基于实验塑性伸长模型的架空导线张力-弧垂计算方法与流程

基于实验塑性伸长模型的架空导线张力
‑
弧垂计算方法
技术领域
1.本发明属于高压架空输电线路工程设计领域，具体涉及基于实验塑性伸长模型的架空导线张力
‑
弧垂计算方法。


背景技术：

2.架空导线应力弧垂计算，作为架空线路设计最基础理论之一，不掌握就无法开展输电线路排位、铁塔设计、导地线和金具选型等工作，因此不可或缺。
3.国际架空输电工程多要求设计方基于实验塑性模型开展架空导线张力弧垂计算，并以此为基础开展项目设计。
4.但是，我国张力弧垂计算一直采用最简化的弹性模型，对实验塑性模型研究不深，更无国产计算软件可用，这为我国开展国际架空输电线路项目在最基础理论部分设置了技术壁垒。
5.当前，我国电力设计单位均是依靠高价购买美国公司开发的pls
‑
cadd软件来解决国际工程导线应力
‑
应变计算难题。
6.但是，随着中美大国间竞争加剧，美国对我国科技领域的打压变本加厉，从制裁华为到禁止我国部分高校使用matlab软件、美国还会对我们筑起怎样的技术壁垒值得我们提高警惕。
7.因此，不掌握导线实验塑性模型架空导线张力弧垂计算原理，只依靠美国软件，我们将永远受制于人，也为未来我国开展国际工程项目埋下隐患。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种计算准确、安全的基于实验塑性伸长模型的架空导线张力
‑
弧垂计算方法。
9.本发明的技术方案具体为：
10.一种基于实验塑性伸长模型的架空导线张力
‑
弧垂计算方法，包括以下步骤：
11.1)、计算导线各工况水平、垂直和综合荷载；上述计算步骤为现有技术；
12.2)、假定导线蠕变工况初始张力，计算导线内/外层材料应力
‑
应变曲线系数和蠕变曲线调整后系数，推导导线无应力线长；
13.3)、计算导线初始状态各工况张力、弧垂，并确定极端荷载对应工况；
14.4)、计算导线经历极端荷载工况后其他各工况张力、弧垂；
15.5)、计算导线经历10年蠕变后各工况张力、弧垂；
16.6)、判断计算完成的所有工况导线张力是否满足设计限值要求，若不满足，调整蠕变工况假定初始张力，再次推导其他各工况导线张力，直到所有工况导线张力满足设计限值要求。
17.在步骤2)中，导线内/外层材料应力
‑
应变曲线系数的计算过程为：
18.x0＝(t1‑
t0)*α
19.k
n0
＝k0‑
k1*x0 k2*x
02
‑
k3*x
03
k4*x
04
20.k
n1
＝k1‑
2*k2*x0 3*k3*x
02
‑
4*k4*x
03
21.k
n2
＝k2‑
3*k3*x0 6*k4*x
02
22.k
n3
＝k3‑
4*k4*x023.k
n4
＝k424.其中，k
n0
，k
n1
，k
n2
，k
n3
，k
n4
为蠕变工况对应导线内/外层材料应力
‑
应变曲线系数，t1为蠕变工况温度值，t0为厂家提供的导线内/外层材料应力
‑
应变曲线参数获取时的温度，k0，k1，k2，k3，k4为厂家提供的导线内/外层材料应力
‑
应变曲线参数，α为厂家提供的导线内/外层材料膨胀系数，x0为导线温度从t0变为t1导线单位长度变化量。
25.导线应变计算公式为：
26.σ＝k
n0
k
n1
*s k
n2
*s2 k
n3
*s3 k
n4
*s427.其中，σ为导线应力，s为导线应变量；
28.导线无应力线长计算公式为：
[0029][0030][0031]
其中，l为导线蠕变工况在假定张力下导线线长，l0为导线无应力线长，l为档距，h为高差，γ为电线比载，σ
z
为导线蠕变工况假定总应力。
[0032]
步骤3)中计算导线初始状态各工况张力、弧垂的方法如下：
[0033]
根据步骤2)中的计算过程，完成导线蠕变工况内层材料应力
‑
应变曲线系数k
nn0
，k
nn1
，k
nn2
，k
nn3
，k
nn4
，外层材料应力
‑
应变曲线系数k
nw0
，k
nw1
，k
nw2
，k
nw
3，k
nw4
计算；
[0034]
导线总的应力
‑
应变曲线系数k
zn0
，k
zn1
，k
zn2
，k
zn3
，k
zn4
计算公式为：
[0035]
k
zn0
＝k
nn0
k
nw0
[0036]
k
zn1
＝k
nn1
k
nw1
[0037]
k
zn2
＝k
nn2
k
nw2
[0038]
k
zn3
＝k
nn3
k
nw3
[0039]
k
zn4
＝k
nn4
k
nw4
[0040]
已知导线无应力线长以及导线蠕变工况对应导线内外层材料应力
‑
应变曲线系数，推导其他各工况初始状态张力、弧垂；
[0041]
比较计算完成的各工况张力，确定最大张力对应工况作为极限荷载工况。
[0042]
所述步骤4)中计算导线经历极端荷载后，其他各工况张力、弧垂的方法如下：
[0043]
完成导线极端荷载对应工况内层材料应力
‑
应变曲线系数kj
nn0
，kj
nn1
，kj
nn2
，kj
nn3
，kj
nn4
，外层材料应力
‑
应变曲线系数kj
nw0
，kj
nw1
，kj
nw2
，kj
nw3
，kj
nw4
，导线总的应力
‑
应变曲线系数kj
zn0
，kj
zn1
，kj
zn2
，kj
zn3
，kj
zn4
；
[0044]
导线应变量s
sl
的计算公式为：
[0045]
σ
sl
＝kj
zn0
kj
zn1
*s
sl
kj
zn2
*s
sl2
kj
zn3
*s
sl3
kj
zn4
*s
sl4
[0046]
σ
sl
为导线极端荷载工况初始张力；
[0047]
导线外层应力σ
slw
的计算公式：
[0048]
σ
slw
＝kj
nw0
kj
nw1
*s
sl
kj
nw2
*s
sl2
kj
nw3
*s
sl3
kj
nw4
*s
sl4
[0049]
导线外层材料应力
‑
应变曲线纵截距p
slw
的计算公式为：
[0050]
p
slw
＝s
sl
‑
σ
slw
/e
w
[0051]
e
w
为导线外层弹性模量；
[0052]
导线外层材料经历极端荷载后应力
‑
应变曲线系数为：
[0053]
kj
nw0
＝
‑
1*p
slw
*e
w
[0054]
kj
nw1
＝e
w
[0055]
kj
nw2
＝0
[0056]
kj
nw3
＝0
[0057]
kj
nw4
＝0
[0058]
导线内层材料应力
‑
应变曲线系数计算方法和外层一样；
[0059]
已知导线无应力线长，导线内外层材料经历极端荷载后应力
‑
应变曲线系数，推导导线经历极端荷载后其他各工况张力、弧垂。
[0060]
所述步骤5)中计算导线经历10年蠕变后各工况张力、弧垂的方法如下：
[0061]
51)、完成导线蠕变曲线在蠕变工况下的系数调整；
[0062]
52)、已知导线无应力线长，导线蠕变工况对应导线内外层材料蠕变曲线系数，推导导线经历10年蠕变后蠕变工况的张力；
[0063]
53)、计算导线经历10年蠕变后，蠕变工况对应的内外层材料蠕变曲线系数；
[0064]
54)、已知导线无应力线长，导线内外层材料经历10年蠕变后蠕变曲线系数，推导导线经历10年蠕变后其他各工况张力、弧垂；
[0065]
55)、若推导完成的其他工况中经历10年蠕变后张力大于初始时张力，经历10年蠕变张力取值修正为初始时张力。
[0066]
所述步骤6)中，满足限值要求的依据是：计算完成的所有工况导线张力，均需小于或等于限值要求的张力值，且至少有一项等于限值要求的张力值。
[0067]
相对于现有技术，本发明涉及基于实验塑性伸长模型的架空导线张力
‑
弧垂计算方法，包括：计算架空导线各工况水平荷载、垂直荷载和综合荷载；假定某种工况下张力、弧垂，利用应力
‑
应变曲线或蠕变曲线，并根据导线悬挂后呈现悬链线特性，推导出其他需计算工况下的导线张力和弧垂值；根据计算完成的所有导线张力值和设计要求限值关系，调整假定工况张力，直到所有工况导线张力弧垂满足设计要求限值要求。本发明基于实验塑性伸长模型开展架空导线张力、弧垂计算，弥补了我国在此领域空白，对我国参与国际架空线路工程设计具有重要意义。
附图说明
[0068]
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
[0069]
本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
[0070]
一种基于实验塑性伸长模型的架空导线张力
‑
弧垂计算方法，包括以下步骤：
[0071]
1)、计算导线各工况水平、垂直和综合荷载；上述计算步骤为现有技术；
[0072]
2)、假定导线蠕变工况初始张力，计算导线内/外层材料应力
‑
应变曲线系数和蠕变曲线调整后系数，推导导线无应力线长；
[0073]
3)、计算导线初始状态各工况张力、弧垂，并确定极端荷载对应工况；
[0074]
4)、计算导线经历极端荷载工况后其他各工况张力、弧垂；
[0075]
5)计算导线经历10年蠕变后各工况张力、弧垂；
[0076]
6)判断计算完成的所有工况导线张力是否满足设计限值要求，若不满足，调整蠕变工况假定初始张力，再次推导其他各工况导线张力，直到所有工况导线张力满足设计限值要求。
[0077]
在步骤2)中，导线内/外层材料应力
‑
应变曲线系数的计算过程为：
[0078]
x0＝(t1‑
t0)*α
[0079]
k
n0
＝k0‑
k1*x0 k2*x
02
‑
k3*x
03
k4*x
04
[0080]
k
n1
＝k1‑
2*k2*x0 3*k3*x
02
‑
4*k4*x
03
[0081]
k
n2
＝k2‑
3*k3*x0 6*k4*x
02
[0082]
k
n3
＝k3‑
4*k4*x0[0083]
k
n4
＝k4[0084]
其中，k
n0
，k
n1
，k
n2
，k
n3
，k
n4
为蠕变工况对应导线内/外层材料应力
‑
应变曲线系数，t1为蠕变工况温度值，t0为厂家提供的导线内/外层材料应力
‑
应变曲线参数获取时的温度，k0，k1，k2，k3，k4为厂家提供的导线内/外层材料应力
‑
应变曲线参数，α为厂家提供的导线内/外层材料膨胀系数，x0为导线温度从t0变为t1导线单位长度变化量。
[0085]
上述为导线内/外层材料应力
‑
应变曲线调整方法，导线蠕变曲线调整方法和应力
‑
应变曲线调整方法相同。
[0086]
导线应变计算公式为：
[0087]
σ＝k
n0
k
n1
*s k
n2
*s2 k
n3
*s3 k
n4
*s4[0088]
其中，σ为导线应力，s为导线应变量。
[0089]
导线无应力线长计算公式为：
[0090][0091][0092]
其中，l为导线蠕变工况在假定张力下导线线长，l0为导线无应力线长，l为档距，h为高差，γ为电线比载，σ
z
为导线蠕变工况假定总应力。
[0093]
步骤3)中计算导线初始状态各工况张力、弧垂的方法如下：
[0094]
根据步骤2)中的计算过程，完成导线蠕变工况内层材料应力
‑
应变曲线系数k
nn0
，k
nn1
，k
nn2
，k
nn3
，k
nn4
，外层材料应力
‑
应变曲线系数k
nw0
，k
nw1
，k
nw2
，k
nw3
，k
nw4
计算。
[0095]
导线总的应力
‑
应变曲线系数k
zn0
，k
zn1
，k
zn2
，k
zn3
，k
zn4
计算公式为：
[0096]
k
zn0
＝k
nn0
k
nw0
[0097]
k
zn1
＝k
nn1
k
nw1
[0098]
k
zn2
＝k
nn2
k
nw2
[0099]
k
zn3
＝k
nn3
k
nw3
[0100]
k
zn4
＝k
nn4
k
nw4
[0101]
已知导线无应力线长以及导线蠕变工况对应导线内外层材料应力
‑
应变曲线系数，推导其他各工况初始状态张力、弧垂。
[0102]
比较计算完成的各工况张力，确定最大张力对应工况作为极限荷载工况。
[0103]
所述步骤4)中计算导线经历极端荷载后，其他各工况张力、弧垂的方法如下：
[0104]
完成导线极端荷载对应工况内层材料应力
‑
应变曲线系数kj
nn0
，kj
nn1
，kj
nn2
，kj
nn3
，kj
nn4
，外层材料应力
‑
应变曲线系数kj
nw0
，kj
nw1
，kj
nw2
，kj
nw3
，kj
nw4
，导线总的应力
‑
应变曲线系数kj
zn0
，kj
zn1
，kj
zn2
，kj
zn3
，kj
zn4
。
[0105]
导线应变量s
sl
的计算公式为：
[0106]
σ
sl
＝kj
zn0
kj
zn1
*s
sl
kj
zn2
*s
sl2
kj
zn3
*s
sl3
kj
zn4
*s
sl4
[0107]
σ
sl
为导线极端荷载工况初始张力。
[0108]
导线外层应力σ
slw
的计算公式：
[0109]
σ
slw
＝kj
nw0
kj
nw1
*s
sl
kj
nw2
*s
sl2
kj
nw3
*s
sl3
kj
nw4
*s
sl4
[0110]
导线外层材料应力
‑
应变曲线纵截距p
slw
的计算公式为：
[0111]
p
slw
＝s
sl
‑
σ
slw
/e
w
[0112]
e
w
为导线外层弹性模量。
[0113]
导线外层材料经历极端荷载后应力
‑
应变曲线系数为：
[0114]
kj
nw0
＝
‑
1*p
slw
*e
w
[0115]
kj
nw1
＝e
w
[0116]
kj
nw2
＝0
[0117]
kj
nw3
＝0
[0118]
kj
nw4
＝0
[0119]
导线内层材料应力
‑
应变曲线系数计算方法和外层一样。
[0120]
已知导线无应力线长，导线内外层材料经历极端荷载后应力
‑
应变曲线系数，推导导线经历极端荷载后其他各工况张力、弧垂。
[0121]
所述步骤5)中计算导线经历10年蠕变后各工况张力、弧垂的方法如下：
[0122]
51)、完成导线蠕变曲线在蠕变工况下的系数调整；
[0123]
52)、已知导线无应力线长，导线蠕变工况对应导线内外层材料蠕变曲线系数，推导导线经历10年蠕变后蠕变工况的张力；
[0124]
53)、计算导线经历10年蠕变后，蠕变工况对应的内外层材料蠕变曲线系数；
[0125]
54)、已知导线无应力线长，导线内外层材料经历10年蠕变后蠕变曲线系数，推导导线经历10年蠕变后其他各工况张力、弧垂；
[0126]
55)、若推导完成的其他工况中经历10年蠕变后张力大于初始时张力，经历10年蠕变张力取值修正为初始时张力。
[0127]
需要说明的是，上述步骤3)、4)、5)中提到“已知导线无应力线长，某一工况a对应的曲线系数，推导其他工况b的张力弧垂”的方法如下：
[0128]
计算b工况下导线内外层材料曲线系数。
[0129]
σ
n
＝k
nn0
k
nn1
*s k
nn2
*s2 k
nn3
*s3 k
nn4
*s4[0130]
σ
w
＝k
nw0
k
nw1
*s k
nw2
*s2 k
nw
3*s3 k
nw4
*s4[0131]
若σ
w
＞0，
[0132]
σ
z
＝σ
n
σ
w
[0133]
否则，
[0134]
σ
z
＝σ
n
[0135]
寻找同时满足下面两式的导线应力和线长：
[0136][0137][0138]
式中，σ
z
为导线总应力，σ
n
为导线内层应力，σ
w
为导线外层应力，l为档距，h为高差，γ为电线比载。
[0139]
所述步骤6)中，满足限值要求的依据是：计算完成的所有工况导线张力，均需小于或等于限值要求的张力值，且至少有一项等于限值要求的张力值。
[0140]
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。