变电站高跨线安装仿真验证系统开发研究

刘笠 毕涛 杨春雷 韦旻生 阮鹏

摘要：为了避免金具不匹配、增长量计算结果不正确等造成的高跨线安装无法实施的问题，提高安装效率，提出了一种基于虚拟仿真技术的变电站高跨线安装仿真验证系统。该系统基于3D模拟，在站内高跨线安装施工前，通过等比例仿真金具组装来验证挂线过程，在模拟过程中测算增长量计算结果下的高跨线弧垂，同时在物理引擎的支持下，可实现开线长度弧垂计算的模拟。经工程实际应用验证，利用该仿真系统计算弧垂长度，所得计算结果与现场实际弧垂长度误差较小，完全符合实际工程应用要求。

关键词：变电站;高跨线;软母线;弧垂;虚拟仿真

中图分类号：TM751;TP391.9  文献标志码：A  文章编号：1671-0797（2022）03-0001-05

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

0    引言

与硬母线相比，软母线具有成本低、便于维护的特点，在现有的变电站中被广泛采用[1]。在安装变电站高跨线过程中，软母线的弧垂长度直接受其下料长度影响，若弧垂长度低于下限，导线的拉应力增大，就会加剧导线振动，甚至可能发生断线、杆塔倒塌等故障;若导线弧垂长度高于上限，导线的拉应力减小，就易受风等自然因素的影响，埋下诱发事故的潜在风险。

在电力系统输电线路等值模型领域，已具备较完善的大跨距输电线路导线下料长度经典计算模型[2]，如表1所示。

但采用上述模型，每次现场安装前都需要计算修正。为实现对变电站软母线下料长度的精确计算，降低投资成本，提高安装效率，本文提出了一种基于虚拟仿真计算的变电站高跨线安装验证系统。该系统基于3D模拟，在站内高跨线安装施工前，通过等比例仿真金具组装来验证挂线过程，在模拟过程中测算增长量计算结果下的高跨线弧垂，避免金具不匹配、增长量计算结果不正确造成无法进行高跨线安装的问题，同时在物理引擎的支持下，可实现开线长度弧垂计算的模拟。

1    基于3D虚拟仿真的金具拼接及匹配

为解决金具在三维环境中的匹配问题，使用计算机算法对不同种类、不同尺寸的金具装配结果进行判断，基于仿真模拟环境对金具装配结果进行正确展示，提供一套智能化金具拼接、匹配、判断及信息提示的完整呈现[3-4]。

为保证模型的准确性，使用基于图纸的精细化建模方式，结合3D Max、MAYA等专业建模软件，融合了点云等技术，通过扫描、照片、图纸等多种高精细建模方式，完成相关模型属性自定义创建，确保金具及线路连接的精准性。

系统包含9种金具，每种提供4个不同尺寸型号，总计36个，并将其加入金具库，在选择金具后可以进行自由组装和拼接，同时完成相关计算，明确给出安装金具的适应性分析及改进建议，示例如图1所示。

2    软母线长度及弧垂计算方法

2.1    模型假设

本文假设为孤立耐张塔间软母线受力情况。变电站中，绝缘子串较长较重，因此在软母线下料长度计算过程中，需考虑绝缘子串的长度和重量，同时绝缘子串与软母线连接点为“T”型连接线，对构架间软母线形成集中载荷影响[2]。

本文采用孤立档软母线非均布载荷模型[5-6]，其受力分析如图2所示。其中导线单位长度载荷为w0，线长L0，导线整体载荷为W1=w0L0。导线两端的耐张绝缘子载荷分别为G1、G2。导线两端悬挂点有反力TA、TB，将其分解为垂直张力TAY、TBY和水平张力T0。

在进行变电站高跨间软母线下料长度计算公式推导前，需做以下假设[2]：

（1）构架间软母线及绝缘子串为理想柔索模型，其在稳定状态下各点的弯矩为0。

（2）软母线及绝缘子串在张力作用下不考虑径向弹性变形。

（3）软母线弧垂变化不影响载荷。

（4）绝缘子串悬挂后长度不变。

2.2    计算公式推导

基于以上假設（1），可得：

根据式（1）可知：

式中：∑MA、∑MB分别为悬挂在A、B点的档内全部载荷的力矩;QA、QB分别为在A、B悬挂点引起的相当于简支梁的支点剪力;l、h、β分别为软母线的档距、悬挂点高差和高差角。

取导线AC段，由其力矩平衡方程得：

式中：∑Mx为C点左侧全部载荷对C点的弯矩;Mx为AC段是简支梁时，在C点断面上的弯矩。

在AB档间，导线（含前后绝缘子串）线长为：

式中：L为孤立档内的绝缘子串、软母线总长度（m）;k1为连上绝缘子串后的软母线增长系数;ω0为绝缘子串单位长度载荷（若绝缘子串为双联型式，ω0按多联串总体代入计算）（N/m）;ω为导线单位长度载荷（若导线为多分裂型式，ω按多分裂总体代入计算）（N/m）;λ为档内导线一侧的绝缘子串长度（m）。

式（11）中，L计算式中包含导线水平张力值，一般通过软母线的弧垂长度大小反映该张力值。

孤立档内软母线最大弧垂长度：

3    软件设计

3.1    模块设计

为使该仿真软件便于操作，只将主界面分为输入参数和输出参数模块。其中输入参数分为以下3类，具体如表2所示[2]。

将实际获得的参数输入该计算软件，若输入参数有误，自动显示“输入错误”，将无法进行后续计算。

3.2    程序设计

在该软件模块的左界面进行参数输入，自上而下分别是各输入参数;右界面显示输出参数。每一个输入参数旁都有参数标识，以降低输入错误率。其控制面板程序流程图如图3所示。

最终完成的软件界面如图4所示。

4    仿真验证技术应用案例

4.1    现场应用

将本文设计的仿真软件在某高压变电站进行了试点应用，以主变高跨间软母线下料长度计算为例，各输入计算参数如图5所示。

计算结果和三维仿真结果如图6所示。

经过现场安装，验证所得计算结果与实际长度误差在0.01 m内，完全符合实际工程应用要求。

4.2    工程应用

在江苏盐城丰海500 kV输变电工程变电站新建工程中应用高跨线安装仿真验证技术。在金具安装阶段利用金具组装仿真模块按照设计图纸导入金具模型，进行金具装配结果验证，判断设计图纸中金具搭配的正确性。

在高跨线安装仿真验证技术的金具碰撞试验中发现，16 t悬瓷与图7中④WS-16型碗头挂板、⑤BN2-1640型联板组合后，因16 t悬瓷内深大，达到4.5 cm，而WS-16型碗头挂板长度不足，只有9.5 cm，联板螺丝中心孔至边缘距离为5 cm，造成悬瓷与联板接触，绝缘子串实际无法按图组装，如图8所示。

通过高跨线安装仿真验证技术的金具碰撞试验发现金具组装不匹配的问题后，现场施工人员采用了在碗头挂板与联板之间增加U型挂环的方法解决了这一问题，如图9所示。

完成金具组装后，利用高跨线放线仿真模块进行增长量及开线长度计算和仿真，现场测量参数如表3所示。

以#3主变220 kV进线侧为例，进行增长量及开线长度计算，各关键参数如图10所示。

计算结果如图11所示。

经现场实际应用，验证所得计算结果与现场实际弧垂长度误差在0.01 m内，完全符合实际工程应用要求。

5    结语

本文提出了一种基于虚拟仿真技术的变电站高跨线安装仿真验证系统，该系统通过3D模拟，在站内高跨线安装施工前，通过等比例仿真金具组装来验证挂线过程，在模拟过程中测算增长量计算结果下的高跨线弧垂，避免了金具不匹配、增长量计算结果不正确造成的无法进行高跨线安装的问题，同时在物理引擎的支持下，可实现开线长度弧垂计算的模拟。经现场和实际工程项目验证，该模拟仿真软件计算得到的软母线弧垂长度与现场实际弧垂长度误差较小，能够大大提高现场安装的成功率，降低施工成本，从而有效完成现场变电站高跨线软母线的安装。

[参考文献]

[1] 张斌，张军，李黎，等.1 000 kV特高压变电站软母线施工放线下料长度计算的探讨[J].电力系统保护与控制，2008（18）：81-83.

[2] 万建成，董四清，许瑜，等.特高压变电站构架间软母线下料长度计算软件的开发研究[J].智能电网，2017，5（1）：84-88.

[3] 林妙涵，黄宴委，王庭桉.500 kV变电站软导线下料长度计算软件设计[J].机电技术，2014（5）：61-65.

[4] 成卫，张军，张斌，等.1 000 kV变电站V型串软母线施工中导线下料长度的计算方法[J].电网技术，2009，33（13）：24-26.

[5] 胡生辉，宋国贵，吴双，等.1 000 kV交流特高压变电站大截面软母线装配长度计算软件的开发研究[J].湖北电力，2009，33（6）：5-7.

[6] 李博之.高压架空输电线路施工技术手册[M].北京：中国电力出版社，2008.

收稿日期：2021-11-10

作者簡介：刘笠（1990—），男，江苏南京人，硕士研究生，工程师，研究方向：电力系统及其自动化。