[发明专利]架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于架空输电线路抗冰能力评估技术领域，具体涉及架空输电线路的塔-线耦合体系有限元模型的建模方法。

背景技术

电力系统的架空输电线路长期暴露在自然界中，容易受覆冰等自然灾害的影响。我国架空输电线路的覆冰灾害较为严重，大面积覆冰灾害事故时有发生，给国民经济及人民生活造成了巨大的灾难和损失。随着我国经济建设的飞速发展和人民生活水平的提高，防止架空输电线路覆冰灾害的发生，保障电力系统的安全稳定运行已经是亟待解决的问题。架空输电线路塔-线耦合体系的抗冰能力评估，能有效指导覆冰在线监测设备的安装和线路抗冰改造工作，从而提高电力系统架空输电线路抵御覆冰灾害天气的能力，确保电力系统的安全稳定运行。建立架空输电塔-线耦合体系有限元模型是架空输电线路塔-线耦合体系抗冰能力评估的基础，因此研究架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法具有极其重要的意义。

现有架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，如2011年11月23日公布的公布号为CN102254061A的“输电塔线塔耦合体系的有限元建模及受力方法”专利，公开的建模方法是：利用计算机，通过程序，先通过对输电塔整体结构件的三维CAD模型主动简化并提取框体特征结构，后利用BEAM188梁单元建立特征结构的ANSYS有限元模型库，再按照输电塔结构的实际形状，通过变换工作平面，由单面向多面逐渐过渡，动态的由单面结构逐渐“拼接”形成多面结构，同时通过解析与数值的综合方法对到导线进行参数化建模，并与输电塔模型进行组合，最后确定输电塔线塔耦合体系有限元模型。该建模方法的主要缺点是：①建立杆塔有限元模型时，需要建立三维CAD模型并导入到ANSYS中，人工简化提取框体特征结构并需变换工作平面，导致建模的速度较慢并且耗时较长；②未考虑绝缘子串对架空输电塔-线耦合体系的影响，并且建立的是简化的杆塔模型，并非实际截面形状，因此建模的准确度较低；③建立的导、地线有限元模型未经初始形态找形分析，导致建立的塔线塔有限元模型与实际模型有差异，模型的可靠度和精确度较低，从而导致用此模型进行受力分析进行抗冰能力评估得到结果不准确；④建立杆塔模型时，需要人工进行简化提取框体特征结构，需要有CAD与ANSYS软件的接口；用BEAM188梁单元建立了特征结构的有限元模型库，每建立一个框体结构都需要调用相应特征结构的模型库；同时还要变换工作平面，单面向多面逐渐过渡，动态的由单面结构逐渐“拼接”形成多面结构，导致该建模方法比较复杂，技术难度大，可操作性较低，适用性差，不适合用此法建立的模型来进行大面积多条架空输电线路的抗冰能力评估。

发明内容

本发明针的目的是针对现有架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法的不足，提供一种架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法，具有方法简单、可操作性强；建模工作量少、效率高；模型准确真实靠性、精确度高，适用性强等优点。能为架空输电塔-线耦合体系抗冰能力的评估，特别是针对大面积多条架空输电塔-线耦合体系抗冰能力的评估，提供准确而可靠的模型基础。

本发明的基本原理：

①“杆塔定位模块”的基本原理

当在迪科尔坐标系中，该模型的第一基杆塔的塔身顶部中心点为坐标原点时（本发明杆塔有限元模型建立时也是以该点为坐标原点，为了简化，本发明的杆塔坐标均指该点坐标），坐标为（x_i,y_i,z_i）=(0,0,0)，其中：x轴为杆塔横担方向、y轴为杆塔高度方向、z轴为线路延伸方向。并以该坐标原点作为全局坐标系来定位后面所有杆塔的位置。又设第i基杆塔相对于第i-1基杆塔的档距、高差和转角分别为l_i、h_i和θ_i。第i基杆塔的坐标为（x_i,y_i,z_i）则：

第i基杆塔的x轴坐标x_i为：