基于MATLAB/ANSYS的架空输电线脱冰仿真实验系统

王璋奇，赵星驰

基于MATLAB/ANSYS的架空输电线脱冰仿真实验系统

王璋奇，赵星驰

（华北电力大学 机械工程系，河北 保定 071003）

基于MATLAB和ANSYS软件设计了架空输电线脱冰仿真实验系统。利用MATLAB构建了仿真系统的交互界面，依托ANSYS的有限元处理能力，通过APDL进行二次开发，使其能够自动地进行脱冰仿真计算。以输电线整档和部分脱冰工况为例，给出了系统的仿真实验结果。该系统的使用有益于加深学生对架空输电线脱冰教学内容的理解，增强学生对脱冰趋势规律的认识。

架空输电线；脱冰；仿真实验；ANSYS；MATLAB

架空输电线脱冰是指覆有冰雪的导/地线由于自然或其他原因发生整档同时脱冰，或在档中的不同位置先后脱冰，或者以其他方式脱冰的情况。架空线路覆冰问题在我国广泛存在，线路覆冰脱落会引起线路大幅度跳跃和输电塔的冲击振动，严重影响电网的稳定安全运行[1-3]。我校自2008年开办输电线路工程专业以来，架空线路覆冰脱落所致的输电线跳跃及动态张力一直是架空线路及杆塔结构教学的重要内容[4-5]。

虽然已有学者在相关的实验研究方面设计了多种实验系统[6-8]，但这些实验系统所使用的装置复杂、设备昂贵，在课程教学中常常因设备不足等问题而导致实验无法顺利开展。近年来，对架空线覆冰脱落问题的仿真研究[9-12]注重于科学理论研究，所使用的软件或方法比较复杂，需要较好的理论基础，因而也无法直接用于课程的实验教学中。

本文以服务课程教学为目的，基于MATLAB和ANSYS设计开发了一套架空线路脱冰动张力及档中跳跃位移的仿真实验系统。该系统不仅可以对整档及部分脱冰工况进行模拟，还可以对同期和顺序脱冰工况进行仿真，极大地降低了学生对于ANSYS等软件使用所需的基础要求，这对增强学生对架空线脱冰教学内容的理解与脱冰规律的认识、提升学生的学习兴趣和科研创新意识具有一定的促进作用。

1 仿真实验系统的设计

架空线路脱冰的工况较多，脱冰所致的线路跳跃及动张力情况复杂，在设计架空线路脱冰仿真实验系统时，需要在达到传统实验教学目的的同时，尽可能方便用户的操作。因此，在进行仿真系统设计中，充分发挥MATLAB在创建GUI和ANSYS在有限元计算中的优势，为架空线路等课程的实验教学提供交互式的用户界面。

架空线路脱冰仿真实验系统主要由脱冰仿真GUI界面和脱冰仿真ANSYS计算两部分组成，其结构如图1所示。

图1 架空线脱冰跳跃及动张力仿真系统结构

脱冰仿真GUI界面基于MATLAB的GUIDE环境开发，主要包括仿真系统参数设置和仿真结果显示。通过GUI界面的操作进行架空输电线参数和脱冰工况的设定，并生成可供ANSYS调用的APDL命令流，在ANSYS完成计算后读取并显示脱冰工况下的动张力和档中跳跃位移的仿真结果。

脱冰仿真ANSYS计算是依托其强大的有限元处理能力，保证仿真系统的可靠性和运算效率。仿真计算利用APDL对ANSYS进行二次开发，使得ANSYS软件能够自动完成所选工况的脱冰仿真计算，极大地降低了ANSYS软件的使用难度。

2 基于MATLAB的仿真系统界面

2.1 仿真系统参数设置界面

仿真系统参数设置界面由架空线参数输入区、脱冰方式选择区、脱冰方式示意区和指令按钮区等4部分组成。

（1）架空线参数输入区主要是用于输入线路脱冰仿真所必需的条件参数，包括架空线的几何参数、物理参数和覆冰参数。当输入不同的条件参数时，系统即可实现不同架空线的脱冰仿真。

（2）脱冰方式选择区提供“整档同期脱冰”“整档顺序脱冰”“左部脱冰”“中部脱冰”和“右部脱冰”等5种脱冰方式供用户选择。

（3）脱冰方式示意区对5种脱冰方式的仿真进行图示说明。当脱冰方式选定后，显示区内给出相应的示意图片，如图2所示。显示内容与所选脱冰方式的对应是通过m文件中的switch…case…函数实现的，显示内容则通过imread和imshow函数实现。

图2 不同脱冰方式对应的示意图

（4）指令按钮区包含3个按钮，分别是“生成命令流”“查看命令流”和“打开结果显示面板”。当仿真系统所需的条件参数输入完毕且脱冰方式选定后，点击“生成命令流”按钮，系统即会在根目录下生成APDL命令流文件“Iceshedding.txt”；点击“查看命令流”按钮，仿真系统即会在记事本软件中打开命令流文件“Iceshedding.txt”。上述生成和打开命令流功能通过以下程序实现：

生成命令流文件“Iceshedding.txt”：

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

fprintf(fid,'FINISH ');

fprintf(fid,'/CLEAR ');

……

fclose(fid);

打开命令流文件“Iceshedding.txt”：

dos('Iceshedding.txt');

2.2 仿真系统结果显示界面

当ANSYS仿真计算完成后，可进入架空线路脱冰仿真实验系统的结果显示界面，其中包括图像操作区、数据操作区和结果曲线绘制区，如图3所示。

（1）图像操作区。用户通过点选“导线张力”和“档距中点位移”前的复选框，可以选择绘制的结果曲线类型，通过点击“绘制”“保存”和“清除”按钮，可以对结果图像进行相应的绘图、保存和清除操作。

图3 架空线路脱冰仿真实验系统结果显示界面

（2）数据操作区。用户通过点击“读取数据”按钮，导入ANSYS计算得到的结果数据并存入仿真系统的Workspace中。这一功能主要通过以下程序实现：

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的脱冰仿真计算

本文利用APDL对ANSYS软件进行二次开发，使得其能够自动完成脱冰仿真计算，避免复杂的界面操作。在ANSYS中，架空线路脱冰仿真流程如图4所示。

图4 架空线路脱冰仿真流程

3.1 架空线的有限元模型

架空线脱冰仿真实验的主要目的是便于学生认识理解架空线脱冰过程中线路动张力和跳跃位移变化的趋势与规律，因此，系统仅以架空线为研究模型而不对输电塔进行建模[13]。架空线是典型的柔性索链结构，其自身仅承受拉力而不承受压力和弯矩。

在ANSYS中，利用杆单元(LINK10)对架空线进行建模。LINK10单元仅能承受拉力作用，当单元受压时，单元的刚度便会消失，且该单元具有大变形功能[14]。对架空线进行动力学分析计算前需要确定架空线仅在自身重力作用下的初始平衡形态，即需要对架空线进行找形。仿真系统所采用的找形方法为直接迭代法，其迭代求解的计算流程图如图5所示。

在ANSYS软件中，利用LINK10单元建模并完成找形后的架空线路有限元模型如图6所示。

图5 直接迭代找形法计算流程图

图6 架空线有限元模型

3.2 覆冰与脱冰的模拟

架空线真实覆冰的厚度不均，其截面形状也不规则。为了便于理论计算，将真实覆冰简化为截面形状为环形的理想模型，如图7所示。

图7 架空线覆冰理想模型截面示意图

当直径为的架空线表面覆有厚度为的环形冰时，单位长度架空线上覆冰的体积为：

则整档架空线覆冰的总质量为：

仿真实验系统采用在架空线杆单元模型的节点上施加质量单元MASS21的方法来模拟其覆冰的情况。假设架空线覆冰均匀，则MASS21的单元质量等于整档架空线覆冰总质量除以质量单元的单元数。对于架空线脱冰，系统采用“生死单元法”进行模拟，即通过修改单元的刚度矩阵使其变得足够小，同时将其他参数设为零，以使质量单元“死亡”[15]。

上述模拟覆冰和脱冰的APDL命令流分别为：

覆冰命令流：

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

E,I

*ENDDO

……

acel,,,9.8

FINISH

脱冰命令流：

*DO,I,84,93

EKILL,I

*ENDDO

……

文献[15]通过仿真结果和实验数据的对比研究，验证了上述方法仿真架空线路覆冰脱落的适用性和准确性。

4 仿真实验结果

仿真实验所采用的架空输电线参数如表1所示，实验所计算的工况分别为整档同期脱冰和档距中部脱冰。

表1 仿真实验架空输电线参数

整档同期脱冰时，架空输电线端部张力的动态变化的时程曲线如图8(a)所示，输电线档距中点的竖直位移如图9(a)所示；档距中部脱冰的结果分别如图8(b)和图9(b)所示。

图8 架空线脱冰动张力时程图

图9 架空线脱冰档中跳跃位移时程图

从图8及图9中可以看出，整档同期脱冰时，架空线动张力和档中位移均呈现规整的振荡衰减形态，该现象与众多理论及实验研究结论相符；档距中部脱冰时，其动张力和档中位移衰减趋势与整档脱冰一致，但由于仍有覆冰残留在架空线上，因此振荡波动的中心张力值比整档脱冰大，而中点竖直位移的变化值较整档脱冰小，这也与实际情况相一致。

5 结语

基于MATLAB和ANSYS软件开发的架空线路脱冰仿真实验系统界面友好、操作简单，可用于不同参数导线、不同厚度覆冰及不同脱冰工况的仿真实验。通过该仿真实验，可以增强学生对架空线脱冰教学内容的理解与脱冰趋势规律的认识，降低了编程、仿真的实践的难度。

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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与实践项目（2017GJXGK027）

王璋奇（1964—），男，陕西大荔，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为输电线路工程、机械系统动力学及应用. E-mail: wangzq2093@163.com