一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法

1.本发明属于输电线路安全和防灾减灾领域，涉及一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，用于线路风偏的准实时分析以及灾害预演评估。


背景技术：

2.架空电路因为常运行于野外区域，因此饱受风害，无论是检查还是维修都需要耗费大量的人力物力财力，损失极大。如何预防自然灾害对电路的破坏，已经成为了保证社会高速发展的重大课题。在电路系统中，由于风力荷载导致的绝缘子串风偏闪络事故时有发生，不仅带来了巨大的经济损失，也会引起很多安全事故。绝缘子串在输电线路中起着连接导线与输电塔的作用，导线与输电塔或周围树木间的距离会随着绝缘子串的偏斜而减小，当距离小于最小安全电气间隙时，就会导致击穿放电事故，进而引发线路跳闸。
3.近年来通过调查输电线路运行以及跳闸事故，统计表明风偏闪络事故已经成为了输电线路发生故障的主要原因，尤其是绝缘子和电塔、输电线间的相互耦合作用进一步加大了风偏闪络事故的分析难度。
4.公开号cn115661355a公开了一种基于激光点云的电力线路三维风偏快速校核方法，包括以下步骤：第一步，加载点云；第二步，确定路径走向；第三步，杆塔线框模型建模；第四步，线框模型场景匹配；第五步，输电线路三维设计模型导出；第六步，构建气象算法平台；第七步，动态模型仿真。该基于激光点云的电力线路三维风偏快速校核方法，批处理生成激光点云并结合影像获得三维模型数据信息，通过输电线路的处理结合杆塔单线模型生成线路实体模型，杆塔关键点自动构建形成杆塔线框模型，杆塔线框模型与原激光点云大场景中的杆塔点云模型叠加后进行矫正，结合输电线路三维设计模型和气象算法平台进行动态模型仿真，这样可实现风偏校核结果和历史风偏故障的对比分析。
5.但是，上述技术手段由于需要建立输电线路三维模型，且需通过叠加点云模型对三维模型进行矫正，还需经过气象算法平台进行模拟。因此，存在建模速度慢、计算效率低，仿真不够及时，即不能快速评估具有脉动风特征大风下的输电线路安全性能的技术问题。


技术实现要素：

6.技术目的：针对上述技术上的困难，本发明给出一个较为通用的解决方案。在刚性体静力学方法、结构力学理论、有限元模拟技术、脉动风模拟技术的基础上，使用构建体系等效模型来进行风偏校核，提出一种快捷建模方法建立电线-绝缘子-电塔整体模型。利用这个方法可以方便的计算输电线路的风偏，从而高效快捷地进行最小电气间距校核，进而能够快速评估具有脉动风特征大风下的输电线路安全性能的技术目的。
7.技术方案：为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：
8.一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，该方法包括以下步骤：
9.(1)划分待研究电塔，遍历所有划分段落，分析应力响应；
10.(2)建立电塔多层次等效模型，确定输电线曲线形状，最终建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型；
11.(3)只考虑大风的稳定风成分，计算稳定风速作用下绝缘子串所受风荷载和输电线路所受风荷载，采用多步静力分析法施加风荷载和自重，获得稳定风作用下绝缘子串风偏，进行大风作用下绝缘子串风偏风险的初步评估；
12.(4)考虑大风的脉动风成分，模拟脉动风速v并确定脉动风荷载，自动生成荷载文件并导入有限分析程序，分析获得脉动风作用下绝缘子串风偏的动态时程；
13.(5)进行风偏安全性评估，提供风偏灾害预警，具体是：将步骤(3)分析获得的风偏值带入到步骤(5)中进行风偏校核，若绝缘子串下端和电塔的距离大于最小安全电气间隙，则视为通过初步评估，继续进行步骤(4)的分析；若绝缘子串下端和电塔的距离不大于最小安全电气间隙，则不进行步骤(4)的分析，发出该输电线路的风偏闪络预警。
14.骤(1)中所述划分待研究电塔，遍历所有划分段落，分析应力响应的具体步骤为：
15.1a)将电塔塔身区域划分为多个段落，使得每个段落中材料属性相同，便于等效为梁单元进行后续计算；
16.1b)依据不同划分区域，遍历所有划分段落，分析应力响应，依次计算每个划分段落的材料参数，对编号为i的截取段落施加弯矩m，在该截取段落的自由端截面创建一个参考点rpi，在参考点rpi和自由端截面之间建立耦合关系，通过载荷模块load中的moment模块施加相应弯矩，提取该段落自由端截面在弯矩m下的相对挠度wi,代入下式求得该区域抗弯刚度eiii，
[0017][0018]
式中，li为该区域构件初始高度；
[0019]
对截取段落构件施加扭矩t，同弯矩施加方式，在要旋转的面上建立参考点，并将参考点和面进行耦合，用moment模块施加对应扭矩，提取该截面在扭矩t下的单位扭转角度代入下式求得该截取段落扭转截面系数w
ti
，
[0020][0021]
对于矩形梁截面，惯性矩i
x
，iy分别为：
[0022][0023][0024]
式中，b，h分别为梁截面长度和高度；
[0025]
1c)对截取段落构件施加轴向拉应力fn，提取构件在轴向应力下的变形，根据胡克定律得到该段落抗拉刚度e
iai
，胡克定律表达式为：
[0026]
[0027]
式中，ei为弹性模量；ai为截面面积，δli为截取段落在轴向应力下高度变形值。
[0028]
步骤(2)中所述建立电塔多层次等效模型的方法为采用梁单元建立电塔等效简化模型，依据步骤1b)和1c)的计算结果，通过property模块在不同区域设置不同的截面参数，得到和原模型力学性能相一致的简化模型。
[0029]
步骤(2)中所述建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型的具体步骤为：
[0030]
2i)建立悬垂绝缘子串有限元模型，悬垂绝缘子串的每一个绝缘子都用一个桁架单元模拟，由于绝缘子串主要在顺风方向上摆动，只需要考虑该方向上的摆动，为了实现快速实时的计算，选择二维桁架单元建模，桁架单元之间采用连接单元进行连接，连接单元属性为旋转叠加铰接，悬垂绝缘子串上端约束定义为固定铰支座；
[0031]
2ii)选取与绝缘子相邻的耐张段，将悬垂绝缘子串最低点作为主节点，输电线路的连接点作为从节点，主、从节点间采用多点约束铰接方式加以连接，绝缘子串被固定在电塔上，通过两个耐张段和输电线路互相作用，建立绝缘子串-输电线路体系模型；
[0032]
2iii)采用多点约束铰接方式连接电塔与悬垂绝缘子串-输电线模型。
[0033]
步骤(3)中采用多步静力分析法施加风荷载和自重方法为：对步骤(2)获得的电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型，设置两个静力分析步进行分析：
[0034]
3i)施加绝缘子串自重荷载、绝缘子串所受风荷载；
[0035]
3ii)施加导线自重荷载、导线所受风荷载，其中，悬垂绝缘子串本身受到的风荷载简化为作用于绝缘子的均布力，将悬垂绝缘子串的悬挂点和最末端的连线与竖向垂线的夹角定义为悬垂绝缘子串风偏角。
[0036]
所述步骤(4)中，自动生成荷载文件并导入有限分析程序的方法为：编写自动导入程序，依据脉动风荷载模拟曲线，提取风荷载数据并生成相应时间-风荷载文件，自动导入到对应的abaqus模型文件中，实现数据的快速导入。
[0037]
步骤(5)所述提供风偏灾害预警的步骤为：
[0038]
5a)计算最小电气间隙，并对比最大风偏距离；
[0039]
5b)对步骤(3)中的风偏值进行初步评估，若绝缘子串下端和电塔的距离大于最小安全电气间隙，则视为通过初步评估，继续进行步骤5c)的分析；反之则不进行步骤5c)的分析，发出该输电线路的风偏闪络预警；
[0040]
5c)分析步骤(4)中脉动风作用下绝缘子风偏的动态时程，若不超过最小安全电气间隙则通过风偏安全性评估；
[0041]
若超出最小安全电气间隙则输出预警信号并划分风偏闪络预警等级，实现快速分析、及时预警。
[0042]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0043]
本发明提供的方法通过建立输电线路多层次等效简化模型，采用桁架单元模拟绝缘子和输电线，用梁单元建立电塔等效简化模型，用多点约束铰接方式进行连接，最终建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型。该等效简化模型相较于原有技术建立的三维设计模型，建模速度更快，大幅提高了风偏计算效率，从而能够科学高效地解决短时大风或强对流天气下的输电线路风偏评估和预演问题。
附图说明
[0044]
图1为输电塔实体建模示意图；
[0045]
图2为待研究电塔的区域划分示意图，其中，a)为塔头部分，b)为横担部分，c)为塔身部分，d)为塔座部分；
[0046]
图3为待研究电塔的塔身区域划分段落的示意图；
[0047]
图4为绝缘子串数值模型示意图；
[0048]
图5为电塔-绝缘子串-输电线体系的几何模型示意图；
[0049]
其中，1为直线塔上导线悬挂点水平基准线；2为悬垂绝缘子串；3为导线；4为直线塔；h
10
为左侧输电导线悬挂点高度差；h
20
为右侧输电导线悬挂点高度差；l1和l2为输电导线水平长度；
[0050]
图6为电塔-绝缘子串-输电线体系的几何模型示意图
[0051]
图7为电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型示意图；
[0052]
其中，2为绝缘子串；3为输电导线；5为电塔等效模型；
[0053]
图8a为脉动风模拟功率和频率的示意图；
[0054]
图8b是根据图8a中的模拟功率和频率获得的等效风速所画出的风速谱；
[0055]
图9为某输电线路体系模型动力学数值分析的结果示意图。
具体实施方式
[0056]
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0057]
本发明的基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，在获得的风速监测数据的基础上进行体系等效模型风偏校核，包括以下步骤：
[0058]
(1)划分待研究电塔，遍历所有划分段落，分析应力响应；
[0059]
(2)建立电塔多层次等效模型，确定输电线曲线形状，最终建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型；
[0060]
(3)只考虑大风的稳定风成分，计算稳定风速作用下绝缘子串所受风荷载和输电线路所受风荷载，采用多步静力分析法施加风荷载和自重，获得稳定风作用下绝缘子串风偏，进行大风作用下绝缘子风偏风险的初步评估；
[0061]
(4)考虑大风的脉动风成分，模拟脉动风速v并确定脉动风荷载，自动生成荷载文件并导入有限分析程序，分析获得脉动风作用下绝缘子风偏的动态时程；
[0062]
(5)进行风偏安全性评估，提供风偏灾害预警。
[0063]
步骤(1)中所述划分待研究电塔，遍历所有划分段落，分析应力响应的具体步骤为：
[0064]
1a)划分待研究电塔。附图1展示了输电塔实体模型，对于输电塔而言，不同区域截面属性不同，且建设材料不同，弹性模量等力学参数随区域改变，因此要对待研究电塔进行区域划分。附图2所示展示了待研究电塔的塔头、横担、塔身和塔座部分。作为实施例，如附图3所示，将电塔塔身区域划分出一个单独的段落。划分段落时注意横隔等，尽可能使得每个段落中材料属性相同，便于等效为梁单元进行后续计算。
[0065]
1b)依据不同划分区域，遍历所有划分段落，分析应力响应，依次计算每个段落的材料参数。对编号为i的截取段落施加弯矩m。在该截取段落的自由端截面创建一个参考点
rpi，在rpi和自由端截面之间建立耦合关系，通过load中moment模块施加相应弯矩。提取该段落自由端截面在弯矩m下的相对挠度wi,代入下式求得该区域抗弯刚度eiii。
[0066][0067]
式中，li为该区域构件初始高度。
[0068]
对截取段落构件施加扭矩t。同弯矩施加方式，在要旋转的面上建立参考点，并将参考点和面进行耦合，用moment模块施加对应扭矩。提取该截面在扭矩t下的单位扭转角度代入下式求得该段落扭转截面系数w
ti
。
[0069][0070]
对于矩形梁截面，惯性矩i
x
，iy分别为：
[0071][0072][0073]
式中，b，h分别为梁截面长度和高度。
[0074]
1c)对截取段落构件施加轴向拉应力fn。提取构件在轴向应力下的变形，根据胡克定律得到该段落抗拉刚度e
iai
。胡克定律表达式为：
[0075][0076]
式中，ei为弹性模量(杨氏模量)；ai为截面面积，δli为段落在轴向应力下变形值。
[0077]
步骤(2)中所述建立电塔多层次等效模型的方法为采用梁单元建立电塔等效简化模型，依据步骤1b)和1c)的计算结果，通过property模块在不同区域设置不同的截面参数，得到和原模型力学性能相一致的简化模型。本说明书后续计算均采用电塔多层次等效模型进行快速分析。
[0078]
说明：风偏灾害引起输电塔的破坏通常为失稳破坏，因此通过模拟区域抗弯刚度eiii，扭转截面系数w
ti
，抗拉刚度e
iai
，可以建立精度足够的简化仿真模型，快速模拟大风对输电塔的破坏模式。
[0079]
步骤(2)中所述确定输电线曲线形状的方法为终形法，具体步骤为：1a)确定输电线路无应力状态下的长度s0；1b)建立有限元模型，根据给定的导线运行水平张力t，给所有单元施加对应的预应力；1c)施加重力荷载和风荷载，计算获得输电线找形结果。
[0080]
说明：确定输电线曲线形状也可以采用初形法。初形法在输电线路无应力状态下的长度s0的基础上，通过牛顿迭代法反求输电线路无应力状态下的悬链线方程，并施加自重荷载，得到输电线路最终的悬链线方程。初形法的缺点在于施加自重荷载以后，脉动风施加位置会比实际位置明显要高，在进行动荷载计算时，脉动风数值越大，计算误差就会越大，因此本发明采用终形法。
[0081]
步骤(2)中所述建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型的具体步骤为：
[0082]
2i)建立悬垂绝缘子串有限元模型，悬垂绝缘子串的每一个绝缘子都用一个桁架
单元(truss)模拟，由于绝缘子串主要在顺风方向上摆动，只需要考虑该方向上的摆动，为了实现快速实时的计算，优选二维桁架单元建模。桁架单元之间采用连接单元进行连接，连接单元属性为旋转叠加铰接。悬垂绝缘子串上端约束定义为固定铰支座。作为案例，悬垂绝缘子串建模结果如附图4所示。
[0083]
说明：绝缘子串可视作刚性直杆，因此使用truss杆单元模拟。truss单元是双节点单元，仅传递轴向力。由于绝缘子串主要在顺风方向上摆动，因此可以只考虑该方向上的摆动，选用平面truss单元。在truss单元之间，绝缘子互相通过钢脚球头和钢帽碗头形成球铰进行连接，在风偏变形时，绝缘子之间无相对线位移而只有相对角位移，相邻绝缘子的连接可视作视作铰支座。用实体单元研究时通常把铰支座简化为铰接。而实际计算时，因为钢脚与钢帽之间会有一定的摩擦作用，因此计算瓷绝缘子串风偏时需要考虑摩擦力的影响。同时，球铰的最大转动角度是有限的，转动能力到达限度以后就不能继续发生转动。因此需要使用多点约束或连接单元模拟这种连接关系，具体采用连接单元进行模拟，为快速计算目的，选用二维的连接单元。连接单元属性为铰接叠加旋转，其中铰接用于节点之间几何位置的连接；旋转用于模拟球铰间的摩擦，也可以限制转动的角度。
[0084]
2ii)选取与绝缘子相邻的耐张段，将悬垂绝缘子串最低点作为主节点，输电线路的连接点作为从节点，主从节点间采用多点约束铰接方式加以连接(mpc-pin)，绝缘子串被固定在电塔上，通过两个耐张段和输电线路互相作用，建立绝缘子串-输电线路体系模型。
[0085]
说明：由于高压线路实际上是由不同的耐张段所构成的，相邻两耐张段之间并不会产生相互影响，所以和悬垂绝缘子串不相邻的耐张段对风偏角影响很小。悬垂绝缘子串通过连接金具固定在耐张塔上，因此实际建模时，只需要考虑和绝缘子相邻的耐张段。
[0086]
2iii)采用多点约束铰接方式连接电塔与悬垂绝缘子串-输电线模型。附图5为电塔-绝缘子串-输电线体系的几何模型示意图，最终建立的体系数值模型如附图6所示。
[0087]
步骤(3)中稳定风速的取值为取空旷地面离地10米处的10分钟平均风速。设计风速和规定的标准高度、地貌、风作用的时距都有关系，本说明书取空旷地面离地10米处测量到的10分钟内的平均风速作为稳定风速。
[0088]
步骤(3)中计算稳定风速v作用下绝缘子串所受荷载pj的方法为
[0089][0090]
式中，v为平均风速，c为绝缘子串总受压面积。
[0091]
步骤(3)中计算稳定风速v作用下输电线路所受荷载pd的步骤为，首先计算电线所受的理论风压w0：
[0092][0093]
式中，ρ是空气的密度，取标准值为1.2255kg/m3。
[0094]
随后，考虑导线轴向角度、空气不均匀系数和风压不均匀系数等系数影响，计算电线受到的风荷载pd为：
[0095]
pd＝αkfw0sin2θ
[0096]
式中，α，k都是无量纲量，α是风速不均匀系数，k是空气动力系数，f取风荷载作用面积，即直径和线长的乘积，θ是作用方向和输电线路轴线方向的夹角。
[0097]
步骤(3)中采用多步静力分析法施加风荷载和自重方法为：对步骤(2)获得的电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型，设置两个静力分析步进行分析：3i)施加绝缘子串自重荷载、绝缘子串所受风荷载；3ii)施加导线自重荷载、导线所受风荷载。其中，悬垂绝缘子串本身受到的风荷载简化为作用于绝缘子的均布力，将悬垂绝缘子串的悬挂点和最末端的连线与竖向垂线的夹角定义为悬垂绝缘子串风偏角。
[0098]
技术说明：绝缘子串主要在顺风方向上摆动，可只考虑该方向上的摆动，此时悬垂绝缘子串的运动简化为平面问题。绝缘子串在风力荷载和重力的共同作用下会产生一个大位移，绝缘子本身发生的形变基本不影响最终的风偏结果，因此可忽略绝缘子本身的形变，此时风偏问题简化为平面内的耦合运动问题。
[0099]
步骤(3)中，进行大风作用下绝缘子风偏风险初步评估的方法为，将分析获得的风偏值带入到步骤(5)中进行风偏校核，若绝缘子串下端和电塔的距离大于最小安全电气间隙，则视为通过初步评估，继续进行步骤(4)的分析；若绝缘子串下端和电塔的距离不大于最小安全电气间隙，则不进行步骤(4)的分析，发出该输电线路的风偏闪络预警。
[0100]
作为案例，表格1给出了利用步骤(3)对某输电线路体系模型进行静力学数值分析的结果。
[0101]
表1某架空输电线路静力学数值分析风偏结果
[0102][0103]
利用步骤(3)得到的理论风偏角是63.19度，处于安全状态。故通过初步评估，继续进行步骤(4)的分析。
[0104]
所述步骤(4)中，模拟脉动风速v的步骤为：
[0105]
4a)采用davenport谱重构脉动风时间历程，davenport谱用下式表示：
[0106][0107]
式中，sv(f)为davenport谱的谱值，是空旷地面离地面10米高度处的10分钟平均风速，f为振动频率，k由表面的粗糙程度决定；
[0108]
4b)依据davenport谱得到功率谱矩阵，对功率谱矩阵进行丘拉斯基分解得到风速时程数值解，并将风速时程数值解进行傅里叶变换，模拟得到脉动风速与时间的关系。作为案例，附图7给得到脉动风功率谱曲线以及所获得的脉动风模拟曲线；
[0109]
4c)计算脉动风作用下悬垂绝缘子串所受风荷载pj为：
[0110][0111]
电线所受风荷载pd为：
[0112][0113]
技术说明：除了稳定风和脉动风，横向风也会对绝缘子串的振动产生较小影响，但在绝缘子串的风偏运动中一般只考虑顺风方向上的摆动而忽略横向风的影响。
[0114]
所述步骤(4)中，自动生成荷载文件并导入有限分析程序的方法为：编写自动导入程序，依据脉动风荷载模拟曲线，提取风荷载数据并生成相应时间-风荷载文件，自动导入到对应的abaqus模型文件中，实现数据的快速导入。
[0115]
步骤(5)所述提供风偏灾害预警的步骤为：
[0116]
5a)计算最小电气间隙，并对比最大风偏距离。最小电气间隙计算方法为：在风偏状态下校验导线对地距离或绝缘子对电塔距离是否满足规程，根据绝缘子在各种情况的风偏角进行电气安全距离检查。当绝缘子串下端和电塔的距离小于最小安全电气间隙时，就会导致击穿放电事故。表2给出了现行国标gb 50233-2014规定的最小电气间隙：
[0117]
表2最小电气间隙设计规范
[0118][0119]
5b)对步骤(3)中的风偏值进行初步评估，若绝缘子串下端和电塔的距离大于最小安全电气间隙，则视为通过初步评估，继续进行步骤5c)的分析；反之则不进行步骤5c)的分析，发出该输电线路的风偏闪络预警；
[0120]
5c)分析步骤(4)中脉动风作用下绝缘子风偏的动态时程，若不超过最小安全电气间隙则通过风偏安全性评估；若超出最小安全电气间隙则输出预警信号并划分风偏闪络预警等级，实现快速分析、及时预警。
[0121]
作为实施例，附图8给出了对某输电线路体系模型进行动力学数值分析的风偏结果。表格2给出了采用不同方法计算某架空输电线路绝缘子风偏得到的最大风偏角。可以看出，采用步骤(3)进行静力学分析时，能通过初步评估，但采用步骤(4)分析时不能通过安全性评估，需发出该输电线路的风偏闪络预警。
[0122]
表3某架空输电线路绝缘子最大风偏角
[0123]

技术特征：
1.一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)划分待研究电塔，遍历所有划分段落，分析应力响应；(2)建立电塔多层次等效模型，确定输电线曲线形状，最终建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型；(3)只考虑大风的稳定风成分，计算稳定风速作用下绝缘子串所受风荷载和输电线路所受风荷载，采用多步静力分析法施加风荷载和自重，获得稳定风作用下绝缘子串风偏，进行大风作用下绝缘子串风偏风险的初步评估；(4)考虑大风的脉动风成分，模拟脉动风速v并确定脉动风荷载，自动生成荷载文件并导入有限分析程序，分析获得脉动风作用下绝缘子串风偏的动态时程；(5)进行风偏安全性评估，提供风偏灾害预警，具体是：将步骤(3)分析获得的风偏值带入到步骤(5)中进行风偏校核，若绝缘子串下端和电塔的距离大于最小安全电气间隙，则视为通过初步评估，继续进行步骤(4)的分析；若绝缘子串下端和电塔的距离不大于最小安全电气间隙，则不进行步骤(4)的分析，发出该输电线路的风偏闪络预警。2.根据权利要求1所述一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于：步骤(1)中所述划分待研究电塔，遍历所有划分段落，分析应力响应的具体步骤为：1a)将电塔塔身区域划分为多个段落，使得每个段落中材料属性相同，便于等效为梁单元进行后续计算；1b)依据不同划分区域，遍历所有划分段落，分析应力响应，依次计算每个划分段落的材料参数，对编号为i的截取段落施加弯矩m，在该截取段落的自由端截面创建一个参考点rpi，在参考点rpi和自由端截面之间建立耦合关系，通过载荷模块load中的moment模块施加相应弯矩，提取该段落自由端截面在弯矩m下的相对挠度w
i
,代入下式求得该区域抗弯刚度e
i
i
i
，式中，l
i
为该区域构件初始高度；对截取段落构件施加扭矩t，同弯矩施加方式，在要旋转的面上建立参考点，并将参考点和面进行耦合，用moment模块施加对应扭矩，提取该截面在扭矩t下的单位扭转角度代入下式求得该截取段落扭转截面系数w
ti
，对于矩形梁截面，惯性矩i
x
，i
y
分别为：分别为：式中，b，h分别为梁截面长度和高度；
1c)对截取段落构件施加轴向拉应力f
n
，提取构件在轴向应力下的变形，根据胡克定律得到该段落抗拉刚度e
i
a
i
，胡克定律表达式为：式中，e
i
为弹性模量；a
i
为截面面积，δl
i
为截取段落在轴向应力下高度变形值。3.根据权利要求2所述一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于：步骤(2)中所述建立电塔多层次等效模型的方法为采用梁单元建立电塔等效简化模型，依据步骤1b)和1c)的计算结果，通过property模块在不同区域设置不同的截面参数，得到和原模型力学性能相一致的简化模型。4.根据权利要求1所述一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于：步骤(2)中所述建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型的具体步骤为：2i)建立悬垂绝缘子串有限元模型，悬垂绝缘子串的每一个绝缘子都用一个桁架单元模拟，由于绝缘子串主要在顺风方向上摆动，只需要考虑该方向上的摆动，为了实现快速实时的计算，选择二维桁架单元建模，桁架单元之间采用连接单元进行连接，连接单元属性为旋转叠加铰接，悬垂绝缘子串上端约束定义为固定铰支座；2ii)选取与绝缘子相邻的耐张段，将悬垂绝缘子串最低点作为主节点，输电线路的连接点作为从节点，主、从节点间采用多点约束铰接方式加以连接，绝缘子串被固定在电塔上，通过两个耐张段和输电线路互相作用，建立绝缘子串-输电线路体系模型；2iii)采用多点约束铰接方式连接电塔与悬垂绝缘子串-输电线模型。5.根据权利要求1所述一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于：步骤(3)中采用多步静力分析法施加风荷载和自重方法为：对步骤(2)获得的电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型，设置两个静力分析步进行分析：3i)施加绝缘子串自重荷载、绝缘子串所受风荷载；3ii)施加导线自重荷载、导线所受风荷载，其中，悬垂绝缘子串本身受到的风荷载简化为作用于绝缘子的均布力，将悬垂绝缘子串的悬挂点和最末端的连线与竖向垂线的夹角定义为悬垂绝缘子串风偏角。6.根据权利要求1所述一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于：所述步骤(4)中，自动生成荷载文件并导入有限分析程序的方法为：编写自动导入程序，依据脉动风荷载模拟曲线，提取风荷载数据并生成相应时间-风荷载文件，自动导入到对应的abaqus模型文件中，实现数据的快速导入。7.根据权利要求1所述一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，其特征在于：步骤(5)所述提供风偏灾害预警的步骤为：5a)计算最小电气间隙，并对比最大风偏距离；5b)对步骤(3)中的风偏值进行初步评估，若绝缘子串下端和电塔的距离大于最小安全电气间隙，则视为通过初步评估，继续进行步骤5c)的分析；反之则不进行步骤5c)的分析，发出该输电线路的风偏闪络预警；5c)分析步骤(4)中脉动风作用下绝缘子风偏的动态时程，若不超过最小安全电气间隙则通过风偏安全性评估；
若超出最小安全电气间隙则输出预警信号并划分风偏闪络预警等级，实现快速分析、及时预警。

技术总结
本发明公开了一种基于塔-线-绝缘子体系等效模型的输电线路风偏快速分析方法，包括：(1)确定输电线曲线形状，建立悬垂绝缘子串-输电线连接模型；(2)建立电塔-绝缘子串-输电线体系的数值模型；(3)获得稳定风作用下绝缘子串风偏，进行大风作用下绝缘子风偏风险的初步评估；(4)考虑大风的脉动风成分，模拟脉动风速V并确定脉动风荷载，自动生成荷载文件并导入有限分析程序，分析获得脉动风作用下绝缘子风偏的动态时程；(5)进行风偏安全性评估，提供风偏灾害预警。本发明大幅提高了风偏计算效率，科学高效地解决短时大风或强对流天气下的输电线路风偏评估和预演问题。电线路风偏评估和预演问题。


技术研发人员：吴佰建 余陈 汤轶群 张迺龙 陈杰 郭力
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/15