一种线夹回转式双摆防舞器优化方法

1.本发明属于架空输电线路保护技术领域，具体地，涉及一种线夹回转式双摆防舞器优化方法。


背景技术：

2.在架空超高压输电时，与单根导线相比，分裂导线能使输电线路的电感减小、电容增大，使其对交流电的波阻抗减小，提高线路的输电能力，所以一般采用分裂导线。
3.分裂导线在风力作用下经常会产生舞动，这种舞动对导线会产生过大的张力，使导线由于疲劳累积而断股断线，严重时，这种舞动现象会对如铁塔构件、绝缘子串一类的输电设备造成机械性损伤，更有甚者，舞动会导致铁塔倒塌。
4.因此，采取有效的方式防止输电线路的舞动是亟待解决的问题。
5.线夹回转式双摆防舞器已广泛应用于分裂导线的舞动防治中，该防舞器一般是双摆和回转式线夹搭配使用，但其配置方案和防舞效能有待优化。
6.线夹回转式双摆防舞器同时具有回转式线夹和双摆两种结构，因此同时具有降低导线覆冰不均匀度和分离导线扭转与横向振动频率的功能。然而，两种结构的参数如何配置优化，以达到适合实际输电线路的最优防舞效能，尚缺乏研究。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种线夹回转式双摆防舞器优化方法，包括线夹优化和双摆优化，通过数值模拟安装不同线夹排列方案和双摆参数防舞器的分裂导线舞动响应，对比导线典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力等四种舞动特征，找到适合实际线路的线夹回转式双摆防舞器的最优方案。
8.本发明采用如下的技术方案。
9.一种线夹回转式双摆防舞器优化方法，所述方法包括步骤：
10.(1)分裂导线只安装回转式间隔棒，考虑沿档覆冰分布和气动特性变化，对安装不同线夹配置方案回转式间隔棒的分裂导线进行舞动响应数值模拟，通过对比不同方案的线路舞动特征，得到最佳回转式线夹配置方案；
11.(2)在分裂导线上加装最优回转式线夹配置方案的双摆防舞器，考虑沿档覆冰分布和气动特性变化，对安装不同参数线夹回转式双摆防舞器的分裂导线进行舞动响应数值模拟，通过对比不同参数组合方案下的线路舞动特征，得到最优双摆结构参数。
12.进一步地，所述步骤(1)具体包括：
13.(1.1)配置不同线夹类型、数量和排列的回转式间隔棒方案；
14.(1.2)对释放了扭转自由度的子导线沿档覆冰分布及其气动特性变化进行数值模拟，获取典型覆冰截面气动参数；
15.(1.3)在分裂导线安装不同线夹配置方案的回转式间隔棒，考虑沿档覆冰分布和气动特性变化，对安装不同线夹配置方案回转式间隔棒的分裂导线进行舞动响应数值模
拟；
16.(1.4)提取典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力四种舞动特征；
17.(1.5)对比不同线夹方案下的导线舞动特征，评价各个方案的防舞效能，得到最佳回转式线夹配置方案。
18.进一步地，所述步骤(2)具体包括：
19.(2.1)确定双摆结构参数取值范围，在参数范围内组合设计不同方案的双摆结构，搭配最优回转式线夹配置方案，组合为线夹回转式双摆防舞器加装在分裂导线上；
20.(2.2)考虑沿档覆冰分布和气动特性变化，对安装不同参数线夹回转式双摆防舞器的分裂导线进行舞动响应数值模拟；
21.(2.3)提取典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力四种舞动特征；
22.(2.4)对比不同双摆参数下的导线舞动特征，评价各个防舞器的防舞效能，得到最佳参数的线夹回转式双摆防舞器。
23.进一步地，所述步骤(1.2)中，可扭转子导线沿档覆冰分布，第i层覆冰的扭矩m
i
及其所引起的导线扭转角θ
i
为：
[0024][0025][0026]
其中，d为导线直径，b为覆冰厚度，ρ
ice
为覆冰密度，g为重力加速度，β0为凝冰角，r
i
‑1为上一层覆冰叠加后所得到的导线覆冰极半径，p
b
为覆冰分层数量，l为导线档距，k为导线扭转刚度，x为导线沿档覆冰模拟点。
[0027]
进一步地，所述步骤(1.2)中，根据可扭转子导线沿档覆冰分布，建立分裂导线典型截面模型，采用流体力学软件数值模拟其绕流场模型，得到各子导线气动特性；
[0028]
其中，绕流场模型区域大小设置为8m
×
8m，风攻角α变化范围取0
°
～360
°
，每隔5
°
作为一个工况进行计算；对于不同风攻角工况，保持模型及网格不变，改变来流方向和边界条件。
[0029]
进一步地，来流方向和边界条件设置为：
[0030]
当α＝0
°
时，左边界为入口，右边界为出口，上下边界为对称边界；
[0031]
当0
°
<α<90
°
时，左边界和下边界为入口，右边界和上边界为出口；
[0032]
当α＝90
°
时，下边界为入口，上边界为出口，左右边界为对称边界；
[0033]
当90
°
<α<180
°
时，右边界和下边界为入口，左边界和上边界为出口；
[0034]
当α＝180
°
时，右边界为入口，左边界为出口，上下边界为对称边界；
[0035]
当180
°
<α<270
°
时，右边界和上边界为入口，左边界和下边界为出口；
[0036]
当α＝270
°
时，上边界为入口，下边界为出口，左右边界为对称边界；
[0037]
当270
°
<α<360
°
时，左边界和上边界为入口，右边界和下边界为出口。
[0038]
进一步地，各子导线气动特性升力f
l
、阻力f
d
、扭矩m为：
[0039][0040]
其中，ρ
air
为空气密度，v为风速，α为风攻角，c
l
、c
d
、c
m
分别为升力系数、阻力系数、
扭矩系数。
[0041]
进一步地，所述步骤(1.3)中，根据导线沿档覆冰分布和气动特性变化，将导线分为多个分段，分段应用该段典型截面气动特性，计算施加响应的气动力。
[0042]
进一步地，所述步骤(2.1)中，双摆结构参数摆锤重量范围为5kg
‑
15kg、摆臂长度范围为200mm～1000mm、张开角范围为45
°
～125
°
。
[0043]
进一步地，基于abaqus有限元软件的舞动模拟结果，输出导线典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力四种舞动特征。
[0044]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
[0045]
本发明在优化过程中考虑了与回转式线夹连接的释放了扭转自由度的子导线沿档覆冰分布及其气动特性变化，回转式线夹降低了导线受到的气动载荷，而双摆结构具有失谐功能，防止导线横向振动频率和扭转振动频率耦合。
[0046]
舞动与防舞模拟表明，线夹回转式双摆防舞器具有较好的防舞效果，与回转式间隔棒搭配使用提高了起舞临界风速，降低了导线的振动幅值和导线张力，最大化增强了导线的抗舞能力，提高了输电线路的安全性和稳定性。
附图说明
[0047]
图1是本发明所述的线夹回转式双摆防舞器优化方法流程图；
[0048]
图2是不同回转式线夹配置方案的八分裂回转式间隔棒示意图；
[0049]
图3是可扭转子导线的沿档覆冰形状分布示意图；
[0050]
图4是回转式间隔棒连接的覆冰八分裂导线的气动特性分析，a是覆冰八分裂导线的截面模型，b是覆冰八分裂导线的绕流场计算模型；
[0051]
图5是双摆结构示意图；
[0052]
图6是典型线夹回转式双摆防舞器和回转式间隔棒搭配安装方案示意图。
具体实施方式
[0053]
下面结合附图对本技术作进一步描述。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技术的保护范围。
[0054]
如图1所示，本发明所述的线夹回转式双摆防舞器优化方法，包括两步优化，第一步优化回转式线夹排列方式，第二步为优化双摆摆锤质量、摆臂长度、张开角等参数。
[0055]
优化线夹回转式双摆防舞器，包括线夹优化和双摆优化，通过数值模拟安装不同线夹排列方案和双摆参数防舞器的分裂导线的舞动响应，对比导线典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力等四种舞动特征，通过两步优化找到适合实际线路的线夹回转式双摆防舞器的最优方案。
[0056]
在第一步中，考虑与回转式线夹连接的释放了扭转自由度的子导线沿档覆冰分布及其气动特性变化，数值模拟只安装回转式间隔棒的分裂导线的舞动响应，通过对比不同回转式线夹配置方案的线路舞动的舞动特征，得到最佳回转式线夹配置方案。
[0057]
在第二步中，在分裂导线上加装最优回转式线夹配置方案的双摆防舞器，数值模拟安装了线夹回转式双摆防舞器的分裂导线的舞动响应，通过对比线夹回转式双摆防舞器不同摆锤重量、摆臂长度和张开角等参数组合方案下的线路舞动的舞动特征，得到最优摆
锤重量、摆臂长度和张开角的线夹回转式双摆防舞器。
[0058]
通过两步找到适合实际线路的线夹回转式双摆防舞器的最优方案，可最大限度的提高输电线路抗舞能力和稳定性、安全性。
[0059]
线夹优化的具体步骤：
[0060]
(1)回转式间隔棒具有不同的线夹配置形式，可以将部分线夹设计成可自由回转，或在一定角度范围内回转。一般情况是在n个线夹中，有n/2个线夹能自由回转。
[0061]
本发明实施例中，以八分裂回转式间隔棒为例。
[0062]
如图2所示，八分裂回转式间隔棒不同的回转式线夹配置方案，包括固定式线夹(fixed clamp)和回转式线夹(rotation free clamp)。方案一(scheme 1)为普通的八分裂阻尼间隔棒，八个线夹全为固定式，约束所有平动和转动自由度，可用于对比评价其他线夹配置方案的防舞效能。方案二(scheme 2)为固定式线夹和回转式线夹间隔排列的回转式间隔棒。方案三(scheme 3)为四个回转式线夹在背风侧单边排列的回转式间隔棒，迎风侧的四个线夹为固定式。方案四(scheme 4)为回转式线夹在迎风侧单边排列的回转式间隔棒，背风侧的四个线夹为固定式。
[0063]
(2)对与回转式线夹连接的释放了扭转自由度的子导线沿档覆冰分布及其气动特性变化进行数值模拟建立模型；
[0064]
由于导线扭转自由度释放，导线覆冰过程中会发生旋转，不断覆冰后会得到覆冰均匀程度较高的截面。如图3所示，可扭转子导线的沿档覆冰形状分布。第i层覆冰的扭矩m
i
及其所引起的导线扭转角θ
i
为：
[0065][0066][0067]
其中，d为导线直径，b为覆冰厚度，ρ
ice
为覆冰密度，g为重力加速度，β0为凝冰角，r
i
‑1为上一层覆冰叠加后所得到的导线覆冰极半径，p
b
为覆冰分层数量，l为导线档距，k为导线扭转刚度，x为导线沿档覆冰模拟点。
[0068]
得到可扭转子导线沿档覆冰分布后，建立分裂导线典型截面模型，采用fluent等流体力学软件数值模拟其绕流场，得到各子导线升力系数、阻力系数、扭矩系数等气动特性。
[0069]
如图4所示，回转式间隔棒连接的覆冰八分裂导线的气动特性分析，a是覆冰八分裂导线的截面模型，b是覆冰八分裂导线的绕流场计算模型。
[0070]
为保证边界稳定来流，计算区域大小设置为8m
×
8m。风攻角α的变化范围取0
°
～360
°
，每隔5
°
作为一个工况进行计算。为简化起见，对于不同风攻角工况，保持模型及网格不变，只改变来流方向和边界条件。
[0071]
边界条件的设置为：
[0072]
①
当α＝0
°
时，左边界为入口，右边界为出口，上下边界为对称边界；
[0073]
②
当0
°
<α<90
°
时，左边界和下边界为入口，右边界和上边界为出口；
[0074]
③
当α＝90
°
时，下边界为入口，上边界为出口，左右边界为对称边界；
[0075]
④
当90
°
<α<180
°
时，右边界和下边界为入口，左边界和上边界为出口；
[0076]
⑤
当α＝180
°
时，右边界为入口，左边界为出口，上下边界为对称边界；
[0077]
⑥
当180
°
<α<270
°
时，右边界和上边界为入口，左边界和下边界为出口；
[0078]
⑦
当α＝270
°
时，上边界为入口，下边界为出口，左右边界为对称边界；
[0079]
⑧
当270
°
<α<360
°
时，左边界和上边界为入口，右边界和下边界为出口。
[0080]
计算采用有限体积法，求解器采用压力
‑
速度耦合的标准simple算法，该算法的基本策略是用假定的压强场求解动量方程以得到边界点上的通量。湍流模型采用spalart
‑
allmaras模型，该模型能适用于网格质量较差的计算区域，这在湍流并不需要十分精确计算时将是最好的选择，另外其近壁变量密度较在k
‑
ε模型和k
‑
ω模型中小很多，这使得该模型对于数值误差敏感性较小。求解方式为二阶隐式，压力项采用standard格式，动量项采用quick格式，修正湍流粘度项为third
‑
order muscl，设置时间增量步长为0.001s以确保计算精度。
[0081]
覆冰不均匀程度降低与导线气动载荷削弱是回转式线夹的根本防舞功能，在评价装有回转式线夹的防舞器的防舞效能时不容忽视。
[0082]
(3)分裂导线只安装回转式间隔棒，考虑沿档覆冰分布和气动特性变化，对安装不同线夹配置方案回转式间隔棒的分裂导线进行舞动响应数值模拟；
[0083]
分裂导线舞动过程中，各子导线受到的升力f
l
、阻力f
d
、扭矩m等气动力由下式计算：
[0084][0085]
其中，ρ
air
为空气密度，v为风速，α为风攻角，即覆冰方向与风向的夹角；c
l
、c
d
、c
m
分别为升力系数、阻力系数、扭矩系数，其取值与覆冰形状有关，不同的覆冰导线截面有不同的气动特性，该气动特性由上一步分析获得。
[0086]
根据导线沿档覆冰分布和气动特性变化特征，将导线分为多个分段，分段应用该段典型截面气动特性、计算施加响应的气动力，从而实现对安装不同线夹配置方案回转式间隔棒的分裂导线进行舞动响应数值模拟。
[0087]
(4)提取典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力等四种舞动特征；
[0088]
基于abaqus等有限元软件的舞动模拟结果，输出导线典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力等四种舞动特征。
[0089]
(5)对比得到最佳回转式线夹配置方案。
[0090]
若安装的回转式间隔棒有良好的防舞效能，则在导线典型点位移时程、张力时程图中，导线起舞越为缓慢，位移越小，张力变化越小，运动轨迹图中典型点运动范围越小，另外导线振动幅值也越小。通过综合评价和比较各个方案的四类舞动特征，可得到最佳回转式线夹配置方案。
[0091]
双摆优化的具体步骤：
[0092]
(1)在分裂导线上加装最优回转式线夹配置方案的双摆防舞器，双摆结构可通过摆锤重量、摆臂长度和张开角等三个参数表征，如图5所示。基于稳定性舞动机理和线路设计要求，列出三个参数取值范围。双摆结构典型摆锤重量范围为5kg
‑
15kg、摆臂长度范围为200mm～1000mm、张开角范围为45
°
～125
°
，针对不同分裂导线的双摆结构参数存在明显区别。
[0093]
在参数范围内组合设计不同方案的双摆结构，每个参数方案需满足稳定性舞动机理和线路设计要求；将每个参数方案的双摆结构搭配最优回转式线夹方案，加装在分裂导线上，如图6所示，典型线夹回转式双摆防舞器和回转式间隔棒搭配安装方案。
[0094]
(2)考虑沿档覆冰分布和气动特性变化，对安装不同参数线夹回转式双摆防舞器的分裂导线进行舞动响应数值模拟；
[0095]
(3)基于abaqus等有限元软件的舞动模拟结果，输出导线典型点位移时程、运动轨迹、导线振动幅值和导线张力等四种舞动特征；
[0096]
(4)通过综合评价和比较各个方案的四类舞动特征，得到最佳双摆结构参数。
[0097]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
[0098]
本发明在优化过程中考虑了与回转式线夹连接的释放了扭转自由度的子导线沿档覆冰分布及其气动特性变化，回转式线夹降低了导线受到的气动载荷，而双摆结构具有失谐功能，防止导线横向振动频率和扭转振动频率耦合。
[0099]
舞动与防舞模拟表明，线夹回转式双摆防舞器具有较好的防舞效果，与回转式间隔棒搭配使用提高了起舞临界风速，降低了导线的振动幅值和导线张力，最大化增强了导线的抗舞能力，提高了输电线路的安全性和稳定性。
[0100]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。