專利名稱：一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法
技術領域：
本發明涉及一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，屬輸電線路保護技術領域。
背景技術：
輸電線路是電網的重要組成部分，其安全穩定運行直接影響到電網的穩定性和供電的可靠性。近年來，由于氣候變化，大風天氣日益增多，對架空輸電線路的安全運行帶來了嚴重威脅。一方面，強風作用下絕緣子串及其懸掛的輸電線將會產生風偏搖擺，搖擺過程中如果帶電體與桿塔之間的距離小于容許的電氣間隙，將發生風偏閃絡事故；另一方面，強風也可能使絕緣子串振動導致連接部位的交變彎曲應力過大，甚至超過其裂紋尖端應力強度因子，使其產生裂紋引起絕緣子串的風致斷裂事故。因此，防止輸電線路絕緣子串風害事故， 是保證輸電線路安全穩定運行的一項十分重要的工作，已受到電力設計部門、供電管理部門的重視。有針對地采取防治措施是提高絕緣子串抗風害能力的關鍵。主要針對風偏事故，研究人員提出并采取了一些防治措施，如加掛重錘、調整桿塔位置、改變絕緣子串的懸掛與組裝型式等。在眾多措施中，加掛重錘的方法無疑最經濟并最具有工程實用性。將重錘片直接安裝在絕緣子串下端金具上的結構已在一些線路中應用，但其對絕緣子串風害的防治效果卻沒得到公認。實質上，重錘作為一種減振器是通過其自振頻率盡量接近絕緣子串的基本頻率或激振頻率。這樣，當絕緣子串受激振而振動時，重錘就會產生一個與絕緣子串振動方向相反的慣性力作用在絕緣子串上，使絕緣子串的振動反應衰減。然而，絕緣子串的動態特性目前還缺乏有效的認識，且絕緣子串處于一個包括輸電線、金具等構成的多體系統中，由于與輸電線等的耦合作用，不同線路中即使相同絕緣子串的偏擺和振動頻率也完全不同，因此重錘的設計基本是盲目的。

發明內容
本發明的目的是，根據現有輸電線路絕緣子串風害防治存在的問題，本發明公開一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，以達到有效控制絕緣子串風偏或風致振動，提聞其抗風能力。本發明的技術方案是，本發明基于輸電線與絕緣子串的強烈耦合作用，建立包含輸電線、絕緣子串等的輸電線路多體系統有限元模型，從系統角度分析絕緣子串動態特性，獲取其偏擺及振動基本頻率，并以此為目標，利用減振器有限元模型優化模型尺寸，最終分別以防治風偏及絕緣子串風致斷裂等風害事故為目標，實現減振器的優化設計。本發明一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，包括以下步驟
(O建立輸電線路多體系統有限元參數化模型
(1-1)通過懸索的非線性分析及約束施加確定輸電線初始形狀，建立輸電線有限元模
型；
(1-2)通過模態參數識別方法，通過現場試驗確定絕緣子串材料參數，建立絕緣子串有限元模型；(1-3 )通過邊界條件施加，建立包含輸電線、絕緣子串等的輸電線路多體系統有限元參數化模型。(2)輸電線路多體系統動態特性分析
針對輸電線路多體系統有限元模型進行有預應力模態分析，確定多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率、振型等動態特性參數。(3)減振器的設計
針對輸電線路安裝、應用方便，采用非線性擺錘減振器，建立減振器有限元模型，通過優化設計方法分別以多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率為目標，獲得減振器尺寸的設計。(4)減振器的安裝設計
通過鉸接的方式將非線性擺錘減振器安裝于線路的間隔棒上。本發明步驟(I)中輸電線懸索可采用懸鏈曲線或拋物線理論，優選懸鏈曲線理論。本發明步驟(I)中輸電線可采用3D僅受拉桿、3D梁和索單元進行建模。本發明步驟(I)中絕緣子串包括輸電線路常用的玻璃絕緣子串、瓷絕緣子串和復合絕緣子串。本發明步驟(3)中所述的非線性擺錘減振器為重錘類減振器，通過改變擺錘重量，擺桿長度、直徑等參數可以改變其固有頻率。本發明與現有技術比較的有益效果是(I)本發明考慮了輸電線與絕緣子串的強烈耦合作用，從系統角度獲取了絕緣子串偏擺及振動基本頻率，結果準確；(2)本發明建立輸電線路多體系統有限元參數化模型，可以大大提高模型建立、修改的速度；(3)本發明可獲得絕緣子串的偏擺及振動基本頻率，可以針對風偏及絕緣子串風致斷裂等絕緣子串風害事故進行有目的的防治，使用范圍廣；(4)本發明設計的減振器安裝于間隔棒上，避免了現有技術重錘加掛在絕緣子串下造成導電體對桿塔放電距離減少的問題。本發明適用于輸電線路絕緣子串風害的防治。


圖I為本發明的步驟流程 圖2為非線性擺錘減振器有限元模型；
圖3為非線性擺錘減振器設計步驟流程 圖4為輸電線路多體系統有限元模型 圖5為輸電線路多體系統中絕緣子串偏擺頻率振型；
圖6為輸電線路多體系統中絕緣子串振動頻率振型。
具體實施例方式 下面，結合本發明的附圖對實施例作進一步的描述。如圖I所示，本發明實施例提出一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，具體包括以下步驟
(I)建立輸電線路有限元模型
采用懸鏈曲線或拋物線理論，優選懸鏈曲線理論，以3D僅受拉桿、3D梁或索單元進行建模，通過懸索的非線性分析及約束施加確定輸電線初始形狀，建立輸電線有限元模型。(2)建立絕緣子串有限元模型通過模態參數識別方法，針對輸電線路常用的玻璃、瓷絕緣子串和復合絕緣子等絕緣子串類型，通過現場試驗確定絕緣子串材料參數，建立絕緣子串有限元模型。(3)建立輸電線路多體系統有限元參數化模型
結合步驟(I)和(2)，確定線路檔距、高差及輸電線材料屬性等參數，通過邊界條件施加，即可建立包含輸電線、絕緣子串等的輸電線路多體系統有限元參數化模型。(4)輸電線路多體系統動態特性分析
針對輸電線路多體系統有限元模型進行有預應力模態分析，即可確定多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率、振型等動態特性參數。(5)減振器尺寸設計
針對輸電線路安裝、應用方便，采用非線性擺錘減振器，建立減振器有限元模型(如圖2所示)，在獲得多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率的基礎上，按附圖3所示的流程，以此為需求頻率，并與現有減振器模型頻率對比，如不滿足要求，則進一步修改減振器尺寸(通過改變擺錘重量，擺桿長度、直徑等參數)，直至減振器輸出的頻率滿足要求，此時即可獲得所需要的減振器尺寸設計。(6)減振器安裝設計
在間隔棒上鉆孔，將非線性擺錘減振器通過鉸接的方式安裝于線路的間隔棒上，根據減振效果優選安裝在與絕緣子串相鄰的兩個間隔棒。本發明實施例對輸電線路絕緣子串進行防風害設計如下
本實施例絕緣子串為玻璃絕緣子串LXHY3-160，28片，兩側檔距474m，無高差，四分裂輸電線 4XLGJ-400/35。圖4為所建立的輸電線路多體系統有限元參數化模型。圖5、6分別為多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率、振型等動態特性參數。表I和表2分別為防治絕緣子串偏擺及風致斷裂所對應的減振器尺寸。一般而言，減振器中擺錘的重量越大越好，但擺錘重量的增加并不是與控制效果的提高成正比的增加。當其成為一定值后，隨著擺錘重量的增加，減振效果增加并不明顯，而且對于輸電線路而言，金具的總重量也有要求。因而，擺錘與多體系統的重量比一般取在O. 59Γ3%之間。實際474m+474m檔距輸電線路的重量，擺球的重量應在8. 5kg 51kg之間，優選50kg。表I防治絕緣子串偏擺對應的減振器尺寸設計
權利要求
1.一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，其特征在于，所述方法基于輸電線與絕緣子串的強烈耦合作用，建立包含輸電線、絕緣子串的輸電線路多體系統有限元模型，從系統角度分析絕緣子串動態特性，獲取其偏擺及振動基本頻率，并以此為目標，利用減振器有限元模型優化模型尺寸，最終分別以防治風偏及絕緣子串風致斷裂風害事故為目標，實現減振器的優化設計； 所述方法包括以下步驟 (1)建立輸電線路多體系統有限元參數化模型； (1-1)通過懸索的非線性分析及約束施加確定輸電線初始形狀，建立輸電線有限元模型； (1-2)通過模態參數識別方法，通過現場試驗確定絕緣子串材料參數，建立絕緣子串有限元模型； (1-3)通過邊界條件施加，建立包含輸電線、絕緣子串的輸電線路多體系統有限元參數化模型； (2)輸電線路多體系統動態特性分析； 針對輸電線路多體系統有限元模型進行有預應力模態分析，確定多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率、振型動態特性參數； (3)減振器的設計； 采用非線性擺錘減振器，建立減振器有限元模型，通過優化設計方法分別以多體系統中絕緣子串偏擺及振動基本頻率為目標，獲得減振器尺寸的設計； (4)減振器的安裝設計； 通過鉸接的方式將非線性擺錘減振器安裝于線路的間隔棒上。
2.根據權利要求I所述的一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，其特征在于，所述步驟(I)中輸電線懸索可采用懸鏈曲線或拋物線理論，優選懸鏈曲線理論。
3.根據權利要求I所述的一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，其特征在于，所述步驟(I)中輸電線可采用3D僅受拉桿、3D梁和索單元進行建模。
4.根據權利要求I所述的一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，其特征在于，所述步驟(I)中絕緣子串包括輸電線路常用的玻璃絕緣子串、瓷絕緣子串和復合絕緣子串。
5.根據權利要求I所述的一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，其特征在于，所述步驟(3)中采用的所述非線性擺錘減振器為重錘類減振器，通過改變擺錘重量，擺桿長度、直徑參數可以改變其固有頻率。
全文摘要
一種以防治輸電線路絕緣子串風害為目標的設計方法，該方法基于輸電線與絕緣子串的強烈耦合作用，建立包含輸電線、絕緣子串等的輸電線路多體系統有限元模型，從系統角度分析絕緣子串動態特性，獲取其偏擺及振動基本頻率，并以此為目標，利用減振器有限元模型優化模型尺寸，最終分別以防治風偏及絕緣子串風致斷裂等風害事故為目標，實現減振器的優化設計。包括以下步驟(1)建立輸電線路多體系統有限元參數化模型；(2)輸電線路多體系統動態特性分析；(3)減振器的設計；(4)減振器的安裝。本發明可以針對風偏及絕緣子串風致斷裂等絕緣子串風害事故進行有目的的防治，使用范圍廣。本發明適用于輸電線路絕緣子串風害的防治。
文檔編號H02G7/14GK102916380SQ20121045304
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月13日 優先權日2012年11月13日
發明者趙康文, 唐囡, 涂湛 申請人:江西省電力科學研究院, 國家電網公司