引言

與硬母線相比,軟母線具有成本低、便于維護的特點,在現(xiàn)有的變電站中被廣泛采用。在安裝變電站高跨線過程中,軟母線的弧垂長度直接受其下料長度影響,若弧垂長度低于下限,導(dǎo)線的拉應(yīng)力增大,就會加劇導(dǎo)線振動,甚至可能發(fā)生斷線、桿塔倒塌等故障:若導(dǎo)線弧垂長度高于上限,導(dǎo)線的拉應(yīng)力減小,就易受風(fēng)等自然因素的影響,埋下誘發(fā)事故的潛在風(fēng)險。

在電力系統(tǒng)輸電線路等值模型領(lǐng)域,已具備較完善的大跨距輸電線路導(dǎo)線下料長度經(jīng)典計算模型,如表1所示。

但采用上述模型,每次現(xiàn)場安裝前都需要計算修正。為實現(xiàn)對變電站軟母線下料長度的精確計算,降低投資成本,提高安裝效率,本文提出了一種基于虛擬仿真計算的變電站高跨線安裝驗證系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于3D模擬,在站內(nèi)高跨線安裝施工前,通過等比例仿真金具組裝來驗證掛線過程,在模擬過程中測算增長量計算結(jié)果下的高跨線弧垂,避免金具不匹配、增長量計算結(jié)果不正確造成無法進行高跨線安裝的問題,同時在物理引擎的支持下,可實現(xiàn)開線長度弧垂計算的模擬。

1基于3D虛擬仿真的金具拼接及匹配

為解決金具在三維環(huán)境中的匹配問題,使用計算機算法對不同種類、不同尺寸的金具裝配結(jié)果進行判斷,基于仿真模擬環(huán)境對金具裝配結(jié)果進行正確展示,提供一套智能化金具拼接、匹配、判斷及信息提示的完整呈現(xiàn)。

為保證模型的準(zhǔn)確性,使用基于圖紙的精細化建模方式,結(jié)合3DMax、MAYA等專業(yè)建模軟件,融合了點云等技術(shù),通過掃描、照片、圖紙等多種高精細建模方式,完成相關(guān)模型屬性自定義創(chuàng)建,確保金具及線路連接的精準(zhǔn)性。

系統(tǒng)包含9種金具,每種提供4個不同尺寸型號,總計36個,并將其加入金具庫,在選擇金具后可以進行自由組裝和拼接,同時完成相關(guān)計算,明確給出安裝金具的適應(yīng)性分析及改進建議,示例如圖1所示。

圖1金具組裝計算

2軟母線長度及弧垂計算方法

2.1模型假設(shè)

本文假設(shè)為孤立耐張塔間軟母線受力情況。變電站中,絕緣子串較長較重,因此在軟母線下料長度計算過程中,需考慮絕緣子串的長度和重量,同時絕緣子串與軟母線連接點為"T"型連接線,對構(gòu)架間軟母線形成集中載荷影響。

本文采用孤立檔軟母線非均布載荷模型,其受力分析如圖2所示。其中導(dǎo)線單位長度載荷為w0,線長10,導(dǎo)線整體載荷為w1=w010。導(dǎo)線兩端的耐張絕緣子載荷分別為G1、G2。導(dǎo)線兩端懸掛點有反力7A、7B,將其分解為垂直張力7AY、7BY和水平張力70。

圖2軟母線受力分析圖

在進行變電站高跨間軟母線下料長度計算公式推導(dǎo)前,需做以下假設(shè)[2]:

(1）構(gòu)架間軟母線及絕緣子串為理想柔索模型,其在穩(wěn)定狀態(tài)下各點的彎矩為0。

(2）軟母線及絕緣子串在張力作用下不考慮徑向彈性變形。

(3）軟母線弧垂變化不影響載荷。

(4）絕緣子串懸掛后長度不變。

2.2計算公式推導(dǎo)

基于以上假設(shè)(1）,可得:

根據(jù)式(1）可知:

式中:xOA、xOB分別為懸掛在A、B點的檔內(nèi)全部載荷的力矩:(A、(B分別為在A、B懸掛點引起的相當(dāng)于簡支梁的支點剪力:1、h、8分別為軟母線的檔距、懸掛點高差和高差角。

取導(dǎo)線AC段,由其力矩平衡方程得:

整理得:

式中:xOx為C點左側(cè)全部載荷對C點的彎矩:Ox為AC段是簡支梁時,在C點斷面上的彎矩。

在AB檔間,導(dǎo)線(含前后絕緣子串）線長為:

將式(8）中各項展開成(x/70的冪級數(shù),舍去(x/70）3及其以上的高階分量,可得:

式中:1為孤立檔內(nèi)的絕緣子串、軟母線總長度(m）:k1為連上絕緣子串后的軟母線增長系數(shù):o0為絕緣子串單位長度載荷(若絕緣子串為雙聯(lián)型式,o0按多聯(lián)串總體代入計算）(N/m）:o為導(dǎo)線單位長度載荷(若導(dǎo)線為多分裂型式,o按多分裂總體代入計算）(N/m）:A為檔內(nèi)導(dǎo)線一側(cè)的絕緣子串長度(m）。

式(11）中,1計算式中包含導(dǎo)線水平張力值,一般通過軟母線的弧垂長度大小反映該張力值。

孤立檔內(nèi)軟母線最大弧垂長度:

導(dǎo)出:

3軟件設(shè)計

3.1模塊設(shè)計

為使該仿真軟件便于操作,只將主界面分為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)模塊。其中輸入?yún)?shù)分為以下3類,具體如表2所示。

表2軟件輸入?yún)?shù)

將實際獲得的參數(shù)輸入該計算軟件,若輸入?yún)?shù)有誤,自動顯示"輸入錯誤",將無法進行后續(xù)計算。

3.2程序設(shè)計

在該軟件模塊的左界面進行參數(shù)輸入,自上而下分別是各輸入?yún)?shù);右界面顯示輸出參數(shù)。每一個輸入?yún)?shù)旁都有參數(shù)標(biāo)識,以降低輸入錯誤率。其控制面板程序流程圖如圖3所示。

最終完成的軟件界面如圖4所示。

4仿真驗證技術(shù)應(yīng)用案例

4.1現(xiàn)場應(yīng)用

將本文設(shè)計的仿真軟件在某高壓變電站進行了試點應(yīng)用,以主變高跨間軟母線下料長度計算為例,各輸入計算參數(shù)如圖5所示。

計算結(jié)果和三維仿真結(jié)果如圖6所示。

經(jīng)過現(xiàn)場安裝,驗證所得計算結(jié)果與實際長度誤差在0.01m內(nèi),完全符合實際工程應(yīng)用要求。

圖6計算結(jié)果和三維仿真結(jié)果

4.2工程應(yīng)用

在江蘇鹽城豐海500kV輸變電工程變電站新建工程中應(yīng)用高跨線安裝仿真驗證技術(shù)。在金具安裝階段利用金具組裝仿真模塊按照設(shè)計圖紙導(dǎo)入金具模型,進行金具裝配結(jié)果驗證,判斷設(shè)計圖紙中金具搭配的正確性。

在高跨線安裝仿真驗證技術(shù)的金具碰撞試驗中發(fā)現(xiàn),16t懸瓷與圖7中④ws一16型碗頭掛板、⑤BN2一1640型聯(lián)板組合后,因16t懸瓷內(nèi)深大,達到4.5cm,而ws一16型碗頭掛板長度不足,只有9.5cm,聯(lián)板螺絲中心孔至邊緣距離為5cm,造成懸瓷與聯(lián)板接觸,絕緣子串實際無法按圖組裝,如圖8所示。

通過高跨線安裝仿真驗證技術(shù)的金具碰撞試驗發(fā)現(xiàn)金具組裝不匹配的問題后,現(xiàn)場施工人員采用了在碗頭掛板與聯(lián)板之間增加U型掛環(huán)的方法解決了這一問題,如圖9所示。

完成金具組裝后,利用高跨線放線仿真模塊進行增長量及開線長度計算和仿真,現(xiàn)場測量參數(shù)如表3所示。

以#3主變220kV進線側(cè)為例,進行增長量及開線長度計算,各關(guān)鍵參數(shù)如圖10所示。

計算結(jié)果如圖11所示。

經(jīng)現(xiàn)場實際應(yīng)用,驗證所得計算結(jié)果與現(xiàn)場實際弧垂長度誤差在0.01m內(nèi),完全符合實際工程應(yīng)用要求。

5結(jié)語

本文提出了一種基于虛擬仿真技術(shù)的變電站高跨線安裝仿真驗證系統(tǒng),該系統(tǒng)通過3D模擬,在站內(nèi)高跨線安裝施工前,通過等比例仿真金具組裝來驗證掛線過程,在模擬過程中測算增長量計算結(jié)果下的高跨線弧垂,避免了金具不匹配、增長量計算結(jié)果不正確造成的無法進行高跨線安裝的問題,同時在物理引擎的支持下,可實現(xiàn)開線長度弧垂計算的模擬。經(jīng)現(xiàn)場和實際工程項目驗證,該模擬仿真軟件計算得到的軟母線弧垂長度與現(xiàn)場實際弧垂長度誤差較小,能夠大大提高現(xiàn)場安裝的成功率,降低施工成本,從而有效完成現(xiàn)場變電站高跨線軟母線的安裝。