[發明專利]一種輸電導線舞動數值模擬方法

在審

• 申請號: 202210079837.4
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114547930A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 呂中賓;伍川;劉澤輝;張博;劉光輝;葉中飛;劉彬;劉勝春;司佳鈞;陶亞光;李夢麗;宋高麗;馬倫;炊曉毅;張世堯
• 申請（專利權）人: 國網河南省電力公司電力科學研究院;國家電網有限公司;中國電力科學研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F111/10;G06F113/08;G06F113/16;G06F119/14
• 代理公司: 鄭州知己知識產權代理有限公司 41132
• 代理人: 任海玲

1.一種輸電導線舞動數值模擬方法，其特征在于，所述數值模擬方法包括以下步驟：

S1：獲取輸電導線的覆冰截面形狀和在覆冰形狀分布，具體包括以下步驟：

S1.1：建立輸電導線無覆冰狀態下的連續檔導線模型，通過施加初始張力、導線自重載荷，求解獲得導線沿著檔距方向各處的扭轉剛度k；

S1.2：根據扭轉剛度k、導線的設計參數和導線直徑D、檔距L、覆冰位置x、覆冰厚度b、劃分層數pb、凝冰角β₀，每一層覆冰均按照新月形覆在導線表面，將360度的角度劃分為多份，采用極半徑坐標r(θ)存儲每個方向的覆冰極半徑；

S1.3：計算每層覆冰的扭矩M_i及其所引起的扭轉角θ_i，

其中，ρ_ice為冰的密度，g為重力加速度、r_i-1(β₀)為第i-1層的覆冰厚度；

S1.4：更新每層覆冰生長后的極半徑，第i層覆冰導致導線表面覆冰極半徑的增量為

Δr_i(θ)＝R_i(β₀)-R_i-1(β₀) (3)

其中R_i(β₀)、R_i-1(β₀)分別為當前層和上一層覆冰對應的極半徑，第i層覆冰覆蓋到導線上后的覆冰極半徑分布為

r′_i(θ)＝Δr_i(θ)+r_i-1(θ) (4)

其中r_i-1(θ)為上一層覆冰疊加后所得到的覆冰極半徑；

S1.5：更新每層覆冰扭轉后的極半徑，

r_i(θ)＝r′_i(θ-θ_i) (5)

S1.6：計算覆冰質心，判斷覆冰導線截面平衡情況并修正位置；

S1.7：重復S1.2-S1.6，模擬導線截面動態覆冰過程，得到扭轉后的覆冰形狀，改變覆冰位置x，結合其扭轉剛度k取值，循環計算得到導線沿著檔距方向每一段的覆冰形狀分布。

S2：獲取覆冰導線的氣動載荷G；

基于步驟S1中獲得的導線覆冰截面形狀，將導線等間隔分為多個區段，每個區段以該區段中點處的覆冰厚度為基準，通過實驗獲取不同風攻角α下和子導線不同相對間距Y、Z下覆冰導線的升力氣動系數C_L(α,Y,Z)、阻力氣動系數C_D(α,Y,Z)和扭矩氣動系數C_M(α,Y,Z)，將C_L(α,Y,Z)帶入公式(6-1)計算求得升力FL，將阻力氣動系數C_D(α,Y,Z)帶入公式(6-2)計算求得阻力FD，將扭矩氣動系數C_M(α,Y,Z)帶入公式(6-3)計算求得扭矩FM，即可獲得基于C_L(α,Y,Z)、C_D(α,Y,Z)或C_M(α,Y,Z)下的氣動載荷G：

其中，ρair為空氣密度，Uz為風速，d為裸導線的直徑；

S3：獲取導線的電磁載荷F：兩條有限長任意彎曲的導線C1和C2，分別通有I1和I2大小的電流，每根導線劃分N個單元，電磁力可分解成笛卡爾坐標系三個方向的分力，導線C2上單元q受到導線C1上單元p的電磁力根據公式8計算，

式中，I1和I2為兩子導線的電流，dl2和dl1分別表示單元p和q的長度向量，R表示該兩單元中點間的距離，ar表示該距離的單位向量，μ0為真空磁導率，取4π×10-7H/m；

S4：采用ABAQUS有限元軟件建立包含分裂導線、間隔棒、絕緣子串、連接金具、防舞裝置的線路有限元分析模型，在完成建模后，生成包含線路所有結構信息參數的inp文件；

S5：在生成的inp文件的基礎上，通過定義與導線共節點的用戶自定義單元用于實時變化的導線氣動載荷、電磁力載荷的準確施加；

S6：利用fortran軟件，編寫用戶自定義單元對應的用戶自定義單元子程序，得到實現氣動載荷G和電磁力F的計算和施加的用戶自定義單元子程序for文件，實現將步驟S2和步驟S3中計算得到的覆冰導線的氣動載荷和電磁力施加在步驟S4中創建的有限元分析模型中；

S7：在完成用戶自定義單元及用戶自定義單元子程序的編制后，在ABAQUS有限元軟件中，同步提交S5中的包含用戶自定義單元的線路段inp文件和S6中的用戶自定義單元子程序for文件，即可開展考慮覆冰界面形狀、覆冰分布、氣動載荷、電磁力的輸電線路舞動數值模擬。