本發(fā)明涉及一種高海拔地區(qū)覆冰輸電線路懸式絕緣子串風(fēng)偏確定方法及相關(guān)系統(tǒng)，屬于絕緣子串風(fēng)偏計(jì)算。

背景技術(shù)：

1、我國(guó)幅員遼闊，地形地貌復(fù)雜多樣，山地、丘陵、高原、平原和盆地均有分布，其中高原地區(qū)更是占據(jù)了我國(guó)領(lǐng)土總面積的1/4以上。隨著超、特高壓工程的不斷推進(jìn)以及數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，輸電通道不可避免地要跨越一些高海拔、重覆冰區(qū)域，這無(wú)疑給處在該區(qū)域的架空導(dǎo)、地線，絕緣子串和輸電鐵塔等線路結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)能力帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，因此，維護(hù)該區(qū)域內(nèi)輸電線路的安全運(yùn)行對(duì)我國(guó)電網(wǎng)在高原地區(qū)的長(zhǎng)久穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員的反饋，高原地區(qū)大風(fēng)閃絡(luò)事故尤為突出，每年不同電壓等級(jí)線路由于大風(fēng)引發(fā)的跳閘事故次數(shù)占事故總數(shù)的50%以上，其中懸式絕緣子串風(fēng)偏引起的絕緣安全距離不足是跳閘的主要原因。風(fēng)偏跳閘后若重合閘不成功，則會(huì)導(dǎo)致線路停運(yùn)，進(jìn)而影響電網(wǎng)的供電可靠性，給社會(huì)和人民帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3、同時(shí)線路覆冰對(duì)懸式絕緣子串風(fēng)偏的影響具有兩面性，一方面，覆冰會(huì)增加線路結(jié)構(gòu)豎直方向的荷載，進(jìn)而增大對(duì)懸式絕緣子串的拉緊力，有效抑制風(fēng)偏的發(fā)生；另一方面，覆冰會(huì)增加線路結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積，進(jìn)而增加線路結(jié)構(gòu)水平方向的荷載，從而促進(jìn)風(fēng)偏的發(fā)生。因此，覆冰對(duì)風(fēng)偏的實(shí)際影響需要結(jié)合具體的環(huán)境條件，不能一概而論，這也造成了高海拔覆冰區(qū)域風(fēng)偏問題的復(fù)雜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中風(fēng)偏計(jì)算精度不高的問題，本發(fā)明提供一種高海拔地區(qū)覆冰懸式絕緣子串風(fēng)偏確定方法。

2、技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、一種高海拔地區(qū)覆冰懸式絕緣子串風(fēng)偏確定方法，包括以下步驟：

4、步驟1，獲取線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣象參數(shù)。

5、步驟2，根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建懸垂絕緣子串及其相連結(jié)構(gòu)的有限元模型。

6、步驟3，根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有限元模型施加自重荷載。根據(jù)氣象參數(shù)確定風(fēng)速場(chǎng)的模擬，風(fēng)速場(chǎng)的模擬中引入阻力系數(shù)，同時(shí)根據(jù)海拔高度和環(huán)境溫度對(duì)空氣特性的影響對(duì)空氣密度進(jìn)行修正進(jìn)而得到瞬時(shí)風(fēng)荷載，然后對(duì)有限元模型施加瞬時(shí)風(fēng)荷載。

7、步驟4，根據(jù)有限元模型、自重荷載和瞬時(shí)風(fēng)荷載通過有限元軟件進(jìn)行求解，得到懸垂絕緣子串相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位移列陣，再根據(jù)幾何關(guān)系將節(jié)點(diǎn)位移列陣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的風(fēng)偏角度。

8、優(yōu)選的，步驟3中的瞬時(shí)風(fēng)荷載的公式為：

9、；

10、式中，為水平方向的瞬時(shí)風(fēng)荷載，為豎直方向的瞬時(shí)風(fēng)荷載，he為當(dāng)?shù)氐钠骄０胃叨?，ta為當(dāng)?shù)馗脖鶙l件下的平均氣溫，h為等效環(huán)形冰厚，u為水平平均風(fēng)速，u為水平方向脈動(dòng)風(fēng)速，v為豎直方向的瞬時(shí)脈動(dòng)風(fēng)速，v為瞬時(shí)風(fēng)速，為科學(xué)計(jì)數(shù)法的標(biāo)志。

11、優(yōu)選的，步驟3中的瞬時(shí)風(fēng)荷載的獲得方法如下：

12、步驟321，風(fēng)速場(chǎng)的模擬中采用ar線性濾波法模擬空間點(diǎn)處的順、橫風(fēng)向隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)，再疊加平均風(fēng)速場(chǎng)，得到當(dāng)?shù)氐膶?shí)際瞬時(shí)風(fēng)速場(chǎng)。

13、步驟322，風(fēng)荷載的計(jì)算：

14、覆冰截面的瞬時(shí)風(fēng)荷載分量借助阻力系數(shù)cd和瞬時(shí)風(fēng)速v進(jìn)行計(jì)算：

15、；

16、式中，fd為瞬時(shí)風(fēng)對(duì)覆冰截面的阻力，ρ為覆冰條件下的空氣密度，v為瞬時(shí)風(fēng)速，h為等效環(huán)形冰厚，cd(v,h)為阻力系數(shù)。

17、；

18、考慮到海拔高度和環(huán)境溫度對(duì)空氣特性的影響，采用下式對(duì)空氣密度ρ進(jìn)行修正：

19、；

20、式中，he為當(dāng)?shù)氐钠骄０胃叨?，ta為當(dāng)?shù)馗脖鶙l件下的平均氣溫。

21、將所得瞬時(shí)風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系xoy下有：

22、；

23、式中，為水平方向的瞬時(shí)風(fēng)荷載，為豎直方向的瞬時(shí)風(fēng)荷載，ρ為覆冰條件下的空氣密度，h為等效環(huán)形冰厚，u為水平平均風(fēng)速，u為水平方向脈動(dòng)風(fēng)速，cd(v,h)為阻力系數(shù)，v為瞬時(shí)風(fēng)速，v為豎直方向的瞬時(shí)脈動(dòng)風(fēng)速。

24、優(yōu)選的，步驟321中風(fēng)速場(chǎng)的模擬方法如下：

25、對(duì)于一定高度范圍內(nèi)的大氣邊界層平均風(fēng)速剖面采用如下指數(shù)律進(jìn)行描述：

26、；

27、式中，為距離地面高度z處的平均風(fēng)速，ur為參考高度（zr）處的平均風(fēng)速，zr為參考高度，α為風(fēng)速剖面指數(shù)。

28、考慮順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)振響應(yīng)對(duì)風(fēng)偏過程的影響：

29、；

30、式中，n為脈動(dòng)頻率，為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜，σu為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速根方差，為無(wú)量綱頻率，，為縱向湍流積分尺度。

31、；

32、式中，u*為地表摩擦速度。為馮·卡門常數(shù)，z0是反映地表粗糙程度參數(shù)。

33、橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)功率譜sv(n)采用如下表達(dá)式：

34、；

35、式中，為無(wú)量綱頻率，x?=?n·z/u(z)，為橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)速根方差。

36、；

37、式中，u*為地表摩擦速度。

38、采用ar線性濾波法模擬空間點(diǎn)處的順、橫風(fēng)向隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)速場(chǎng)，再疊加確立的平均風(fēng)速場(chǎng)，得到當(dāng)?shù)氐膶?shí)際瞬時(shí)風(fēng)速場(chǎng)，用于后續(xù)風(fēng)荷載的計(jì)算。

39、優(yōu)選的，步驟4中通過有限元軟件進(jìn)行求解的方法如下：

40、步驟41，風(fēng)偏采用如下瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行描述：

41、<mstyle displaystyle="true" mathcolor="#000000"><mi>[</mi><mi>m</mi><mi>]{</mi><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>¨</mo></mover><mi>}</mi><mo>+</mo><mi>[</mi><mi>c</mi><mi>]{</mi><mover accent="true"><mi>u</mi><mo>˙</mo></mover><mi>}</mi><mo>+</mo><mi>[</mi><mi>k</mi><mi>]{</mi><mi>u</mi><mi>}</mi><mi>=</mi><mi>{</mi><mi>f</mi><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)}</mi></mstyle>；

42、式中，[m]為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，[c]為結(jié)構(gòu)的阻尼矩陣，[k]為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，為節(jié)點(diǎn)位移列陣，為節(jié)點(diǎn)速度列陣，為節(jié)點(diǎn)加速度列陣，為節(jié)點(diǎn)荷載列陣。

43、步驟42，將所得瞬時(shí)風(fēng)荷載轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)荷載列陣，施加到有限元模型的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。采用ansys軟件中時(shí)域逐步積分法中的newmark法進(jìn)行求解，得到懸垂絕緣子串相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位移列陣，再根據(jù)幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的風(fēng)偏角度即可。

44、優(yōu)選的，步驟3中的自重荷載的獲得方法如下：

45、懸垂絕緣子串模型的自重荷載通過設(shè)置真實(shí)材料的線密度和施加重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。

46、導(dǎo)線自重荷載施加的過程稱為找形，采用懸索分析法進(jìn)行初始找形。

47、優(yōu)選的，步驟2中根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建懸垂絕緣子串及其相連結(jié)構(gòu)的有限元模型的方法如下：

48、步驟21，根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行懸垂絕緣子串有限元模型構(gòu)建及約束。

49、根據(jù)懸垂絕緣子串在風(fēng)偏過程中表現(xiàn)出力學(xué)特性的不同，選用不同類型的單元來(lái)模擬，分為對(duì)瓷/玻璃絕緣子串模擬和對(duì)復(fù)合絕緣子串模擬。

50、對(duì)瓷/玻璃絕緣子串模擬采用剛性梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬單片絕緣子，不同單元之間連接方式為鉸接。

51、對(duì)復(fù)合絕緣子串模擬采用普通梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，并根據(jù)實(shí)際復(fù)合絕緣子串長(zhǎng)度劃分為多個(gè)梁?jiǎn)卧煌瑔卧g連接方式為剛接。

52、懸垂絕緣子串上端直接采用鉸接。

53、步驟22，根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行導(dǎo)線有限元模型構(gòu)建及約束。

54、采用桿單元模擬受拉的導(dǎo)線，不同桿單元之間連接方式為剛接。

55、導(dǎo)線的端部掛線點(diǎn)通常位于耐張段兩側(cè)的耐張鐵塔上，導(dǎo)線通過耐張絕緣子串與其連接，絕緣子串與掛線點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)，以及導(dǎo)線自身的變形，故只約束該節(jié)點(diǎn)三個(gè)平動(dòng)方向的自由度和繞導(dǎo)線軸線方向的扭轉(zhuǎn)自由度。

56、優(yōu)選的，所述線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括絕緣子串型號(hào)及其相應(yīng)參數(shù)，導(dǎo)線型號(hào)及其相應(yīng)參數(shù)，相鄰檔距、高差、當(dāng)?shù)仄骄０胃叨?，氣象參?shù)則包含當(dāng)?shù)貧鉁亍?dǎo)線/懸垂絕緣子串環(huán)形等效覆冰厚度、覆冰類型、瞬時(shí)風(fēng)速。

57、本發(fā)明的另一目的是提供一種高海拔地區(qū)覆冰懸式絕緣子串風(fēng)偏確定系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)所述高海拔地區(qū)覆冰懸式絕緣子串風(fēng)偏確定方法，包括輸入單元、有限元模型構(gòu)建單元、自重荷載施加單元、瞬時(shí)風(fēng)荷載施加單元、求解單元，其中：

58、所述輸入單元用于獲取線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣象參數(shù)。

59、所述有限元模型構(gòu)建單元用于根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)構(gòu)建懸垂絕緣子串及其相連結(jié)構(gòu)的有限元模型。

60、所述自重荷載施加單元用于根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)有限元模型施加自重荷載。

61、所述瞬時(shí)風(fēng)荷載施加單元用于根據(jù)氣象參數(shù)確定風(fēng)速場(chǎng)的模擬，風(fēng)速場(chǎng)的模擬中引入阻力系數(shù)，同時(shí)根據(jù)海拔高度和環(huán)境溫度對(duì)空氣特性的影響對(duì)空氣密度進(jìn)行修正進(jìn)而得到瞬時(shí)風(fēng)荷載，然后對(duì)有限元模型施加瞬時(shí)風(fēng)荷載。

62、所述求解單元用于根據(jù)有限元模型、自重荷載和瞬時(shí)風(fēng)荷載通過有限元軟件進(jìn)行求解，得到懸垂絕緣子串相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位移列陣，再根據(jù)幾何關(guān)系將節(jié)點(diǎn)位移列陣轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的風(fēng)偏角度。

63、本發(fā)明的另一目的是提供一種電子設(shè)備，包括：至少一個(gè)處理器、至少一個(gè)存儲(chǔ)器和通信接口。所述處理器、存儲(chǔ)器和通信接口相互間進(jìn)行通信。所述存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有可被所述處理器執(zhí)行的程序指令，所述處理器調(diào)用所述程序指令，以執(zhí)行所述高海拔地區(qū)覆冰懸式絕緣子串風(fēng)偏確定方法。

64、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

65、在充分考慮了線路覆冰對(duì)風(fēng)偏兩面性影響的前提下，通過修正高海拔地區(qū)空氣特性參數(shù)并引入空氣動(dòng)力系數(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)荷載的準(zhǔn)確施加與風(fēng)偏角的準(zhǔn)確求解，使得得到的風(fēng)偏精度高。同時(shí)并將計(jì)算過程規(guī)范化、通用化，大大提高了風(fēng)偏計(jì)算方法在高海拔地區(qū)的適用性，結(jié)果可為高原地區(qū)輸電線路的設(shè)計(jì)和風(fēng)雪災(zāi)害防治提供參考。