高压输电线路覆冰灾害仿真研究——基于ANSYS的舞动有限元分析

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自高压、超高压远距离输电技术出现以来,输电线路尤其是高压线路覆冰雪一直是影响电力设施正常运行的国际性灾害。输电线路覆冰是一个十分复杂的问题,截止今天,人们对输电线路覆冰机理的认识仍然不能达成完全共识,对一些覆冰问题仍然不能很好的解释。输电线路覆冰舞动是破坏供电设施正常运行的重要因素。舞动是一个极其复杂的输电线路覆冰问题,全球范围内的诸多学者和科研人员都对此进行了大量的研究,但是对输电线路导线覆冰舞动的认识尚不是十分清楚。   舞动的仿真,就是利用物理和数值手段研究覆冰导线舞动在一定条件下孕育、发生和发展的机理与规律的一种方法。目前,输电线路导线舞动模拟分为实验模拟与计算机模拟两类。实验模拟研究一般是在某种近似条件下进行的,但是由于舞动过程的复杂性,严格的相似准则往往很难建立,实验模拟方案所包含的近似必然会导致研究结果与实际的偏离。因此,进行舞动的相似实验模拟必然具有一定的难度,如实验比例问题、外加载荷、环境变化等。数值模拟研究的手段就是将输电导线舞动过程中的确定性规律抽象成控制舞动过程的数学模型,通过对控制方程的求解来模拟再现这种规律。数值模拟研究的意义在于,通过简化和近似,逐个研究影响舞动的各个分过程和各主要因素的作用,逐步揭示舞动的机理和规律。本文将要探讨的就是输电线路导线覆冰舞动的数值模拟方法。   本文采用计算机数值模拟技术,可以方便快捷的模拟分析输电线路导线舞动过程中振幅、振型等的变化,对舞动过程进行直观分析,在一定层次和某些属性上实现真实舞动过程的模拟与再现。   本文首先对输电导线覆冰机理进行了分析。描述了输电线路覆冰的特点、覆冰形态、覆冰的形成过程以及覆冰灾害的类型。输电线路覆冰雪与一般构筑物覆冰雪有很大不同,主要表现在对电力设施正常运行的影响上,输电线路覆冰雪不仅影响线路本身的安全运行,而且影响到电力传输的效率,严重时会引起电力系统瘫痪。常见的覆冰雪主要有雨凇、雾凇以及混合凇三种形态,根据气候条件主要包括环境温度、大气湿度以及风速、风向等的不同,在不同的地区会以雨凇、雾凇等形态出现。其中以雨凇较为密室,密度大,常常是造成输电线路故障的主要覆冰形态。在我国东北部地区、西部地区以及华中地区,每到冬季,因为降温幅度大,大气温度较低,受西伯利亚高气压的影响,会出现不同程度的雨雪天气,当遇上合适的条件时便会形成降雪,从而在风等条件的影响下在导线背风侧形成不同形态的覆冰。当输电线路覆冰时,输电系统的安全隐患大大增加,常见的覆冰雪造成的输电线路灾害主要有绝缘子串冰闪、杆塔折断、输电导线舞动等。本文在综合分析的基础上,重点探讨输电线路导线覆冰舞动,通过建立动力学方程并求解,分别对不同影响因素的影响下导线舞动振型和振幅进行分析。   根据对前人所研究内容的总结和归纳,尝试通过对输电导线静平衡状态进行分析和动力学分析。静平衡分析主要为输电线路导线的静态响应分析。本文运行有限元分析方法,将输电线路导线视作空间梁单元,将问题转化为空间梁单元分析。输电线路导线舞动静平衡是一个大位移小应变的几何非线性问题,通过建立几何非线性静力学分析方程对输电线路导线的静平衡状态进行研究分析;静平衡分析是舞动动力学分析的前提和基础,在静平衡分析的基础上,建立输电导线舞动的动力学方程,通过对外载荷的分析和计算导线张力,采用有限单元法对输电线路在空气动力下的响应进行计算。动力学方程的求解,采用纽马克算法,并对该算法的稳定性进行分析,给出了纽马克算法的稳定条件,通过编制纽马克算法计算机程序对动力学方程进行求解,最后推导出更新的Lagrange格式。   在理论分析和深入研究的基础上,通过实例对本文所研究内容进行论证分析,并运用有限元分析软件对文章所研究内容进行数值模拟分析。本文参考相关资料,建立输电导线舞动模型,利用通用有限元分析软件ANSYS对输电线路导线舞动的振型、输电线路导线中点运行轨迹、振幅等进行了数值模拟,通过对比观测数据,计算结果基本吻合实测数据。   文章最后,结合模拟的结果,对全文进行了总结,对需要进行进一步研究和改进的部分进行了展望。
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