一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法及系统与流程

1.本发明涉及高压绝缘子技术领域，尤其涉及一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法及系统。


背景技术：

2.架空输电导线正常运行时，受自身载流产生的电阻焦耳热的影响，其温度往往高于环境温度，使得导线的温度将升高。此外，在钢芯铝绞线内部，由于各层股线之间存在空气间隙，且钢芯、空气与铝线的导热系数各不相同，使得导线内部各股线层间散热不均匀，产生径向温差。研究表明，导线径向温差可达5～25℃，这必然将对导线各层股线的轴向应力分布产生影响，进而影响导线的轴向总张力，并最终对悬垂绝缘子串的风偏响应产生影响。在传统的绝缘子串风偏角的计算过程中，导线的张力只与导线的股线层数n、每一层股线的根数zi、股线的截面面积ai、各股线的弹性模量ei、及导线本身的轴向应变ε有关，而上述物理参数的取值是基于导线在制造和运行过程中的环境温度为初始条件的，不考虑运行过程中导线负载产热及散热不均导致的导线各股线的温变，即传统的绝缘子串风偏角计算方法没有考虑导线各股线间温度变化对绝缘子串风偏结果的影响，使得计算结果不够准确。


技术实现要素：

3.鉴于此，本发明的目的在于提供一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法，以克服或至少部分解决现有技术所存在的上述问题。
4.为实现上述发明目的，本发明第一方面提供一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法，所述方法包括以下步骤：
5.s101、构建考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型，确定导线张力；
6.s102、在考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型的基础上，计算考虑温度变化影响时的导线张力；
7.s103、将基于同时考虑泊松比效应影响和温度变化影响的导线张力输入到绝缘子串风偏计算模块中，绝缘子串风偏计算模块输出相应的绝缘子串风偏角。
8.进一步的，在考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型中，股线伸长量和导线伸长量的关系式表示为：
9.δli＝δl
s cosα
i-δui·
sinαi10.其中，i为导线的第i层股线，ai为第i层股线的缠绕捻角，ls为导线原长度，δls为导线伸长量，ui为导线第i层股线圆周横向长度，δui为导线第i层股线圆周横向收缩长度，δli为第i层股线的伸长量，li为第i层股线伸长前的长度，螺旋股线半径相对于输电导线拉伸的圆周横向收缩量与轴向收缩量的比也可以称之为输电导线的泊松比，表示为vi＝(δui/ui)/(δli/li)，根据材料泊松比的定义及股线本身伸长率εi＝δli/li的定义，可得：
11.δui＝εi·
vi·
ui12.由于ui＝li·
sinαi，可得δui＝εi·
vi·
li·
sinαi，将其代入股线伸长量和导线伸长量的关系式中可得：
13.δli＝δls·
cosα
i-εi·
vi·
li·
sin2αi14.进而可以计算得到第i层股线的伸长长度为：
[0015][0016]
根据材料弹性假设和虎克定律可得，第i层股线中的拉应力fi可以表示为：
[0017]fi
＝εi·ei
·ai
[0018]
εi为第i层股线的轴向应变，由于εi＝δli/li，ls/li＝cosαi，将第i层股线伸长长度代入到其拉应力表达式中可得：
[0019][0020]
当考虑股线拉应力忽略股线的切应力时，第i层股线任一线股的轴向拉力在导线轴向拉力方向的分量si的表达式为：
[0021][0022]
由此可以得到整条导线的轴向拉力，即导线张力t的表达式为：
[0023][0024]
其中，t为导线张力，zi为每一层股线的根数，ei为各股线的材料弹性模量，n为导线的股线层数，ai为股线的截面面积。
[0025]
进一步的，所述步骤s102具体包括以下步骤：
[0026]
s201、将导线中第i层股线的任一线股的轴向拉力消除温度应力的影响，计算公式表示为：
[0027][0028]
其中，βi为第i层股线的材料线膨胀系数，δti为第i层股线的温度改变量；
[0029]
s202、计算第i层股线任一线股的轴向拉力在导线轴向拉力方向的分量为：
[0030][0031]
s203、基于步骤s202的计算结果，计算整条导线的轴向总拉力，即导线张力为：
[0032][0033]
进一步的，步骤s103中，绝缘子串风偏计算模块根据同时考虑泊松比效应和温度变化影响的导线总张力计算导线传递到绝缘子串下端的竖向重力荷载wv，再根据竖向重力荷载wv计算得到绝缘子串的风偏角。
[0034]
进一步的，作用与绝缘子串末端的由导线传递而来的竖向重力荷载wv的计算式为：
[0035][0036]
其中，p1为导线单位长度上的重力荷载，l1为计算杆塔与左侧杆塔之间的档距，l2为计算杆塔与右侧杆塔之间的档距，h1为计算杆塔与左侧杆塔之间的高差，h2为计算杆塔与右侧杆塔之间的高差，t为导线张力。
[0037]
进一步的，根据竖向重力荷载wv计算绝缘子串风偏角的计算式为:
[0038][0039]
其中，gh是绝缘子串受到的风荷载，wh是导线传来的风荷载，gv是绝缘子串的重力荷载。
[0040]
基于相同的发明构思，本发明第二方面提供一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算系统，所述系统包括：
[0041]
构建模块，用于构建考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型，确定导线张力；
[0042]
导线张力计算模块，用于在考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型的基础上，计算考虑温度变化影响时的导线张力；
[0043]
绝缘子串风偏计算模块，用于根据输入的同时考虑泊松比效应影响和温度变化影响的导线张力，输出相应的绝缘子串风偏角。
[0044]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0045]
本发明所提供的一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法及系统，与传统的绝缘子串风偏计算方法相比，考虑到了导线通电运行过程中电阻发热导致的导线温度升高、不同负载条件下的温度变化、环境温度的变化及由于散热不均匀导致的各股线间径向温度差和股线材料泊松比效应对导线张力及绝缘子串风偏角产生的影响，这些温度因素及泊松比效应在以往的绝缘子串风偏角的计算中是被忽略的，基于本发明得到的导线应力和绝缘子串风偏角计算结果将更加符合工程实际，能够为导线和绝缘子串在静动力风荷载作用下的运行疲劳寿命计算提供更精确的理论依据和技术支持。
附图说明
[0046]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使
用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0047]
图1是本发明一实施例提供的一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法整体流程示意图。
[0048]
图2是导线及其股线的伸长率示意图。
[0049]
图3是导线及其股线的受力关系示意图。
[0050]
图4是本发明另一实施例提供的一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算系统整体结构示意图。
具体实施方式
[0051]
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所列举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0052]
参照图1，本实施例提供一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算方法，所述方法包括以下步骤：
[0053]
s101、构建考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型，确定导线张力。
[0054]
s102、在考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型的基础上，计算考虑温度变化影响时的导线张力。
[0055]
s103、将基于同时考虑泊松比效应影响和温度变化影响的导线张力输入到绝缘子串风偏计算模块中，绝缘子串风偏计算模块输出相应的绝缘子串风偏角。
[0056]
参照图2，图2(a)表示的是导线在制造温度的初始条件下，在张力和温度的共同作用下从oa伸长到ob，导线原长为ls，δls为导线伸长量，图2(b)表示的是第i层单股绞线的伸长展开图，当导线伸长量为δls时，第i层股线的伸长量为δli＝l
′
i-li，其中li和l
′i分别为第i层股线伸长前后的长度。在考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型中，股线伸长量和导线伸长量的关系式表示为：
[0057]
δli＝δl
s cosα
i-δui·
sinαi[0058]
其中，i为导线的第i层股线，ai为第i层股线的缠绕捻角，ui为导线第i层股线圆周横向长度，螺旋股线半径相对于输电导线拉伸的圆周横向收缩量与轴向收缩量的比也可以称之为输电导线的泊松比，表示为vi＝(δui/ui)/(δli/li)，根据材料泊松比的定义及股线本身伸长率εi＝δli/li的定义，可得：
[0059]
δui＝εi·
vi·
ui[0060]
由于ui＝li·
sinαi，可得δui＝εi·
vi·
li·
sinαi，将其代入股线伸长量和导线伸长量的关系式中可得：
[0061]
δli＝δls·
cosα
i-εi·
vi·
li·
sin2αi[0062]
进而可以计算得到第i层股线的伸长长度为：
[0063][0064]
根据材料弹性假设和虎克定律可得，第i层股线中的拉应力fi可以表示为：
[0065]fi
＝εi·ei
·ai
[0066]
εi为第i层股线的轴向应变，由于εi＝δli/li，ls/li＝cosαi，将第i层股线伸长长度代入到其拉应力表达式中可得：
[0067][0068]
当考虑股线拉应力忽略股线的切应力时，股线的受力与导线的受力坐标系间关系如图3所示，结合图3可知，第i层股线任一线股的轴向拉力在导线轴向拉力方向的分量si的表达式为：
[0069][0070]
由此可以得到整条导线的轴向拉力，即导线张力t的表达式为：
[0071][0072]
其中，t为导线张力，zi为每一层股线的根数，ei为各股线的材料弹性模量，n为导线的股线层数，ai为股线的截面面积。
[0073]
步骤s102具体包括以下步骤：
[0074]
s201、在考虑温度变化的作用时，输电线的总变形量受两部分因素影响，一是外拉力的影响，二是受温度变化导致的热胀冷缩效应影响，因此，需要将导线中第i层股线的任一线股的轴向拉力消除温度应力的影响，计算公式表示为：
[0075][0076]
其中，βi为第i层股线的材料线膨胀系数，δti为第i层股线的温度改变量；
[0077]
s202、计算第i层股线任一线股的轴向拉力在导线轴向拉力方向的分量为：
[0078][0079]
s203、基于步骤s202的计算结果，计算整条导线的轴向总拉力，即导线张力为：
[0080][0081]
步骤s103中，绝缘子串风偏计算模块根据同时考虑泊松比效应和温度变化影响的导线总张力值计算导线传递到绝缘子串下端的竖向重力荷载wv，再根据竖向重力荷载wv计算得到绝缘子串的风偏角。
[0082]
具体的，作用与绝缘子串末端的由导线传递而来的竖向重力荷载wv的计算式为：
[0083][0084]
其中，p1为导线单位长度上的重力荷载，l1为计算杆塔与左侧杆塔之间的档距，l2为计算杆塔与右侧杆塔之间的档距，h1为计算杆塔与左侧杆塔之间的高差，h2为计算杆塔与右侧杆塔之间的高差，t为导线张力。
[0085]
根据竖向重力荷载wv计算绝缘子串风偏角的计算式为:
[0086][0087]
其中，gh是绝缘子串受到的风荷载，wh是导线传来的风荷载，gv是绝缘子串的重力荷载。
[0088]
在前述实施例的基础上，基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供一种考虑导线通电温变的绝缘子串风偏计算系统。参照图4，所述系统包括构建模块1、导线张力计算模块2和绝缘子串风偏计算模块3。
[0089]
其中，所述构建模块1用于构建考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型，确定导线张力。
[0090]
所述导线张力计算模块2用于在考虑泊松比效应影响的绝缘子串导线受力模型的基础上，计算考虑温度变化影响时的导线张力。
[0091]
所述绝缘子串风偏计算模块3用于根据输入的同时考虑泊松比效应影响和温度变化影响的导线张力，输出相应的绝缘子串风偏角。
[0092]
本实施例所提供的系统的工作原理与有益效果均可参照前述方法实施例所述的方法，在此不再赘述。
[0093]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。