基于ANSYS变电站软母线施工下料长度仿真分析

李 欢，裘亚刚，张 兴，王千赫，张 赛

（北京送变电有限公司，北京 102401）

0 引言

在各电压等级的变电站中，母线均起着汇集、分配和传送电能的重要作用。由于室外空间大，气象及地质条件复杂，35 kV 及以上的屋外配电装置间的连接导线习惯采用钢芯铝绞线。部分施工人员在此类软母线的安装过程中凭借模糊的经验公式而错误下料，频频忽视导线弧垂和张力的内在联系（弧垂过小则增加导线拉力，过大则影响安全距离），最终致使导线或金具、架构等部件承受额外的应力，减少对地安全距离，从而给变电站的日后运行管理工作带来重大安全隐患［1-2］。

通过查阅大量有关软母线下料安装文献，发现文献［3］未考虑跨线两端挂点的高差，虽然建立了理想的悬链线及平抛物线组合模型，但不能综合满足现场的复杂情况。对于1 000 kV 变电站采用“V”型绝缘子串的安装情况，文献［4］对其软母线的施工下料长度进行了研究，但都是基于理论分析的近似解。文献［5］介绍的二次起吊划印法、地面划印法虽满足施工精度要求，但也增加了额外的施工费用。文献［6］对复合模型的受力形式进行了简化处理，未考虑实际导线压接过程中延伸增量等工艺对导线松弛度的影响。

架空软母线下料长度的计算是否精确，直接关乎能否将压接组装完成的架空线一次安装到位，即实测弧垂满足设计规范要求。如果有效管控，不仅可以杜绝资源浪费现象发生，还可以确保安装质量，缩减安装工期。因此，亟须分析变电站内架空导线的普遍受力形态，并研究出相应软导线下料长度的准确计算方法［7］。

近年来，有限元理论越来越完善，计算机各种物理装置的发展更是突飞猛进，运用融合技术来解决工程问题也日趋普及成熟，其灵活性、实用性和有效性也逐渐提升。运用ANSYS 有限元分析软件对承德御道口500 kV 变电站2 号主变压器扩建工程中涉及的软母线下料长度展开仿真计算，为软母线的安装工作提供科学依据。

1 工程概况

根据规划，承德列入拟核准计划的风电场及内蒙古地区拟接入承德地区的风电场建成投产后，围场地区现有的风电送出通道将无法满足4 867 MW的送出需求，其中约3 065 MW 的风电拟接入御道口500 kV站，并通过御道口—金山岭的500 kV 通道送出。为了满足御道口地区风电总装机的送出需求，本期需在前期预留区域安装容量为3×400 MVA 的2号主变压器，并在主变压器架构及220 kV架构间新增3跨双分裂导线，2号主变压器预留间隔现状如图1所示。

图1 2号主变压器预留间隔现状

设计采用2×（NAHLGJQ-1440）导线，档距为lAB=51.8 m，高差hAB=3.5 m，弧垂f=2.015 m（施工环境温度对应30 ℃），间隔棒MRJ-51/200 约2 m 设置一个，导线两端通过悬挂耐张绝缘子串2×17（XWP2-160）及耐张线夹NY-1440N 固定于架构钢梁，如图2—图3所示。

图2 导线分析模型

图3 耐张绝缘子串组装

2 数值仿真模型的建立

2.1 软件及单元类型选取

市场上流通的众多商业有限元软件中，有不止一种的单元类型可以用来模拟站内架空导线的受力形态。而不同的单元类型对建模效率、计算精度、计算量大小、占用内存空间大小、后处理的难易程度等方面均有比较大的影响，ANSYS 软件具备强大的建模能力、网格划分能力、求解能力、后处理能力等优势而被选用。

耐张绝缘子串内部通过相互铰接的金具连接，导线采用抗弯刚度极小的钢芯铝绞线，因此终态内力沿轴向分布，在力学性能上主要表现为高度的柔性和极强的几何非线性。ANSYS 有限元软件中的LINK10 单元含两个节点，每个节点在空间体系中存在3个平移自由度（X、Y、Z），内部配置的刚度矩阵参数使其仅能承受轴向应力作用［8］。考虑到架空线在真实受力状态下仅表现为拉应力，故需设定LINK10单元的主要选项KEYOPT（3）=0。LINK10 单元的节点坐标系、外形轮廓和两节点先后位置如图4 所示，完全符合耐张绝缘子串及软母线的受力特征，图中I、J 为此单元的端节点，L0为其初始长度，d为相应作用下单元的变形量。

图4 LINK10单元

2.2 计算参数确定

软母线施工技术要求其就位后必须满足设计规定的弧垂值，并且使三相母线的最低点在同一水平线上。关联软母线仿真模型建立及弧垂、下料长度计算结果准确性的影响元素有［9］：跨线挂点两侧高差、挂点档距、金具绝缘子串重量及长度、软母线材料特性（延米重量、截面积、弹性模量、泊松比）、钢芯尾端至钢锚挂孔间距离、压接延伸增量。

母线跨距的测量要求准确，无高差情况时为跨距内横梁导线挂孔间的距离。在实际工程中，跨线两端挂点常存在高程差异，且测量的精确性易受外界环境、仪器本身等因素的干扰，如果忽略这些不良作用，将无法对导线下料长度提供精准数据。为此，选用技术成熟的全球定位系统，测量的精确度达1 mm，可快速采集目标点的空间坐标，并准确算出任意目标点间的平距、高差、斜距［10-11］。每个档距应测量3次，取其平均值。

金具绝缘子串长度对应绝缘子串端部U 型环到另一端挂板的两螺栓孔中心距离，材料的部分参数见表1。为尽量保证建立的有限元模型和现场组装的绝缘子串计算参数保持一致，在建立仿真模型前，现场首先开展对组装完毕绝缘子串的重量、长度的测量工作［12］。耐张绝缘子串长度测量可采用两种方法：第1 种是在地面槽钢内组装并张拉量尺，其中在槽钢内应垫有保护绝缘子的胶皮；第2 种是组装完毕后使用起重机械垂直吊起后量尺。在测量尺寸时，应由有经验的专职人员负责，确保每相的拉尺力度保持一样；定位量尺时，一定以挂线点的孔中心为准，并做好记录。本工程选用第2 种方法，通过实测实量得到绝缘子串长度为4.386 m，重量为446.7 kg。

表1 耐张绝缘子串的材料参数

导线NAHLGJQ-1440/120 中钢芯计算截面A钢=117 mm2，铝导线计算截面A铝=1 439 mm2，等效弹性模量Eeq=65.2 GPa，线密度ρ=5.478 kg/m（考虑了间隔棒重量的折算密度），线膨胀系数α=20.5×10-6/℃，绝缘子串相关金具的截面积按有效承载面积赋予实常数。

使用导线切割器前，端头应加临时绑线，防止松股，断面应齐平，同时与轴线保持垂直［13］；使用游标卡尺测量每个耐张线夹的钢锚深度，专人做好记录。压接完成后，由质检人员检查线夹的弯曲程度，弯曲较大则需校直［14］，降低其对导线自由形态的影响。

2.3 仿真模型建立

模型建立总体思路：在挂点间弦线位置创建数段杆单元模型；结合材料特性，在有限元模型中设置该单元材料属性（弹性模量、线密度、线弹性系数、温度）、实常数（有效截面面积、初应变）；沿软母线形态施加自重荷载，根据节点位移不断更新有限元模型；设置迭代计算结果误差为0.1%，然后设置收敛条件即设计弧垂进行自动迭代（N次），循环终止反馈的计算结果对应绝缘子串导线满足设计弧垂的最终形态；然后返回N-1次的迭代状态，统计导线对应单元总长度。在此需特别注意软母线与耐张线夹压接部分的处理，最终确定软母线施工下料长度lxl=le-lc-lj-Δl，其中：le为单元总长度；lc为金具绝缘子串长度；lj为钢芯尾端至钢锚挂孔间距离；Δl为压接延伸增量值。下料长度的仿真计算流程如图5所示。

图5 软母线施工下料长度仿真计算流程

3 应用分析

架空导线的弧垂分析多分布在大档距的输电工程中，在此类问题计算当中，常把架空导线近似为理想的柔性线索来考虑，基本忽略各类绝缘子、耐张线夹等元件的参与对输电线路架空导线真实形态的作用，有代表性的悬链线理论与斜抛物线理论［15-16］。站内架空导线的数学模型也大多基于这两种理论展开研究。

导线沿其长度均匀分布荷载情形下的悬链线变形曲线为

悬链线长度为

导线沿其档距均匀分布荷载情形下的抛物线变形曲线为

抛物线长度为

为准确探索切实可行的软母线下料计算方法，给后续批量规模的母线下料安装做准备，分析比较上述的悬链线模型、抛物线模型及本文的仿真计算结果，见表2。

表2 导线下料结果对比

在实际施工过程中，选用仿真模拟结果进行导线下料，并进行了试挂，经测量发现，母线松弛度为1.975 m，满足允许偏差-2.5%～+5%的要求［17］，即：最终安装弧垂应控制在（1.965 m，2.116 m）之间。实测弧垂虽大于设计弧垂下限，但二者的差距并不明显。由表2 可知，两种数学模型计算的架空导线总长均明显小于有限元分析结果，如果沿用理想模型的解析数据来进行导线下料、组串、安装，则就位稳定后的弧垂较仿真结果小很多，最终不能满足规范的精度要求。在最终迭代得到的有限元模型中，根据式（1）、式（3）建立对应的架空曲线如图6所示。

图6 3种计算模型的架空曲线

悬链线、抛物线模型的理论长度较架空导线的仿真结果偏小，主要是因为忽略了重量占比（79%）大的金具绝缘子串的受力参与。从图6 可以看出，悬链线、抛物线的模型曲线较吻合，而由于绝缘子串的重力作用，有限元架空线两侧绝缘子串的斜率变化量明显比悬链线、抛物线模型大，进而改变了导线的最终形态。

读取有限元模型的结果数据库，查看导线的变形伸长量为4.8 mm，由此可以看出：导线在内部张力的作用下，弹性伸长量较小，约占架空导线总长度的0.1‰，工程误差允许范围内可忽略内部应力对弧垂的影响；若不考虑导线弹性变形的影响，将导线长度扣除伸长量4.8 mm，计算该情形下导线弧垂为1.997 m，即对弧垂贡献量为18 mm，占设计弧垂的9‰，进一步印证了导线的弹性变形对此类情况的弧垂影响基本可以忽略。

为了保证弧垂最终结果与设计数值更吻合，对试挂跨线的绝缘子串两端金具做了调整，用Z-30 挂板和DT-30 调整环替换原设计图纸的U 型挂环、PH型挂环，这样可以通过调整DT-30 的松紧程度来控制母线松弛度。规范约束松弛度正误差（5%）较负误差（-2.5%）大，现场综合考虑导线内部应力的安全因素，经过多次调整、观测，最终确定弧垂为2.04 m，满足规范精度要求。随后在其他架空线的安装过程中，依据修正后的物理参数更新有限元模型，然后进行迭代计算，根据仿真结果进行软母线的下料组装，最终弧垂实际量测值均有效控制在规范允许的误差范围内，现场安装效果如图7所示。

图7 2号主变压器预留间隔安装效果

在随后的内蒙古庄头营220 kV变电站架空软母线安装过程中，现场采集的220 kV 主变间隔部分材料参数如下：软母线（型号：JL/G1A-630/45）密度为2.06 kg/m；绝缘子串长度2.952 m，重量为128.9 kg；耐张线夹（NY-630/45）钢芯尾端至钢锚挂孔间距离为204～210 mm；压接延伸增量值为8～11 mm。然后采用ANSYS 有限元的方法求解软母线的下料长度，主变间隔B 相架空软母线仿真模型结果与悬链线、抛物线的形状对比见图8。

图8 B相架空软母线有限元模型对比

结合模型信息，发现绝缘子串重量占整个架空导线总重量的78%，即绝缘子串重量为软母线重量的3.55 倍。绝缘子串的首尾高差为0.886 m，软母线对应部分的跨度为35.276 m，弧垂为1.021 m，矢跨比为0.03，由此可以看出绝缘子串两端总长度为整跨架空线的14%，对整跨架空线的弧垂贡献量为46%，此类绝缘子串对架空导线最终形态的影响是不可忽略的［18］，正是在重量比例高、弹性模量及线密度大的绝缘子串作用下，架空导线呈现出文献［3］提出的悬链线与平抛物线的组合形态：弧垂多集中于对应绝缘子串位置，接近悬链线模型，而软母线区域变形平缓，更趋于平抛物线模型。

通过有限元模型求出LINK10 单元总长度，即对应整跨架空线长度，结合现场收集的数据，依据推导的公式求解相对应软母线的施工下料长度，如表3所示。

表3 导线下料结果对比

由表3 可以看出：依据ANSYS 仿真结果进行软母线下料，挂线就位后的弧垂经测量均在规范允许的误差内（-2.5%～+5%）。

通过读取现场温度测试仪数据，得到220 kV 主变压器间隔架空软母线安装时温度约为25 ℃，在有限元模型中运用Tref 命令设置参考温度与其保持一致。继续分析在不同安装温度作用下，ANSYS 模型仿真结果与设计弧垂的对比结果，见表4。

表4 B相架空软母线不同温度下的弧垂对比

从表4 对比结果可以看出：在-20～40 ℃的不同工况下，有限元模型的仿真弧垂与设计弧垂几乎吻合，最大误差约为1%，表明建立的ANSYS 模型是有效的，也进一步证明了借助有限元软件进行架空软母线仿真计算的可行性与准确性。

4 结语

对计算变电站内架构间绝缘子串软母线的施工下料尺寸的方法进行了探讨，针对短档距（51.8 m、40.9 m）、小弧垂（约2 m）、绝缘子串占重比例高（约80%）的特点，采用ANSYS有限元软件对此类软母线的下料长度做了仿真模拟。结合御道口500 kV变电站、庄头营220 kV变电站的工程实践，依据有限元分析结果进行现场下料，安装后的导线弧垂误差经测算满足规范要求，证实了仿真计算的可行性与准确性，为今后此种类型软母线的施工下料长度的计算提供了参照。

此外，在已建立的有限元模型上施加不同温度来模拟不同工况下的弧垂，结合设计提供的不同安装温度的对应弧垂，对比数据表明仿真结果的弧垂与其基本一致，进而也印证了本工程借助有限元软件进行架空导线仿真计算的合理科学性。