风荷载的标准值（KN）；

——绝缘子串承受风压面积计算值（m²）；

——体型系数，取1.2。

根据规范计算出静力风荷载后，将其施加在导线与绝缘子串的节点之上，以此模拟均布荷载作用在体系上。

3.基于以上工作，进行力学分析。对于分析结果，可以通过观察三种工况下V型绝缘子串的受力变化。

采用有限元软件建立了悬垂绝缘子串与V型绝缘子串模型，对其进行了静力和动力分析，结果表明：

1）悬垂绝缘子串在风的作用下会如同一个单摆，能够随风振荡；而V型绝缘子串由于本身形成一个静定结构，又由于自身刚度较大，绝缘子串的低端位移可以忽略不计。

2）通过静力和动力时程分析，分别得到了悬垂绝缘子串的最大风偏角，按照《风荷载设计规范》，通过静力计算得到的风偏角为21.04°；通过风模拟计算得到的风偏角为32.10°，远大于静力计算结果，规范中关于风荷载的系数取值偏小。

3)通过改变Davenport谱参数——平均风速和脉动风频率，研究了Davenport谱参数的意义。随着平均风速增大，风压增大，风偏角也随着增大；而脉动风频率最大积分区间在超过5Hz时即可认为通过频率积分由Davenport谱求出的风谱能够较真实地反应实际风荷载。

4）通过改变脉动系数来改变了脉动风的大小，结果表明，风偏角大体上随着脉动系数的增大而增大，尤其在脉动系较大时，脉动系数的变化，导致风偏角的变化比较显著。

5）风压高度变化系数体现了风速随高度的变化，在不考虑风压高度变化系数的情况下得到的最大风偏角为16.66°，比按规范和动力计算时都要小，这样在设计时可能偏于不安全。风压高度系数在静力计算时不可忽略。

研究表明，V型绝缘子串夹角的变化不仅影响绝缘子串在静力和风荷载下的受力特性，在脉动风作用下同样会对自身的动力响应产生影响，由此可见，V型绝缘子串夹角的优化设计对于项目研究和工程实际设计都是十分重要的。