基于MATLAB/ANSYS的架空輸電線脫冰仿真實驗系統

王璋奇，趙星馳

基于MATLAB/ANSYS的架空輸電線脫冰仿真實驗系統

王璋奇，趙星馳

（華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003）

基于MATLAB和ANSYS軟件設計了架空輸電線脫冰仿真實驗系統。利用MATLAB構建了仿真系統的交互界面，依托ANSYS的有限元處理能力，通過APDL進行二次開發，使其能夠自動地進行脫冰仿真計算。以輸電線整檔和部分脫冰工況為例，給出了系統的仿真實驗結果。該系統的使用有益于加深學生對架空輸電線脫冰教學內容的理解，增強學生對脫冰趨勢規律的認識。

架空輸電線；脫冰；仿真實驗；ANSYS；MATLAB

架空輸電線脫冰是指覆有冰雪的導/地線由于自然或其他原因發生整檔同時脫冰，或在檔中的不同位置先后脫冰，或者以其他方式脫冰的情況。架空線路覆冰問題在我國廣泛存在，線路覆冰脫落會引起線路大幅度跳躍和輸電塔的沖擊振動，嚴重影響電網的穩定安全運行[1-3]。我校自2008年開辦輸電線路工程專業以來，架空線路覆冰脫落所致的輸電線跳躍及動態張力一直是架空線路及桿塔結構教學的重要內容[4-5]。

雖然已有學者在相關的實驗研究方面設計了多種實驗系統[6-8]，但這些實驗系統所使用的裝置復雜、設備昂貴，在課程教學中常常因設備不足等問題而導致實驗無法順利開展。近年來，對架空線覆冰脫落問題的仿真研究[9-12]注重于科學理論研究，所使用的軟件或方法比較復雜，需要較好的理論基礎，因而也無法直接用于課程的實驗教學中。

本文以服務課程教學為目的，基于MATLAB和ANSYS設計開發了一套架空線路脫冰動張力及檔中跳躍位移的仿真實驗系統。該系統不僅可以對整檔及部分脫冰工況進行模擬，還可以對同期和順序脫冰工況進行仿真，極大地降低了學生對于ANSYS等軟件使用所需的基礎要求，這對增強學生對架空線脫冰教學內容的理解與脫冰規律的認識、提升學生的學習興趣和科研創新意識具有一定的促進作用。

1 仿真實驗系統的設計

架空線路脫冰的工況較多，脫冰所致的線路跳躍及動張力情況復雜，在設計架空線路脫冰仿真實驗系統時，需要在達到傳統實驗教學目的的同時，盡可能方便用戶的操作。因此，在進行仿真系統設計中，充分發揮MATLAB在創建GUI和ANSYS在有限元計算中的優勢，為架空線路等課程的實驗教學提供交互式的用戶界面。

架空線路脫冰仿真實驗系統主要由脫冰仿真GUI界面和脫冰仿真ANSYS計算兩部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 架空線脫冰跳躍及動張力仿真系統結構

脫冰仿真GUI界面基于MATLAB的GUIDE環境開發，主要包括仿真系統參數設置和仿真結果顯示。通過GUI界面的操作進行架空輸電線參數和脫冰工況的設定，并生成可供ANSYS調用的APDL命令流，在ANSYS完成計算后讀取并顯示脫冰工況下的動張力和檔中跳躍位移的仿真結果。

脫冰仿真ANSYS計算是依托其強大的有限元處理能力，保證仿真系統的可靠性和運算效率。仿真計算利用APDL對ANSYS進行二次開發，使得ANSYS軟件能夠自動完成所選工況的脫冰仿真計算，極大地降低了ANSYS軟件的使用難度。

2 基于MATLAB的仿真系統界面

2.1 仿真系統參數設置界面

仿真系統參數設置界面由架空線參數輸入區、脫冰方式選擇區、脫冰方式示意區和指令按鈕區等4部分組成。

（1）架空線參數輸入區主要是用于輸入線路脫冰仿真所必需的條件參數，包括架空線的幾何參數、物理參數和覆冰參數。當輸入不同的條件參數時，系統即可實現不同架空線的脫冰仿真。

（2）脫冰方式選擇區提供“整檔同期脫冰”“整檔順序脫冰”“左部脫冰”“中部脫冰”和“右部脫冰”等5種脫冰方式供用戶選擇。

（3）脫冰方式示意區對5種脫冰方式的仿真進行圖示說明。當脫冰方式選定后，顯示區內給出相應的示意圖片，如圖2所示。顯示內容與所選脫冰方式的對應是通過m文件中的switch…case…函數實現的，顯示內容則通過imread和imshow函數實現。

圖2 不同脫冰方式對應的示意圖

（4）指令按鈕區包含3個按鈕，分別是“生成命令流”“查看命令流”和“打開結果顯示面板”。當仿真系統所需的條件參數輸入完畢且脫冰方式選定后，點擊“生成命令流”按鈕，系統即會在根目錄下生成APDL命令流文件“Iceshedding.txt”；點擊“查看命令流”按鈕，仿真系統即會在記事本軟件中打開命令流文件“Iceshedding.txt”。上述生成和打開命令流功能通過以下程序實現：

生成命令流文件“Iceshedding.txt”：

fid=fopen('Iceshedding.txt','w');

fprintf(fid,'FINISH ');

fprintf(fid,'/CLEAR ');

……

fclose(fid);

打開命令流文件“Iceshedding.txt”：

dos('Iceshedding.txt');

2.2 仿真系統結果顯示界面

當ANSYS仿真計算完成后，可進入架空線路脫冰仿真實驗系統的結果顯示界面，其中包括圖像操作區、數據操作區和結果曲線繪制區，如圖3所示。

（1）圖像操作區。用戶通過點選“導線張力”和“檔距中點位移”前的復選框，可以選擇繪制的結果曲線類型，通過點擊“繪制”“保存”和“清除”按鈕，可以對結果圖像進行相應的繪圖、保存和清除操作。

圖3 架空線路脫冰仿真實驗系統結果顯示界面

（2）數據操作區。用戶通過點擊“讀取數據”按鈕，導入ANSYS計算得到的結果數據并存入仿真系統的Workspace中。這一功能主要通過以下程序實現：

filenamel='D: Simulationxxx.lis';

delimiterl=' ';

formatSpecl='%f%f%[^ ]';

fileIDl=fopen(filenamel,'r');

dataArrayl=textscan(fileIDl,formatSpecl,'Delimiter',delimiterl,'MultipleDelimsAsOne',true,'ReturnOnError',false);

fclose(fileIDl);

dzl=[dataArrayl{1:end-1}];

clearvars –except xxx;

3 基于ANSYS的脫冰仿真計算

本文利用APDL對ANSYS軟件進行二次開發，使得其能夠自動完成脫冰仿真計算，避免復雜的界面操作。在ANSYS中，架空線路脫冰仿真流程如圖4所示。

圖4 架空線路脫冰仿真流程

3.1 架空線的有限元模型

架空線脫冰仿真實驗的主要目的是便于學生認識理解架空線脫冰過程中線路動張力和跳躍位移變化的趨勢與規律，因此，系統僅以架空線為研究模型而不對輸電塔進行建模[13]。架空線是典型的柔性索鏈結構，其自身僅承受拉力而不承受壓力和彎矩。

在ANSYS中，利用桿單元(LINK10)對架空線進行建模。LINK10單元僅能承受拉力作用，當單元受壓時，單元的剛度便會消失，且該單元具有大變形功能[14]。對架空線進行動力學分析計算前需要確定架空線僅在自身重力作用下的初始平衡形態，即需要對架空線進行找形。仿真系統所采用的找形方法為直接迭代法，其迭代求解的計算流程圖如圖5所示。

在ANSYS軟件中，利用LINK10單元建模并完成找形后的架空線路有限元模型如圖6所示。

圖5 直接迭代找形法計算流程圖

圖6 架空線有限元模型

3.2 覆冰與脫冰的模擬

架空線真實覆冰的厚度不均，其截面形狀也不規則。為了便于理論計算，將真實覆冰簡化為截面形狀為環形的理想模型，如圖7所示。

圖7 架空線覆冰理想模型截面示意圖

當直徑為的架空線表面覆有厚度為的環形冰時，單位長度架空線上覆冰的體積為：

則整檔架空線覆冰的總質量為：

仿真實驗系統采用在架空線桿單元模型的節點上施加質量單元MASS21的方法來模擬其覆冰的情況。假設架空線覆冰均勻，則MASS21的單元質量等于整檔架空線覆冰總質量除以質量單元的單元數。對于架空線脫冰，系統采用“生死單元法”進行模擬，即通過修改單元的剛度矩陣使其變得足夠小，同時將其他參數設為零，以使質量單元“死亡”[15]。

上述模擬覆冰和脫冰的APDL命令流分別為：

覆冰命令流：

/PREP7$ET,2,MASS21$R,102,,,1.921$TYPE,2$REAL,102

E,I

*ENDDO

……

acel,,,9.8

FINISH

脫冰命令流：

*DO,I,84,93

EKILL,I

*ENDDO

……

文獻[15]通過仿真結果和實驗數據的對比研究，驗證了上述方法仿真架空線路覆冰脫落的適用性和準確性。

4 仿真實驗結果

仿真實驗所采用的架空輸電線參數如表1所示，實驗所計算的工況分別為整檔同期脫冰和檔距中部脫冰。

表1 仿真實驗架空輸電線參數

整檔同期脫冰時，架空輸電線端部張力的動態變化的時程曲線如圖8(a)所示，輸電線檔距中點的豎直位移如圖9(a)所示；檔距中部脫冰的結果分別如圖8(b)和圖9(b)所示。

圖8 架空線脫冰動張力時程圖

圖9 架空線脫冰檔中跳躍位移時程圖

從圖8及圖9中可以看出，整檔同期脫冰時，架空線動張力和檔中位移均呈現規整的振蕩衰減形態，該現象與眾多理論及實驗研究結論相符；檔距中部脫冰時，其動張力和檔中位移衰減趨勢與整檔脫冰一致，但由于仍有覆冰殘留在架空線上，因此振蕩波動的中心張力值比整檔脫冰大，而中點豎直位移的變化值較整檔脫冰小，這也與實際情況相一致。

5 結語

基于MATLAB和ANSYS軟件開發的架空線路脫冰仿真實驗系統界面友好、操作簡單，可用于不同參數導線、不同厚度覆冰及不同脫冰工況的仿真實驗。通過該仿真實驗，可以增強學生對架空線脫冰教學內容的理解與脫冰趨勢規律的認識，降低了編程、仿真的實踐的難度。

[1] 胡毅.電網大面積冰災分析及對策討論[J].高電壓技術，2008, 34(2): 215–219.

[2] 楊風利，楊靖波，付東杰.塔線系統脫冰跳躍動力響應分析[J].振動工程學報，2010, 23(1): 86–93.

[3] 朱清海，劉應明，魏延勛，等.重冰區導線覆冰脫落對轉角塔的動力沖擊仿真研究[J].結構工程師，2016(3): 57–63.

[4] 吳天寶，胡中原，王健，等.輸電線路脫冰跳躍動態模型研究[J].應用力學學報，2018(1): 134–140.

[5] 楊文剛，王璋奇.學研雙驅模式的輸電線路工程專業實踐教學體系研究[J].實驗技術與管理，2017, 34(5): 198–200, 217.

[6] 楊文剛，蘇士斌，王璋奇.導線脫冰振動的模擬實驗研究[J].振動?測試與診斷，2013(5): 892–896.

[7] 王璋奇，齊立忠，王劍，等.架空輸電線非同期脫冰跳躍動張力實驗研究[J].振動與沖擊，2016(22): 61–65.

[8] 劉敏，晏致濤，馮上銘，等.多跨覆冰導線脫冰振動模型風洞試驗研究[J].振動與沖擊，2018(3): 223–229.

[9] 陳科全，嚴波，張宏雁，等.沖擊載荷下導線覆冰脫落過程的數值模擬[J].應用力學學報，2010(4): 761–766.

[10] 杜運興，盧心龍，聶逸悠.線路覆冰分層脫落動力響應的研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2017(7): 104–110.

[11] 董永星，武怡帆，芮曉明，等.分裂導線不同步脫冰動力響應研究[J].華北電力大學學報（自然科學版），2018(1): 86–91.

[12] 王黎明，曹露，梅紅偉.特高壓交流同塔雙回輸電線路嚴重脫冰跳躍抑制措施仿真研究[J].高電壓技術，2018(5): 1475–1482.

[13] 安利強，梁成，張志強，等.鐵塔對重冰區雙回輸電線路脫冰跳躍的影響研究[J].結構工程師，2017(6): 38–44.

[14] 梁成. 220kV重冰區雙回輸電線路脫冰跳躍研究[D].保定：華北電力大學，2017.

[15] 楊文剛，高松，葛永慶.特高壓單柱拉線塔脫冰動態響應研究[J].鋼結構，2016(12): 53–57.

Simulation experimental system for overhead transmission lines ice-shedding based on MATLAB/ANSYS

WANG Zhangqi, ZHAO Xingchi

(Department of Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Based on MATLAB and ANSYS software, a simulation experimental system for overhead transmission lines ice-shedding is designed. The interactive interface of the simulation system is constructed by using MATLAB. Based on the finite element processing ability of ANSYS, the secondary development is carried out by APDL so that the simulation calculation of ice-shedding can be carried out automatically. By taking the whole transmission line and partial ice-shedding as examples, the simulation results of the system are presented. This system is beneficial for deepening students’ understanding of the ice-shedding teaching content of overhead transmission lines and for enhancing their understanding of the ice-shedding trend law.

overhead transmission lines; ice-shedding; simulation experiment; ANSYS; MATLAB

TM726；TP391.9

A

1002-4956(2019)07-0106-05

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.026

2019-01-06

河北省高校新工科研究與實踐項目（2017GJXGK027）

王璋奇（1964—），男，陜西大荔，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為輸電線路工程、機械系統動力學及應用. E-mail: wangzq2093@163.com