變電站高跨線(xiàn)安裝仿真驗(yàn)證系統(tǒng)開(kāi)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(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果不正確等造成的高跨線(xiàn)安裝無(wú)法實(shí)施的問(wèn)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(xiàn)安裝仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于3D模擬，在站內(nèi)高跨線(xiàn)安裝施工前，通過(guò)等比例仿真金具組裝來(lái)驗(yàn)證掛線(xiàn)過(guò)程，在模擬過(guò)程中測(cè)算增長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果下的高跨線(xiàn)弧垂，同時(shí)在物理引擎的支持下，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)線(xiàn)長(zhǎng)度弧垂計(jì)算的模擬。經(jīng)工程實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，利用該仿真系統(tǒng)計(jì)算弧垂長(zhǎng)度，所得計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際弧垂長(zhǎng)度誤差較小，完全符合實(shí)際工程應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：變電站;高跨線(xiàn);軟母線(xiàn);弧垂;虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TM751;TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）03-0001-05

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

0? ? 引言

與硬母線(xiàn)相比，軟母線(xiàn)具有成本低、便于維護(hù)的特點(diǎn)，在現(xiàn)有的變電站中被廣泛采用[1]。在安裝變電站高跨線(xiàn)過(guò)程中，軟母線(xiàn)的弧垂長(zhǎng)度直接受其下料長(zhǎng)度影響，若弧垂長(zhǎng)度低于下限，導(dǎo)線(xiàn)的拉應(yīng)力增大，就會(huì)加劇導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)，甚至可能發(fā)生斷線(xiàn)、桿塔倒塌等故障;若導(dǎo)線(xiàn)弧垂長(zhǎng)度高于上限，導(dǎo)線(xiàn)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(xiǎn)。

在電力系統(tǒng)輸電線(xiàn)路等值模型領(lǐng)域，已具備較完善的大跨距輸電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)下料長(zhǎng)度經(jīng)典計(jì)算模型[2]，如表1所示。

但采用上述模型，每次現(xiàn)場(chǎng)安裝前都需要計(jì)算修正。為實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站軟母線(xiàn)下料長(zhǎng)度的精確計(jì)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(jì)算的變電站高跨線(xiàn)安裝驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于3D模擬，在站內(nèi)高跨線(xiàn)安裝施工前，通過(guò)等比例仿真金具組裝來(lái)驗(yàn)證掛線(xiàn)過(guò)程，在模擬過(guò)程中測(cè)算增長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果下的高跨線(xiàn)弧垂，避免金具不匹配、增長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果不正確造成無(wú)法進(jìn)行高跨線(xiàn)安裝的問(wèn)題，同時(shí)在物理引擎的支持下，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)線(xiàn)長(zhǎng)度弧垂計(jì)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(wèn)題，使用計(jì)算機(jī)算法對(duì)不同種類(lèi)、不同尺寸的金具裝配結(jié)果進(jìn)行判斷，基于仿真模擬環(huán)境對(duì)金具裝配結(jié)果進(jìn)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(zhǔn)確性，使用基于圖紙的精細(xì)化建模方式，結(jié)合3D Max、MAYA等專(zhuān)業(yè)建模軟件，融合了點(diǎn)云等技術(shù)，通過(guò)掃描、照片、圖紙等多種高精細(xì)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(xiàn)路連接的精準(zhǔn)性。

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

2? ? 軟母線(xiàn)長(zhǎng)度及弧垂計(jì)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(xiàn)受力情況。變電站中，絕緣子串較長(zhǎng)較重，因此在軟母線(xiàn)下料長(zhǎng)度計(jì)算過(guò)程中，需考慮絕緣子串的長(zhǎng)度和重量，同時(shí)絕緣子串與軟母線(xiàn)連接點(diǎn)為“T”型連接線(xiàn)，對(duì)構(gòu)架間軟母線(xiàn)形成集中載荷影響[2]。

本文采用孤立檔軟母線(xiàn)非均布載荷模型[5-6]，其受力分析如圖2所示。其中導(dǎo)線(xiàn)單位長(zhǎng)度載荷為w0，線(xiàn)長(zhǎng)L0，導(dǎo)線(xiàn)整體載荷為W1=w0L0。導(dǎo)線(xiàn)兩端的耐張絕緣子載荷分別為G1、G2。導(dǎo)線(xiàn)兩端懸掛點(diǎn)有反力TA、TB，將其分解為垂直張力TAY、TBY和水平張力T0。

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

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

（2）軟母線(xiàn)及絕緣子串在張力作用下不考慮徑向彈性變形。

（3）軟母線(xiàn)弧垂變化不影響載荷。

（4）絕緣子串懸掛后長(zhǎng)度不變。

2.2? ? 計(jì)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：∑MA、∑MB分別為懸掛在A、B點(diǎn)的檔內(nèi)全部載荷的力矩;QA、QB分別為在A、B懸掛點(diǎn)引起的相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁的支點(diǎn)剪力;l、h、β分別為軟母線(xiàn)的檔距、懸掛點(diǎn)高差和高差角。

取導(dǎo)線(xiàn)AC段，由其力矩平衡方程得：

式中：∑Mx為C點(diǎn)左側(cè)全部載荷對(duì)C點(diǎn)的彎矩;Mx為AC段是簡(jiǎn)支梁時(shí)，在C點(diǎn)斷面上的彎矩。

在AB檔間，導(dǎo)線(xiàn)（含前后絕緣子串）線(xiàn)長(zhǎng)為：

式中：L為孤立檔內(nèi)的絕緣子串、軟母線(xiàn)總長(zhǎng)度（m）;k1為連上絕緣子串后的軟母線(xiàn)增長(zhǎng)系數(shù);ω0為絕緣子串單位長(zhǎng)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(jì)算）（N/m）;ω為導(dǎo)線(xiàn)單位長(zhǎng)度載荷（若導(dǎo)線(xiàn)為多分裂型式，ω按多分裂總體代入計(jì)算）（N/m）;λ為檔內(nèi)導(dǎo)線(xiàn)一側(cè)的絕緣子串長(zhǎng)度（m）。

式（11）中，L計(jì)算式中包含導(dǎo)線(xiàn)水平張力值，一般通過(guò)軟母線(xiàn)的弧垂長(zhǎng)度大小反映該張力值。

孤立檔內(nèi)軟母線(xiàn)最大弧垂長(zhǎng)度：

3? ? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? ? 模塊設(shè)計(jì)

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(lèi)，具體如表2所示[2]。

將實(shí)際獲得的參數(shù)輸入該計(jì)算軟件，若輸入?yún)?shù)有誤，自動(dòng)顯示“輸入錯(cuò)誤”，將無(wú)法進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

3.2? ? 程序設(shè)計(jì)

在該軟件模塊的左界面進(jìn)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(gè)輸入?yún)?shù)旁都有參數(shù)標(biāo)識(shí)，以降低輸入錯(cuò)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(yàn)證技術(shù)應(yīng)用案例

4.1? ? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

將本文設(shè)計(jì)的仿真軟件在某高壓變電站進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，以主變高跨間軟母線(xiàn)下料長(zhǎng)度計(jì)算為例，各輸入計(jì)算參數(shù)如圖5所示。

計(jì)算結(jié)果和三維仿真結(jié)果如圖6所示。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝，驗(yàn)證所得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際長(zhǎng)度誤差在0.01 m內(nèi)，完全符合實(shí)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(xiàn)安裝仿真驗(yàn)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(jì)圖紙導(dǎo)入金具模型，進(jìn)行金具裝配結(jié)果驗(yàn)證，判斷設(shè)計(jì)圖紙中金具搭配的正確性。

在高跨線(xiàn)安裝仿真驗(yàn)證技術(shù)的金具碰撞試驗(yàn)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(dá)到4.5 cm，而WS-16型碗頭掛板長(zhǎng)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(shí)際無(wú)法按圖組裝，如圖8所示。

通過(guò)高跨線(xiàn)安裝仿真驗(yàn)證技術(shù)的金具碰撞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)金具組裝不匹配的問(wèn)題后，現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題，如圖9所示。

完成金具組裝后，利用高跨線(xiàn)放線(xiàn)仿真模塊進(jìn)行增長(zhǎng)量及開(kāi)線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算和仿真，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量參數(shù)如表3所示。

以#3主變220 kV進(jìn)線(xiàn)側(cè)為例，進(jìn)行增長(zhǎng)量及開(kāi)線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算，各關(guān)鍵參數(shù)如圖10所示。

計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證所得計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際弧垂長(zhǎng)度誤差在0.01 m內(nèi)，完全符合實(shí)際工程應(yīng)用要求。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于虛擬仿真技術(shù)的變電站高跨線(xiàn)安裝仿真驗(yàn)證系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)3D模擬，在站內(nèi)高跨線(xiàn)安裝施工前，通過(guò)等比例仿真金具組裝來(lái)驗(yàn)證掛線(xiàn)過(guò)程，在模擬過(guò)程中測(cè)算增長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果下的高跨線(xiàn)弧垂，避免了金具不匹配、增長(zhǎng)量計(jì)算結(jié)果不正確造成的無(wú)法進(jìn)行高跨線(xiàn)安裝的問(wèn)題，同時(shí)在物理引擎的支持下，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)線(xiàn)長(zhǎng)度弧垂計(jì)算的模擬。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證，該模擬仿真軟件計(jì)算得到的軟母線(xiàn)弧垂長(zhǎng)度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際弧垂長(zhǎng)度誤差較小，能夠大大提高現(xiàn)場(chǎng)安裝的成功率，降低施工成本，從而有效完成現(xiàn)場(chǎng)變電站高跨線(xiàn)軟母線(xiàn)的安裝。

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收稿日期：2021-11-10

作者簡(jiǎn)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(dòng)化。