變電站高跨線安裝仿真驗證系統(tǒng)開發(fā)研究

劉笠 畢濤 楊春雷 韋旻生 阮鵬

摘要：為了避免金具不匹配、增長量計算結(jié)果不正確等造成的高跨線安裝無法實施的問題，提高安裝效率，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)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，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)工程實際應(yīng)用驗證，利用該仿真系統(tǒng)計算弧垂長度，所得計算結(jié)果與現(xiàn)場實際弧垂長度誤差較小，完全符合實際工程應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：變電站;高跨線;軟母線;弧垂;虛擬仿真

中圖分類號：TM751;TP391.9? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）03-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.03.001

0? ? 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[1]。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(yīng)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(yīng)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(lǐng)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[2]，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)[3-4]。

為保證模型的準確性，使用基于圖紙的精細化建模方式，結(jié)合3D Max、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。

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[2]。

本文采用孤立檔軟母線非均布載荷模型[5-6]，其受力分析如圖2所示。其中導線單位長度載荷為w0，線長L0，導線整體載荷為W1=w0L0。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TA、TB，將其分解為垂直張力TAY、TBY和水平張力T0。

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(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

基于以上假設(shè)（1），可得：

根據(jù)式（1）可知：

式中：∑MA、∑MB分別為懸掛在A、B點的檔內(nèi)全部載荷的力矩;QA、QB分別為在A、B懸掛點引起的相當于簡支梁的支點剪力;l、h、β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：

式中：∑Mx為C點左側(cè)全部載荷對C點的彎矩;Mx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：

式中：L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);ω0為絕緣子串單位長度載荷（若絕緣子串為雙聯(lián)型式，ω0按多聯(lián)串總體代入計算）（N/m）;ω為導線單位長度載荷（若導線為多分裂型式，ω按多分裂總體代入計算）（N/m）;λ為檔內(nèi)導線一側(cè)的絕緣子串長度（m）。

式（11）中，L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：

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[2]。

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0.01 m內(nèi)，完全符合實際工程應(yīng)用要求。

4.2? ? 工程應(yīng)用

在江蘇鹽城豐海500 kV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)，16 t懸瓷與圖7中④WS-16型碗頭掛板、⑤BN2-1640型聯(lián)板組合后，因16 t懸瓷內(nèi)深大，達到4.5 cm，而WS-16型碗頭掛板長度不足，只有9.5 cm，聯(lián)板螺絲中心孔至邊緣距離為5 cm，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220 kV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0.01 m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。

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收稿日期：2021-11-10

作者簡介：劉笠（1990—），男，江蘇南京人，碩士研究生，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。