仿真计算技术-输电专业架空线路导线微风振动和次档距振荡

常规架空线路导线微风振动和次档距振荡仿真计算技术及实践仿真计算技术-输电专业架空线路导线微风振动和次档距振荡1.背景和意义2.计算模型3.软件开发及模块功能4.技术实践一般跨越档距在1000m

以上，跨越塔高在1

0

0m以上，跨越重要通航河流和海面，若发生事故，影响面广，修复困难的线路段我们称之

为输电线路的大跨越段

(GB50545-2010)。大跨越段除外的一般线路我们称之为常规档。本报告围绕常规档架空输电线路微风振动

和次档距振荡的仿真计算相关方法进行介绍

大跨越输电线路01背景和意义1.1背景档距和环境状况平均运行张力上限(拉

断力的百分数)(%)防振措施钢芯铝绞

线镀锌钢绞

线档距不超过500m的开阔地区1612不需要档距不超过500m的非开阔地区1818不需要档距不超过120m1818不需要不论档距大小22护线条不论档距大小2525防振锤(线)或另加护线条与大跨越导线防振方案不同，常规档导线的防振方案一般采用防振锤和间隔棒。常规档导线防振方案

(GB

50545-2010)注：4分裂及以上导线采用阻尼间隔棒时，档距在500m及以下可不再采用其他防振措施，

阻尼间隔棒宜不等距、不对称布置，导线最大次档距不宜大于70m,端次档距宜控制在

28m-35m。01背景和意义大跨越导线防振方案41.2意义(1)架空导线微风振动(含地线和光缆的微

风振动)和次档距振荡是输电线路中常见的风

致振动型式，导地线在一定时期的振动作用下，

极易发生断股断线、金具磨损破坏等事故。01背景和意义某线路次档距振荡导地线金具损坏(2)随着我国电网和电力装备技术的发展，越来越多的导线金具供应商开始走出国

门,但国外在导线防振方面更看重理论计算结果，需要供应商出具导线微风振动或次档距振荡计算书。针对导地线微风振动和次档距振荡问题，研究相应的仿真计算技术对于防振金具的设计

、选型、防振效果的评估和辅助线路设计具有重要意义。01背景和意义1.背景和意义2.计算模型3.软件开发及模块功能4.技术实践如图所示防振锤振动过程中单侧受力模型，假设锤头和钢绞线各向同性，锤头只有惯性和质量，而不计其

弹性,忽略钢绞

微分方程：其

中

，m

为防振锤锤头质量；e为锤头质心到锤头与

钢绞线连接点的距离；

J为锤头对锤头与钢绞线连接点的

型

，y=y₀ejot

φ=φoeioty为锤头位移，φ为锤头绕锤头与钢绞线连接点的转角。2.1防振锤仿真计算模型02计算模型防振锤单侧受力模型其

中

，w

为防振锤单侧固有频率，L为防振锤单侧裸露钢绞线长度，k为防振锤单侧裸露钢绞线等效弹簧刚度，EI为钢绞线抗弯刚度。2.1.1固有频率计算令方程系数矩阵行列式为零，可得该侧防振锤固有频率：02计算模型2.1.2功率特性计算功率特性计算考虑钢绞线阻尼，列系统动力特性微分方程，M+CY+KY=F其中，不考虑防振锤因不对称产生的转矩，02计算模型则该侧防振锤系统耗能：其中，Im表示取虚部；Re表示取实部。防振锤整体的固有频率w

即线夹两侧的固有频率，防振锤整体的线夹支持力F

即为线夹两侧系统激振力的线性叠加，防振锤整体的功率特性P即线夹两侧系统特性的线性叠加，防振锤其

中

，P为单侧防振锤系统耗能，IF₀I为该系统激振力的绝对值，

v₀l为系统激振速度的绝对值，α为系统激振力与激振速度的相位差。02计算模型的速度阻抗Z可表示为：基于能量平衡法计算导线系统动力特性，其原理如下Losp

图所示。P。1.

风功率风功率采用Rawlins风能函数：P=β,D(A₀,f,D)P+。其

中

，A₀

为导线振幅，f

为频率，D

为导线直径，

βw为Log(AD)

修正系数，能量平衡法原理图2.

导线系统动力特性仿真计算模型其

中

，Iz表示锁定常数，

I

为风的紊流强度。02计算模型式中，y为振幅峰峰值；k,是最大弯曲刚度折减系数；kp是经验因素；Vc是架空导线的波速；针对不同导线的k₀和β取不同的经验值；Eg

是等效弹性模量。2

.

2

.

2导线自阻尼功耗自阻尼功耗采用自阻尼功率半经验表达式：2

.

2

.

3考虑安装位置的防振锤功耗此处防振锤功耗采用如下表达式：02计算模型式中

，T为导线张力；m

是导线单位长度质量；A为导线振幅；

w

为导线振动频率；β为振动波在防振锤线夹处的入射和反射比例系数，c为振动波在导线上的传播速度，xp

为防

振锤的安装位置。当Pw=Pc时求解得到导线自阻尼特性，当Pw=Pc+Pd

时可求解得到导线系统响应特性。02计算模型式

中

，Lmaxi

为该控制条件下极限次档距长度，a

为导线分裂间距，D为导线直径，T为导线张力

，E

为导线间隔棒系统对数衰减率，V为

风

速

，W为导线单位长度质量，X₀为次档

距振动幅值。3.

基于分裂导线系统对数衰减率的次档距优化布置方法1.考虑鞭击效应和子导线吸附效应计算最大次档距1.

考虑鞭击效应02计算模型式

中

，Lmax₂为该控制条件下极限次档距长度，I为流过子导线的电流，Km=0.0204,K=0.0344D√D,y=1-D/a

为子导线接近率，K₁和K₂是与分裂数相关的系数。2.3.1.2考虑子导线吸附效应02计算模型2.3.1.3最大次档距Smax=min(Lmax₁,Lma₂)式

中

，min为取Lmax和Lmax₂中较小值符号。2.3.2平均次档距和间隔棒个数计算Smean=Smax/1.1N=L/Smean式

中

，Smea为平均次档距，L

为档距长度，N

为间隔棒个数。02计算模型2.3.3次档距布置次档距的布置引入无量纲特征参量S/S+1,如图1所示，在端次档距处S₁=81,

中间次档距S+1=X₁+Si+1.S;/S;+1与对数衰减率δ之间存在如图2所示关系。0.150.10.050.51.0S.S图2

8;/S₁+1与δ的关系02计算模型图1参量示意图δ2.3.3.2端次档距的验证假设由于覆冰等原因造成的外扭矩施加在档距中央，分裂导线也会发生扭转，甚至出现子导线相互纽绞的现象。当外扭矩增加到某一值时，扭矩会随着扭转角变大而减小，即使力矩值不增加，分裂导线的扭转角还会继续增加，此时外扭矩达到失稳扭矩Mmax。2.3.3.1端次档距确定端次档距与邻次档距的比值S₁/S₂或SN/Sn-1为0.55~0.65,以防止导线线扭转，一旦发生扭转，导线-间隔棒系统应能提供尽可能大的扭转恢复力矩ME。式中

，dj

为导线分裂圆直径，n为分裂数，SE为次档距长度，

θE为与杆塔相连接的间隔棒的扭转角，s为子导线扭转刚度。02计算模型2.3.3.3端次档距原则(1)除端部次档距外，相邻次档距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除端部次档距外，各个次档距振荡模式的δ的平均值最大；4确保次档距不能关于档距中央对称，次档距长度交替增大、减小，并由两端向中间逐步增大，最大值在中间位置。式中，k

为中间次档距的个数，θmax为分裂导线临界扭转角。当Mp大于Mmax,证明端次档距长度值符合要求。02计算模型2.4次档距振荡响应计算第个次档距的一般方程式为：y,=[A,sin

P(X,-x)+Y,cos

P(X,-x)]cos

PCt式中，yi为第个次档距内导线的位移，A;为第个次档距的振幅常数，P=2π/λ,X;为第个

间隔棒的横坐标，x

为所求点的横坐标，Y;为第i个间隔棒线夹位移，t为时间。在振幅最大时，在每一个间隔棒安装点的导线张力与间隔棒的弹力相平衡，于是有式中，K

为阻尼间隔棒连臂的水平动力刚度。02计算模型已知档距两端固定，即Y₀=YN+1=0,

此时唯一的未知数为P,

对此行列式有若干个解，也就有对应的f

和λ,继而求出任何点的y;值，画出导线振荡的形状。02计算模型联立以上两式可以得到：1.背景和意义2.计算模型3.软件开发及模块功能4.技术实践3.1

软件开发框架基于上述导线微风振动和次档距仿真计算方法，开发了架空导线防振辅助设计软件。软件包括7个模块，覆盖了常规线路防振设计标准、防振锤选择和设计、导线-防振锤系统

动力特性仿真和导线-间隔棒系统动力特性仿真等微风振动和次档振荡相关问题的计算。03软件开发及模块功能3.2模块功能演示gawe

件

规四标方法

情1sNswat·

率特a家电网STATGRI软件封面导线类型钢芯铝绞线规格型号JL/G1A-400/35-7/48铝单丝直径/mm3.22铝股数48钢丝直径/mm2.50钢股数7导线直径/mm26.8单位长度质量/kg/km1347.5平均运行张力/kN25.918档距/m300以JL/G1A-400/35-7/48

为例演示软件的各模块的功能，导线参数如下表所示。导线参数03软件开发及模块功能构性的喜证力档出dn1计m-7*架

sn.n

ttur.-r03软件开发及模块功能3.2.1规范标准做

律区双

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.确方造目前不少国*在已制订的的的探则或导中，防的发装数量已有所减少，现一档仅第一个的所请“半h

的“

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月定国的度法等，而数国当今仍来制定出运合我国情况的相规则或导则。我国路上要装船择数量是目世界上最多的少数国家之一，时单导战每档与端的安

装数量下表：档与嘱陷探操个数

电

外

位(

mm

)档个个十D<12s30000-6012<n<22<150150-700700100022<p<37.145-8008012003.2.2

防振锤质量和数量确定方法03软件开发及模块功能防振锤数量我国现行设计性术境程兄规念，四分器导线采用阻尼问限棒时，在档500m以上正

求采印防保接施，对水平排列的分裂导线，其措施未同单导线加u

区别。(mml力网：1

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A,M03软件开发及模块功能3.2.3

防振锤安装安装原则不等距安装等距安装4

性

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相

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不m原则earsrsgastt

力特性计算

,d=tat,ta

onene1ar计方间4项目锤头1侧锤头2侧钢绞线股数19钢绞线单丝直径(mm)2.6钢绞线阻尼比0.15钢绞线刚度系数1.2锤头质量(kg)2.31.74锤头相对于质心的转动惯量(kgem²)0.0060.003钢绞线压接点相对于锤头质心的偏心距(m)0.037550.01556钢绞线长度(m)0.19250.1375以FRY-3/5

型防振锤演示防振锤功率特性仿真模块功能，防振锤参数如下表所示。防振锤参数03软件开发及模块功能3.2.4防振锤功率特性仿真FRY-3/5型防振锤示意图011121325257525535

0082197仿真计算界面

图片保存

数据导出03软件开发及模块功能3.2.5

导线动力特性仿真0

2

质

量ok

量

方

法