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,導線的拉應力增大,就會加劇導線振動,甚至可能發(fā)生斷線、桿塔倒塌等故障:若導線弧垂長度高于上限,導線的拉應力減小,就易受風等自然因素的影響,埋下誘發(fā)事故的潛在風險。

在電力系統(tǒng)輸電線路等值模型領域,已具備較完善的大跨距輸電線路導線下料長度經(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果下的高跨線弧垂,避免金具不匹配、增長量計算結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果進行判斷,基于仿真模擬環(huán)境對金具裝配結果進行正確展示,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)。

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

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,同時完成相關計算,明確給出安裝金具的適應性分析及改進建議,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

本文假設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。其中導線單位長度載荷為w0,線長10,導線整體載荷為w1=w010。導線兩端的耐張絕緣子載荷分別為G1、G2。導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前,需做以下假設[2]:

(1）構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

基于以上假設(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。

取導線AC段,由其力矩平衡方程得:

整理得:

式中:xOx為C點左側全部載荷對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為導線單位長度載荷(若導線為多分裂型式,o按多分裂總體代入計算）(N/m）:A為檔內(nèi)導線一側的絕緣子串長度(m）。

式(11）中,1計算式中包含導線水平張力值,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:

導出:

3軟件設計

3.1模塊設計

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仿真驗證技術應用案例

4.1現(xiàn)場應用

將本文設計的仿真軟件在某高壓變電站進行了試點應用,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。

計算結果和三維仿真結果如圖6所示。

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

圖6計算結果和三維仿真結果

4.2工程應用

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

在高跨線安裝仿真驗證技術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進線側為例,進行增長量及開線長度計算,各關鍵參數(shù)如圖10所示。

計算結果如圖11所示。

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

5結語

本文提出了一種基于虛擬仿真技術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果下的高跨線弧垂,避免了金具不匹配、增長量計算結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。