一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真方法与流程

1.本发明涉及一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真方法，属于大跨越输电技术领域。


背景技术：

2.大跨越是输电线路中极其重要的组成部分，随着跨区域新能源送及超特高压电网的建设，大跨越的跨距和跨越高度不断被刷新，已建成的浙江500kv西堠门大跨越越主跨档距2656米、主跨越全高380米、主跨塔单基塔重6350吨；正在施工的江苏500kv江阴大跨越主跨档距2550米、主跨越全高385米、主跨塔单基塔重5200吨。
3.大跨越的主跨塔高、塔重主要受控于通航高度、导线弧垂和荷载。有别于陆上常规的输电线路，大跨越线路主跨档距大、悬挂点高、江/海面开阔、吸收风大、激振风速范围广、稳流持续时间长、风频范围宽，需要合理控制导地线的平均运行张力以减少各节点处(线夹、防振装置、间隔棒)的动弯应变，大跨越线路的导线悬挂点平均运行张力上限，一般不应超过抗拉强度的25％并应通过防振试验确定。
4.对于大跨距的大跨越线路，防振设施、间隔棒及耐张串等附件会对导地线悬挂点张力和跨中弧垂的影响较大，采用抛物线、斜抛物线和悬链线公式不能准确的计算导地线悬挂点张力和跨中弧垂，难以在施工阶段进行调整达到设计线形，进而会对工程投资和大跨越的运行安全性构成严重的不利影响。在控制导线悬挂点平均运行张力的基础上，采用精确的方法进行悬索找形、计算水平方向平均运行张力、校验通航高度、计算施工参数是大跨越线路安全可靠运行的先决条件。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真方法，能够对大跨越输电线路悬索进行受力分析，提供施工安装技术参数。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真方法，包括：
7.初步确定大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、计算找形前悬索的初始状态；
8.根据悬索初始状态进行耐张串、悬索和悬垂串有限元建模，得到有限元模型；对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，以悬挂点平均运行张力作为控制力；通过模型找形，计算水平方向平均运行张力，取悬索各档的最小值为平均运行张力控制值；
9.设置悬索平均温度，根据平均运行张力控制值更新有限元模型，得到平均温工况、悬垂串为铅垂状态下的大跨越有限元悬索模型；
10.更新约束、载荷和悬索材料密度，设置悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、提取用于
跨塔设计的荷载、获得所需节点坐标。
11.结合第一方面，进一步地，所述计算找形前悬索的初始状态，包括：
12.以小号侧锚塔为线路坐标起点，采用运行经验或防振试验确定的悬挂点平均运行张力t
0max
作为悬索初始张力值，采用平抛物线、斜抛物线或悬链线公式计算找形前悬索的初始状态。
13.结合第一方面，进一步地，所述采用平抛物线计算找形前悬索的初始状态，通过下式表示：
[0014][0015]
式(1)中，n为悬索所处的档位；x
n,i
、y
n,i
分别为节点i处的坐标；lk为计算点所处档的档距；x
temp
为计算点距小号侧塔位中心的距离；h
n+1
、hn分别为大号侧及小号侧杆塔挂点高度；λ
n+1
、λn分别为大号侧及小号侧悬垂串长度，锚塔处取值零；p为导线自重。
[0016]
结合第一方面，进一步地，所述耐张串视作为与导线材料属性不同的均匀柔性结构，耐张串单元的密度可表示为：
[0017][0018]
式(2)中，ρm为耐张串单元的密度；gm为耐张串质量；am为耐张串等效截面；ηm为耐张串串长；n为导线分裂数。
[0019]
结合第一方面，进一步地，所述调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高，步骤包括：
[0020]
取消导线悬垂线夹施加的固定约束，在悬垂串联塔挂点施加位移约束，设置悬索最高运行线温，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，得到最高运行线温弧垂；
[0021]
根据最高运行线温弧垂，判断通航高度和跨越距离是否满足预设要求，响应于不满足预设要求，则调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高，直到通航高度和跨越距离满足预设要求。
[0022]
结合第一方面，进一步地，所述提取用于跨塔设计的荷载，步骤包括：
[0023]
取消导线悬垂线夹施加的固定约束，在悬垂串联塔挂点施加位移约束，针对不同气象条件设置悬索温度、材料密度和水平风载荷，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，获得单元张力和节点坐标；
[0024]
根据单元张力，判断各气象条件悬挂点最大张力是否超过设计允许值，若超过，则减小悬挂点平均运行张力，直到悬挂点最大张力不超过设计允许值；若不超过，则提取用于跨塔设计的荷载，包括水平载荷、纵向载荷和垂直载荷。
[0025]
结合第一方面，进一步地，所述获得所需的节点坐标，还包括获得施工后用作观测的节点坐标，步骤包括：
[0026]
对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，设置
施工气象条件的悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，获得施工后用作观测的节点坐标。
[0027]
结合第一方面，进一步地，所述获得所需的节点坐标，还包括获得施工时的节点坐标，步骤包括：
[0028]
更新牵张侧的耐张串材料和导线材料，取消节点处的防振装置、间隔棒集中荷载，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，获得施工时的节点坐标。
[0029]
结合第一方面，进一步地，所述模型找形采用upgeom或upcoord命令，尺度因子μ按以下判断提高迭代速度和准确性：
[0030][0031]
式(3)中，err为悬挂点平均运行张力误差系数，以悬挂点平均运行张力t
0max
作为控制力计算水平方向平均运行张力时，通过下式计算：
[0032]
err＝(t
n,j-t
0max
)/t
0max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0033]
式(4)中，t
n,j
为第n档j单元的轴向力。
[0034]
第二方面，本发明提供了一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真计算系统，包括：
[0035]
第一计算模块：用于初步确定大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、计算找形前悬索的初始状态；
[0036]
第二计算模块：用于根据悬索初始状态进行耐张串、悬索和悬垂串有限元建模，得到有限元模型；对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，以悬挂点平均运行张力作为控制力；通过模型找形，计算水平方向平均运行张力，取悬索各档的最小值为平均运行张力控制值；
[0037]
模型输出模块：用于设置悬索平均温度，根据平均运行张力控制值更新有限元模型，得到平均温工况、悬垂串为铅垂状态下的大跨越有限元悬索模型；
[0038]
第三计算模块：用于更新约束、载荷和悬索材料密度，设置悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、提取用于跨塔设计的荷载、获得所需节点坐标。
[0039]
与现有技术相比，本发明实施例所提供的一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真方法，所达到的有益效果包括：
[0040]
本发明初步确定大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、计算找形前悬索的初始状态；根据悬索初始状态进行耐张串、悬索和悬垂串有限元建模，得到有限元模型；对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，以悬挂点平均运行张力作为控制力；通过模型找形，计算水平方向平均运行张力，取悬索各档的最小值为平均运行张力控制值；设置悬索平均温度，根据平均运行张力控制值更新有限元模型，得到平均温工况、悬垂串为铅垂状态下的大跨越有限元悬索模型；本发明提供了用于进行大跨越输电线路悬索有限元计算的大跨越有限元悬索模型；
[0041]
本发明更新约束、载荷和悬索材料密度，设置悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、提取用于跨塔设计的荷载、获得所需节点坐标。本发明能够快速精确计算附件有载和无载下的大跨越导地线平衡状态，准确计算防振设施、间隔棒及耐张串等附件对大跨越悬挂点张力和导线弧垂的影响，提取水平、纵向、垂直荷载用于杆塔设计，提供安装技术参数用于指导线路施工，本发明的相关技术亦可用于不均匀覆冰不平衡张力计算以及特高压大吨位耐张串的仿真计算。
附图说明
[0042]
图1是本发明提供的一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真计算方法的流程图；
[0043]
图2是本发明提供的一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真计算方法中大跨越输电线路悬索的线性示意图；
[0044]
图3是本发明提供的一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真计算方法中水平方向张力的示意图。
[0045]
图中：1、锚塔；2、跨越塔；3、悬垂串；4、耐张串；5、导线；6、间隔棒；7、防振装置；8、次跨档；9、主跨档。
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0047]
实施例一：
[0048]
如图1所示，本实施例提供了一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真方法，包括：
[0049]
初步确定大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、计算找形前悬索的初始状态；
[0050]
根据悬索初始状态进行耐张串、悬索和悬垂串有限元建模，得到有限元模型；对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，以悬挂点平均运行张力作为控制力；通过模型找形，计算水平方向平均运行张力，取悬索各档的最小值为平均运行张力控制值；
[0051]
设置悬索平均温度，根据平均运行张力控制值更新有限元模型，得到平均温工况、悬垂串为铅垂状态下的大跨越有限元悬索模型；
[0052]
更新约束、载荷和悬索材料密度，设置悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、提取用于跨塔设计的荷载、获得所需节点坐标。
[0053]
如图2所示，大跨越输电线路悬索包括三段：两端耐张段，耐张段中间为导线段。大跨越锚塔1、跨越塔2构成主跨档和次跨档。悬垂串3悬挂在跨越塔2顶部、耐张串4与锚塔1相连，导线5通过悬垂串3、耐张串4构成悬链线状架空线。导线5的子导线间通过间隔棒6支撑形成多边形结构，防振装置7在导线临近悬垂串3、耐张串4处固定起到阻尼防振作用。悬垂
串3为刚性结构，悬垂串3能够在跨越塔2顶部联塔端旋转。耐张串4和导线5分别为不同材料属性的均匀柔性结构。间隔棒6、防振装置7作为分部的集中荷载施加在导线节点上。
[0054]
具体步骤包括：
[0055]
步骤1：根据防洪、通航和地质地形等要求，初步确定大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高。
[0056]
步骤2：计算找形前悬索的初始状态。
[0057]
以小号侧锚塔为线路坐标起点，采用运行经验或防振试验确定的悬挂点平均运行张力t
0max
作为悬索初始张力值，采用平抛物线、斜抛物线或悬链线公式计算找形前悬索的初始状态。
[0058]
采用平抛物线计算找形前悬索的初始状态，通过下式表示：
[0059][0060]
式(1)中，n为悬索所处的档位；x
n,i
、y
n,i
分别为节点i处的坐标；lk为计算点所处档的档距；x
temp
为计算点距小号侧塔位中心的距离；h
n+1
、hn分别为大号侧及小号侧杆塔挂点高度；λ
n+1
、λn分别为大号侧及小号侧悬垂串长度，锚塔处取值零；p为导线自重。
[0061]
步骤3：根据悬索初始状态进行耐张串、悬索和悬垂串有限元建模，得到有限元模型；对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，以悬挂点平均运行张力作为控制力。通过模型找形，计算水平方向平均运行张力，取悬索各档的最小值为平均运行张力控制值。
[0062]
耐张串视作为与导线材料属性不同的均匀柔性结构，耐张串单元的密度可表示为：
[0063][0064]
式(2)中，ρm为耐张串单元的密度；gm为耐张串质量；am为耐张串等效截面；ηm为耐张串串长；n为导线分裂数。
[0065]
各档以悬挂点平均运行张力t
0max
作为控制值计算水平方向平均运行张力独立进行，取所有档的水平方向张力最小值t0作为平均运行张力控制值min(t0,
…
,t
0n
…
)。
[0066]
如图3所示，第n档水平方向张力而言，可采用下式计算：
[0067]
t
0n
＝t
n,j
·
abs(cosβ
n,j
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0068]
式(3)中，t
n,j
为第n档j单元的轴向力；cosβ
n,j
为单元的水平斜率余弦值。
[0069]
模型找形采用upgeom或upcoord命令，尺度因子μ按以下判断提高迭代速度和准确性：
[0070][0071]
式(4)中，err为悬挂点平均运行张力误差系数，
[0072]
以悬挂点平均运行张力t
0max
作为控制力计算水平方向平均运行张力时，悬挂点平均运行张力误差系数可采用下式计算：
[0073]
err＝(t
n,j-t
0max
)/t
0max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)。
[0074]
步骤4：设置悬索平均温度，根据平均运行张力控制值更新有限元模型，得到平均温工况、悬垂串为铅垂状态下的大跨越有限元悬索模型。
[0075]
以平均运行张力t0作控制值对所有档进行悬索找形和模型更新时，平均运行张力误差系数可采用下式计算：
[0076]
err＝(t
0n-t0)/t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)。
[0077]
步骤5：调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高。
[0078]
步骤5.1：取消导线悬垂线夹施加的固定约束，在悬垂串联塔挂点施加位移约束，设置悬索最高运行线温，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，得到最高运行线温弧垂。
[0079]
步骤5.2：根据最高运行线温弧垂，判断通航高度和跨越距离是否满足预设要求，响应于不满足预设要求，则调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高，直到通航高度和跨越距离满足预设要求。
[0080]
步骤6：提取用于跨塔设计的荷载。
[0081]
步骤6.1：取消导线悬垂线夹施加的固定约束，在悬垂串联塔挂点施加位移约束，针对不同气象条件设置悬索温度、材料密度和水平风载荷，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，获得单元张力和节点坐标。
[0082]
步骤6.2：根据单元张力，判断各气象条件悬挂点最大张力是否超过设计允许值，若超过，则减小悬挂点平均运行张力，直到悬挂点最大张力不超过设计允许值；若不超过，则提取用于跨塔设计的荷载，包括水平载荷、纵向载荷和垂直载荷。
[0083]
步骤7：获得施工后用作观测的节点坐标。
[0084]
对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，设置施工气象条件的悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，获得施工后用作观测的节点坐标。
[0085]
步骤8：获得施工时的节点坐标。
[0086]
更新牵张侧的耐张串材料和导线材料，取消节点处的防振装置、间隔棒集中荷载，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，获得施工时的节点坐标。
[0087]
本发明能够快速精确计算附件有载和无载下的大跨越导地线平衡状态，准确计算防振设施、间隔棒及耐张串等附件对大跨越悬挂点张力和导线弧垂的影响，提取水平、纵向、垂直荷载用于杆塔设计，提供安装技术参数用于指导线路施工，本发明的相关技术亦可用于不均匀覆冰不平衡张力计算以及特高压大吨位耐张串的仿真计算。
[0088]
实施例二：
[0089]
本实施例提供一种一种大跨越输电线路悬索找形及受力仿真系统，包括：
[0090]
第一计算模块：用于初步确定大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、计算找形前悬索的初始状态；
[0091]
第二计算模块：用于根据悬索初始状态进行耐张串、悬索和悬垂串有限元建模，得到有限元模型；对导线悬垂线夹施加固定约束，在耐张串、间隔棒对应节点处施加集中荷载，以悬挂点平均运行张力作为控制力；通过模型找形，计算水平方向平均运行张力，取悬索各档的最小值为平均运行张力控制值；
[0092]
模型输出模块：用于设置悬索平均温度，根据平均运行张力控制值更新有限元模型，得到平均温工况、悬垂串为铅垂状态下的大跨越有限元悬索模型；
[0093]
第三计算模块：用于更新约束、载荷和悬索材料密度，设置悬索温度，使用大跨越有限元悬索模型进行有限元求解，根据求解结果，调整大跨越输电线路主跨塔间的跨距及主跨塔塔高、提取用于跨塔设计的荷载、获得所需节点坐标。
[0094]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。