[发明专利]一种基于梁单元的覆冰导线脱冰跳跃ANSYS数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于梁单元的覆冰导线脱冰跳跃ANSYS数值模拟方法，其特征在于,包括以下步骤：S1：确定输电塔钢架结构和导线分裂数，选取梁单元类型；建立整体坐标系，以塔高为y轴方向，横担挂线为z轴方向，横担外挑方向为x轴方向来建立输电塔模型；S2：进行输电导线自重弧垂找形，确定输电导线在自重作用下达到平衡状态的初始位移形态；S3：确定覆冰荷载，进行覆冰自重静力计算，确定输电导线在覆冰自重下达到平衡状态的位移，即覆冰静平衡位置，导线振幅最大值与覆冰静平衡位置的差值即为跳跃高度；S4：采用改变密度方法模拟输电导线的覆冰和脱冰过程；通过改变所有单元材料密度模拟每段输电线路导线单元上均匀覆冰工况。

技术领域

本发明涉及输电线路技术领域，具体地说是一种基于梁单元的覆冰导线脱冰跳跃ANSYS数值模拟方法。

背景技术

随着我国经济社会的发展，对电能的需求与日俱增，许多输电线路不可避免的穿越海拔高、气温低、风力强等气象条件恶劣的重覆冰区，给电网的建设工作带来了挑战。我国电网覆冰较为严重的地区，在历年的覆冰灾害中，出现频率最高和影响最为严重的输电线路事故是覆冰后脱冰跳跃引起机械和电气故障。线路覆冰后脱冰跳跃是云南电网安全运行事故的主要原因之一。输电线路覆冰后脱冰跳跃是不可避免的，但由于输电线路导线型号、档距、分裂形式、杆塔类型以及跨越的地形等条件不同，输电线路在运行过程中受自然条件的影响常出现脱冰跳跃、尾流诱发驰振和舞动等各种问题，严重危及线路的安全运行。输电线路脱冰跳跃是指冰区输电线路的覆冰在温度升高、机械破冰、升华融冰等自然条件下融化脱落引起导线的上下振动，工程中称为冰跳。冰跳过程中各相导线之间及导地线之间的间隙可能小于相应的绝缘间隙，导致闪络、烧伤甚至烧断导线等电气事故。因此，研究输电线路脱冰跳跃的形成机理、最大冰跳高度和防御输电线路脱冰跳跃的方法对于线路的绝缘设计具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种基于梁单元的覆冰导线脱冰跳跃ANSYS数值模拟方法，建立输电杆塔、导线绝缘子耦合的精细化模型，提高输电线路上所有节点的自由度，在建立输电导线覆冰模型中，采用改变密度方法来模拟输电导线覆冰和脱冰过程，引入瑞利阻尼模型，并对输电导线脱冰后的振动过程进行计算。

为达到上述结果，本发明采用的具体技术方案如下：一种基于梁单元的覆冰导线脱冰跳跃ANSYS数值模拟方法，包括以下步骤：

S1：确定输电线路静态模型：输电塔是空间刚架结构，在ANSYS空间坐标中，以塔高为y轴方向，横担挂线为z轴方向，横担外挑方向为x轴方向来建立输电塔模型。beam188是具有两个节点的梁单元，适合分析细长的考虑剪切变形的梁结构，输电塔杆件均采用beam188单元模拟。

在模拟输电线时，考虑到输电线不均匀覆冰的情况，脱冰产生的导线扭转，本文采用具有三维梁单元beam188模拟。绝缘子串可以认为是绕定轴转动的刚体，一端与输电塔的横担铰接，另一端与输电线铰接的，本采用beam188单元模拟，每个绝缘子串划分一个单元。

S2：输电线的自重找形：在进行脱冰动力分析时，必须首先确定输电线在自重作用下达到平衡状态的初始位移形态，输电线的自重找形。只有正确的找形才能确保下一步模态分析、脱冰瞬态分析以及其他分析的准确。在找形的过程中，需要考虑输电线的非线性影响，输电导线自重下最终的平衡位置为初始构形位置。本项目采用迭代法对输电线进行找形分析，其主要思想是在导线重力作用下，反复更新导线的几何形状，直到导线的水平张力与已知的放线张力的误差在允许的范围内，即可以得出导线的初始构型。

S3：输电导线的覆冰荷载模拟：输电线路覆冰荷载可以认为是均布荷载，由于覆冰的刚度与输电导线本身的刚度相比较小，对脱冰响应的影响很小，不考虑覆冰刚度，采用分布式集中质量法模拟输电导线的覆冰荷载。在计算过程中，将输电导线的覆冰等效为一个个集中质量，并用Mass21单元模拟，对塔线自重进行静力分析后，设置第二个覆冰工况材料密度为导线体密度加上单位长度覆冰质量除以导线横截面积，变成均匀覆冰工况。