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
【专利说明】
[0001]
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。
[0002]
【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。
[0003] 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。
[0004]
【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。
[0005] 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型绝缘子串一导线耦合 丰旲型； 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。
[0006] 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°。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010] 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。 [0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014]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。
[0015]
【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。
[0016]
【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型绝缘子串一导线耦合 丰旲型； 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。
[0017] -、确定风载荷和振动系数。
[0018] 由于作用在结构上的风是由平均风r与脉动风r组成的，平均风可以用静力 的方法进行分析计算，而脉动风是均值为〇的随机变量，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。
[0019]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1^。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P的乘积表示。
[0020] z高度处某单元风荷载作用下的内力和mi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，編为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1????与平均风作用下节点位移&的比值：
[0021] 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