仿真計(jì)算技術(shù)-輸電專業(yè)架空線路導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩

常規(guī)架空線路導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩仿真計(jì)算技術(shù)及實(shí)踐仿真計(jì)算技術(shù)-輸電專業(yè)架空線路導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩1.背景和意義2.計(jì)算模型3.軟件開發(fā)及模塊功能4.技術(shù)實(shí)踐一般跨越檔距在1000m

以上，跨越塔高在1

0

0m以上，跨越重要通航河流和海面，若發(fā)生事故，影響面廣，修復(fù)困難的線路段我們稱之

為輸電線路的大跨越段

(GB50545-2010)。大跨越段除外的一般線路我們稱之為常規(guī)檔。本報(bào)告圍繞常規(guī)檔架空輸電線路微風(fēng)振動(dòng)

和次檔距振蕩的仿真計(jì)算相關(guān)方法進(jìn)行介紹

大跨越輸電線路01背景和意義1.1背景檔距和環(huán)境狀況平均運(yùn)行張力上限(拉

斷力的百分?jǐn)?shù))(%)防振措施鋼芯鋁絞

線鍍鋅鋼絞

線檔距不超過500m的開闊地區(qū)1612不需要檔距不超過500m的非開闊地區(qū)1818不需要檔距不超過120m1818不需要不論檔距大小22護(hù)線條不論檔距大小2525防振錘(線)或另加護(hù)線條與大跨越導(dǎo)線防振方案不同，常規(guī)檔導(dǎo)線的防振方案一般采用防振錘和間隔棒。常規(guī)檔導(dǎo)線防振方案

(GB

50545-2010)注：4分裂及以上導(dǎo)線采用阻尼間隔棒時(shí)，檔距在500m及以下可不再采用其他防振措施，

阻尼間隔棒宜不等距、不對稱布置，導(dǎo)線最大次檔距不宜大于70m,端次檔距宜控制在

28m-35m。01背景和意義大跨越導(dǎo)線防振方案41.2意義(1)架空導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)(含地線和光纜的微

風(fēng)振動(dòng))和次檔距振蕩是輸電線路中常見的風(fēng)

致振動(dòng)型式，導(dǎo)地線在一定時(shí)期的振動(dòng)作用下，

極易發(fā)生斷股斷線、金具磨損破壞等事故。01背景和意義某線路次檔距振蕩導(dǎo)地線金具損壞(2)隨著我國電網(wǎng)和電力裝備技術(shù)的發(fā)展，越來越多的導(dǎo)線金具供應(yīng)商開始走出國

門,但國外在導(dǎo)線防振方面更看重理論計(jì)算結(jié)果，需要供應(yīng)商出具導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)或次檔距振蕩計(jì)算書。針對導(dǎo)地線微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩問題，研究相應(yīng)的仿真計(jì)算技術(shù)對于防振金具的設(shè)計(jì)

、選型、防振效果的評估和輔助線路設(shè)計(jì)具有重要意義。01背景和意義1.背景和意義2.計(jì)算模型3.軟件開發(fā)及模塊功能4.技術(shù)實(shí)踐如圖所示防振錘振動(dòng)過程中單側(cè)受力模型，假設(shè)錘頭和鋼絞線各向同性，錘頭只有慣性和質(zhì)量，而不計(jì)其

彈性,忽略鋼絞

微分方程：其

中

，m

為防振錘錘頭質(zhì)量；e為錘頭質(zhì)心到錘頭與

鋼絞線連接點(diǎn)的距離；

J為錘頭對錘頭與鋼絞線連接點(diǎn)的

型

，y=y?ejot

φ=φoeioty為錘頭位移，φ為錘頭繞錘頭與鋼絞線連接點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。2.1防振錘仿真計(jì)算模型02計(jì)算模型防振錘單側(cè)受力模型其

中

，w

為防振錘單側(cè)固有頻率，L為防振錘單側(cè)裸露鋼絞線長度，k為防振錘單側(cè)裸露鋼絞線等效彈簧剛度，EI為鋼絞線抗彎剛度。2.1.1固有頻率計(jì)算令方程系數(shù)矩陣行列式為零，可得該側(cè)防振錘固有頻率：02計(jì)算模型2.1.2功率特性計(jì)算功率特性計(jì)算考慮鋼絞線阻尼，列系統(tǒng)動(dòng)力特性微分方程，M+CY+KY=F其中，不考慮防振錘因不對稱產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，02計(jì)算模型則該側(cè)防振錘系統(tǒng)耗能：其中，Im表示取虛部；Re表示取實(shí)部。防振錘整體的固有頻率w

即線夾兩側(cè)的固有頻率，防振錘整體的線夾支持力F

即為線夾兩側(cè)系統(tǒng)激振力的線性疊加，防振錘整體的功率特性P即線夾兩側(cè)系統(tǒng)特性的線性疊加，防振錘其

中

，P為單側(cè)防振錘系統(tǒng)耗能，IF?I為該系統(tǒng)激振力的絕對值，

v?l為系統(tǒng)激振速度的絕對值，α為系統(tǒng)激振力與激振速度的相位差。02計(jì)算模型的速度阻抗Z可表示為：基于能量平衡法計(jì)算導(dǎo)線系統(tǒng)動(dòng)力特性，其原理如下Losp

圖所示。P。1.

風(fēng)功率風(fēng)功率采用Rawlins風(fēng)能函數(shù)：P=β,D(A?,f,D)P+。其

中

，A?

為導(dǎo)線振幅，f

為頻率，D

為導(dǎo)線直徑，

βw為Log(AD)

修正系數(shù)，能量平衡法原理圖2.

導(dǎo)線系統(tǒng)動(dòng)力特性仿真計(jì)算模型其

中

，Iz表示鎖定常數(shù)，

I

為風(fēng)的紊流強(qiáng)度。02計(jì)算模型式中，y為振幅峰峰值；k,是最大彎曲剛度折減系數(shù)；kp是經(jīng)驗(yàn)因素；Vc是架空導(dǎo)線的波速；針對不同導(dǎo)線的k?和β取不同的經(jīng)驗(yàn)值；Eg

是等效彈性模量。2

.

2

.

2導(dǎo)線自阻尼功耗自阻尼功耗采用自阻尼功率半經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式：2

.

2

.

3考慮安裝位置的防振錘功耗此處防振錘功耗采用如下表達(dá)式：02計(jì)算模型式中

，T為導(dǎo)線張力；m

是導(dǎo)線單位長度質(zhì)量；A為導(dǎo)線振幅；

w

為導(dǎo)線振動(dòng)頻率；β為振動(dòng)波在防振錘線夾處的入射和反射比例系數(shù)，c為振動(dòng)波在導(dǎo)線上的傳播速度，xp

為防

振錘的安裝位置。當(dāng)Pw=Pc時(shí)求解得到導(dǎo)線自阻尼特性，當(dāng)Pw=Pc+Pd

時(shí)可求解得到導(dǎo)線系統(tǒng)響應(yīng)特性。02計(jì)算模型式

中

，Lmaxi

為該控制條件下極限次檔距長度，a

為導(dǎo)線分裂間距，D為導(dǎo)線直徑，T為導(dǎo)線張力

，E

為導(dǎo)線間隔棒系統(tǒng)對數(shù)衰減率，V為

風(fēng)

速

，W為導(dǎo)線單位長度質(zhì)量，X?為次檔

距振動(dòng)幅值。3.

基于分裂導(dǎo)線系統(tǒng)對數(shù)衰減率的次檔距優(yōu)化布置方法1.考慮鞭擊效應(yīng)和子導(dǎo)線吸附效應(yīng)計(jì)算最大次檔距1.

考慮鞭擊效應(yīng)02計(jì)算模型式

中

，Lmax?為該控制條件下極限次檔距長度，I為流過子導(dǎo)線的電流，Km=0.0204,K=0.0344D√D,y=1-D/a

為子導(dǎo)線接近率，K?和K?是與分裂數(shù)相關(guān)的系數(shù)。2.3.1.2考慮子導(dǎo)線吸附效應(yīng)02計(jì)算模型2.3.1.3最大次檔距Smax=min(Lmax?,Lma?)式

中

，min為取Lmax和Lmax?中較小值符號。2.3.2平均次檔距和間隔棒個(gè)數(shù)計(jì)算Smean=Smax/1.1N=L/Smean式

中

，Smea為平均次檔距，L

為檔距長度，N

為間隔棒個(gè)數(shù)。02計(jì)算模型2.3.3次檔距布置次檔距的布置引入無量綱特征參量S/S+1,如圖1所示，在端次檔距處S?=81,

中間次檔距S+1=X?+Si+1.S;/S;+1與對數(shù)衰減率δ之間存在如圖2所示關(guān)系。0.150.10.050.51.0S.S圖2

8;/S?+1與δ的關(guān)系02計(jì)算模型圖1參量示意圖δ2.3.3.2端次檔距的驗(yàn)證假設(shè)由于覆冰等原因造成的外扭矩施加在檔距中央，分裂導(dǎo)線也會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，甚至出現(xiàn)子導(dǎo)線相互紐絞的現(xiàn)象。當(dāng)外扭矩增加到某一值時(shí)，扭矩會(huì)隨著扭轉(zhuǎn)角變大而減小，即使力矩值不增加，分裂導(dǎo)線的扭轉(zhuǎn)角還會(huì)繼續(xù)增加，此時(shí)外扭矩達(dá)到失穩(wěn)扭矩Mmax。2.3.3.1端次檔距確定端次檔距與鄰次檔距的比值S?/S?或SN/Sn-1為0.55~0.65,以防止導(dǎo)線線扭轉(zhuǎn)，一旦發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)線-間隔棒系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能大的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力矩ME。式中

，dj

為導(dǎo)線分裂圓直徑，n為分裂數(shù)，SE為次檔距長度，

θE為與桿塔相連接的間隔棒的扭轉(zhuǎn)角，s為子導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)剛度。02計(jì)算模型2.3.3.3端次檔距原則(1)除端部次檔距外，相鄰次檔距S/Si+1(δ)的值差不多相等；(2)δ的都不小于0.1,即0.55≤s;/S+1≤0.65;3除端部次檔距外，各個(gè)次檔距振蕩模式的δ的平均值最大；4確保次檔距不能關(guān)于檔距中央對稱，次檔距長度交替增大、減小，并由兩端向中間逐步增大，最大值在中間位置。式中，k

為中間次檔距的個(gè)數(shù)，θmax為分裂導(dǎo)線臨界扭轉(zhuǎn)角。當(dāng)Mp大于Mmax,證明端次檔距長度值符合要求。02計(jì)算模型2.4次檔距振蕩響應(yīng)計(jì)算第個(gè)次檔距的一般方程式為：y,=[A,sin

P(X,-x)+Y,cos

P(X,-x)]cos

PCt式中，yi為第個(gè)次檔距內(nèi)導(dǎo)線的位移，A;為第個(gè)次檔距的振幅常數(shù)，P=2π/λ,X;為第個(gè)

間隔棒的橫坐標(biāo)，x

為所求點(diǎn)的橫坐標(biāo)，Y;為第i個(gè)間隔棒線夾位移，t為時(shí)間。在振幅最大時(shí)，在每一個(gè)間隔棒安裝點(diǎn)的導(dǎo)線張力與間隔棒的彈力相平衡，于是有式中，K

為阻尼間隔棒連臂的水平動(dòng)力剛度。02計(jì)算模型已知檔距兩端固定，即Y?=YN+1=0,

此時(shí)唯一的未知數(shù)為P,

對此行列式有若干個(gè)解，也就有對應(yīng)的f

和λ,繼而求出任何點(diǎn)的y;值，畫出導(dǎo)線振蕩的形狀。02計(jì)算模型聯(lián)立以上兩式可以得到：1.背景和意義2.計(jì)算模型3.軟件開發(fā)及模塊功能4.技術(shù)實(shí)踐3.1

軟件開發(fā)框架基于上述導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)和次檔距仿真計(jì)算方法，開發(fā)了架空導(dǎo)線防振輔助設(shè)計(jì)軟件。軟件包括7個(gè)模塊，覆蓋了常規(guī)線路防振設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、防振錘選擇和設(shè)計(jì)、導(dǎo)線-防振錘系統(tǒng)

動(dòng)力特性仿真和導(dǎo)線-間隔棒系統(tǒng)動(dòng)力特性仿真等微風(fēng)振動(dòng)和次檔振蕩相關(guān)問題的計(jì)算。03軟件開發(fā)及模塊功能3.2模塊功能演示gawe

件

規(guī)四標(biāo)方法

情1sNswat·

率特a家電網(wǎng)STATGRI軟件封面導(dǎo)線類型鋼芯鋁絞線規(guī)格型號JL/G1A-400/35-7/48鋁單絲直徑/mm3.22鋁股數(shù)48鋼絲直徑/mm2.50鋼股數(shù)7導(dǎo)線直徑/mm26.8單位長度質(zhì)量/kg/km1347.5平均運(yùn)行張力/kN25.918檔距/m300以JL/G1A-400/35-7/48

為例演示軟件的各模塊的功能，導(dǎo)線參數(shù)如下表所示。導(dǎo)線參數(shù)03軟件開發(fā)及模塊功能構(gòu)性的喜證力檔出dn1計(jì)m-7*架

sn.n

ttur.-r03軟件開發(fā)及模塊功能3.2.1規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)做

律區(qū)雙

6

得

量

和

2

方

法

率

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法力模性計(jì)算m

方

法方法-(

s

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32

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0

0

.確方造目前不少國*在已制訂的的的探則或?qū)е校赖陌l(fā)裝數(shù)量已有所減少，現(xiàn)一檔僅第一個(gè)的所請“半h

的“

及tim

月定國的度法等，而數(shù)國當(dāng)今仍來制定出運(yùn)合我國情況的相規(guī)則或?qū)t。我國路上要裝船擇數(shù)量是目世界上最多的少數(shù)國家之一，時(shí)單導(dǎo)戰(zhàn)每檔與端的安

裝數(shù)量下表：檔與囑陷探操個(gè)數(shù)

電

外

位(

mm

)檔個(gè)個(gè)十D<12s30000-6012<n<22<150150-700700100022<p<37.145-8008012003.2.2

防振錘質(zhì)量和數(shù)量確定方法03軟件開發(fā)及模塊功能防振錘數(shù)量我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)性術(shù)境程兄規(guī)念，四分器導(dǎo)線采用阻尼問限棒時(shí)，在檔500m以上正

求采印防保接施，對水平排列的分裂導(dǎo)線，其措施未同單導(dǎo)線加u

區(qū)別。(mml力網(wǎng)：1

一量油·

規(guī)1-Hssvy15ery·

和方功法w·要angt

最確方Atnf12-1489paa

力特性計(jì)#模r次構(gòu)響山i計(jì)不·率特性真1rt

大

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裝

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計(jì)結(jié)

1=b14112,1492。

1412 畫tsus.29.2規(guī)題稱

和

方

法

安古

某

Kn:

13745a

力四

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法

一

8計(jì)話

000

b=15,1066s,,0-100ntunt

00rmu0r

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0m0:

0123.622091,t=125:t

-0

,s,u64mnu三電cm計(jì)法

0m

1.2-24地

☆

間

A,M03軟件開發(fā)及模塊功能3.2.3

防振錘安裝安裝原則不等距安裝等距安裝4

性

6

相

性

計(jì)

算oni

不m原則earsrsgastt

力特性計(jì)算

,d=tat,ta

onene1ar計(jì)方間4項(xiàng)目錘頭1側(cè)錘頭2側(cè)鋼絞線股數(shù)19鋼絞線單絲直徑(mm)2.6鋼絞線阻尼比0.15鋼絞線剛度系數(shù)1.2錘頭質(zhì)量(kg)2.31.74錘頭相對于質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgem2)0.0060.003鋼絞線壓接點(diǎn)相對于錘頭質(zhì)心的偏心距(m)0.037550.01556鋼絞線長度(m)0.19250.1375以FRY-3/5

型防振錘演示防振錘功率特性仿真模塊功能，防振錘參數(shù)如下表所示。防振錘參數(shù)03軟件開發(fā)及模塊功能3.2.4防振錘功率特性仿真FRY-3/5型防振錘示意圖011121325257525535

0082197仿真計(jì)算界面

圖片保存

數(shù)據(jù)導(dǎo)出03軟件開發(fā)及模塊功能3.2.5

導(dǎo)線動(dòng)力特性仿真0

2

質(zhì)

量ok

量

方

法