專利名稱：：一種光纖復(fù)合架空地線opgw光纜覆冰機械性能模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電力通信特種光纜覆冰領(lǐng)域，具體涉及光纖復(fù)合架空地線(OPGW)覆冰機械性能模擬方法。用于計算光纖復(fù)合架空地線OPGW光纜覆冰以及溫度、風等綜合氣象條件下，光纜所受張力、伸長及弧垂等參數(shù)的變化，從而得出覆冰對光纜傳輸性能的影響。
背景技術(shù)：
：以往對光纖復(fù)合架空地線OPGW光纜覆冰的研究很少，且多是基于輸電線路覆冰的經(jīng)驗和成果，缺乏針對性的詳細分析光纖復(fù)合架空地線OPGW光纜的覆冰性能。2008年1月至2月初，我國南方冰凍災(zāi)害使光纜線路覆冰厚度遠遠超過設(shè)計值，已有光纜覆冰研究成果不足以說明問題，因此，需要對光纖復(fù)合架空地線OPGW覆冰、尤其是重覆冰下性能的變化、潛在的隱患及其對光纜線路運行的影響進行深入分析。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出了一種用于分析OPGW光纜覆冰時的機械性能的變化的模擬方法，尤其是重覆冰前后光纜性能的變化及存在的隱患，為特殊區(qū)域的差異性提供設(shè)計、建設(shè)依據(jù)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種光纖復(fù)合架空地線(OPGW)光纜覆冰機械性能模擬方法，其特征在于以懸鏈線方程y=a，其中，方程中的"為引進參數(shù)，是光纜水平張力H與單位自重W的比值，^(^為雙曲余弦函數(shù)；為基礎(chǔ)來計算光纜在自然懸掛和覆冰狀態(tài)下各參數(shù)之間的關(guān)系式，并用牛頓法求解此關(guān)系時，具體關(guān)系式如下所示a)光纜自然懸掛時令,=1/"，由懸鏈線方程得關(guān)于/的關(guān)系式是=ln((化+1)+如」+1)2_1)+ln((化+1)+如8+1)2-1式中，Z為相鄰兩桿塔的水平距離，單位為m;力為光纜左邊掛點A離最低點的垂直距離，單位為m;^為光纜右邊掛點B離最低點的垂直距離，單位為m;b)光纜覆冰時由光纜長度等式^—ei=Z(其中，丄和A分別是光纜自重和覆冰時的懸掛纜長，e和A分別為光纜受自重和覆冰荷載時產(chǎn)生的伸長，Zc為光纜原長)，得到關(guān)系式-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>式中，"為覆冰所引起的變化了的參數(shù)^(力為雙曲正弦函數(shù)，^為光纜左右兩懸掛點的高度差，單位為附，^為光纜所受覆冰荷載，包括自重荷載，單位為^/w'^"2，￡為光纜彈性模量，單位為AiV/附w2，coth(x)為雙曲余切函數(shù)。其中，對OPGW光纜覆冰機械性能計算的過程，包括以下歩驟第一步輸入已知參數(shù)h，A，^，Z，￡，S，(其中A為光纜自重荷載，S為光纜截面積，^，此初值作為上述自重時關(guān)系其他同上)，計算出牛頓法求解的初值^二r式的初解；第二步將初解代入牛頓法得出的遞推公式^,+1=^-皿，求出解的修正值；化)第三步判斷解的修正值的精度，如達不到要求的精確度，則將修正值代回遞推公式，解得的值再判斷，如此迭代，直至得到所要求的精確度，得出關(guān)系式的解、從而推出引進的參數(shù)"；第四歩由參數(shù)"代入關(guān)系式，得光纜伸長為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>懸掛光纜的最終長度為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>得光纜的原長為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>iG作為光纜覆冰計算的已知條件；第五步輸入?yún)?shù)￡、S、/、/z、^、丄o等，確定覆冰時的引進參數(shù)a的初值；此處架空線最低點相對于檔距中點的水平偏距為/^".sinh，當?shù)雀呒茉O(shè)時，高度差//為零沒有水平偏距，即力等于最大弧垂；第六歩禾,遞推公式">=1/-^4，初值為x。-^^~^^,問4(力+^)即所求的參數(shù)"；第七步把參數(shù)"代入關(guān)系式，得覆冰時光纜所受最大張力r隨"力.S.c。sh(/J").10-3多次迭代得出精確的解，f隨-vS-cosh/J"-10、-3光纜伸長為g=五/a',2/H<3，2乙—+—sh~^+—sh一24a4a最大弧垂為:/m="[(c/^11+2a一」1+7/7+—覆冰光纜總長度為2a丄=-Msh-'二-sh—2fl57z-」shVsh^則光纜應(yīng)變?yōu)閤l00%其中，溫度和風的影響由不同氣象條件下，綜合荷載的變化修正上述模擬方法中的荷載，從而計算得出有冰有風，有冰且溫度變化等綜合氣象條件下，OPGW光纜的受力、伸長及弧垂變化情況有冰有風時綜合荷載75:8式中，^為自重荷載，^為覆冰荷載，A為覆冰光纜的風壓荷載，有冰時，空氣動力系數(shù)C取為1.2，則風壓荷載為-式中，"一風速不均勻值6—光纜覆冰厚度"一受風線纜直徑，風向與線路軸向的夾角;v—風速，wA;S—光纜截面積，表1風速不均勻系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>有冰時，溫度變化引起的光纜長度變化，光纜長度變?yōu)槭街?，Ar—環(huán)境溫度的變化；/-線膨脹系數(shù)(l/aC);修改上述計算式中光纜的長度，便可以得到覆冰下光纜受溫度影響產(chǎn)生的最大張力、伸長、弧垂以及應(yīng)力應(yīng)變的值。本發(fā)明的有益效果是1)采用了懸鏈線法計算分析OPGW在覆冰、尤其是重覆冰前后的機械性能(即纜上張力，光纜長度以及光纜最大弧垂等參數(shù))的變化；2)計算中采用了牛頓法，經(jīng)過多次迭代求解方程的根，得出精確的計算結(jié)果；3)計算分析了覆冰下，溫度、風等綜合氣象條件對OPGW光纜機械性能的影響；為了使本發(fā)明的內(nèi)容被更清楚的理解，并便于具體實施方式的描述，下面給出與本發(fā)明0.735,十D)v2sin26>,A_3n=-s-xl。其具體取值見下表l;附；附/W,相關(guān)的如下圖1是依據(jù)本發(fā)明的模擬方法的懸掛光纜狀態(tài)的示意圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明的光纜自重機械性能模擬方法的計算流程圖;圖3是依據(jù)本發(fā)明的光纜覆冰機械性能模擬方法的計算流程圖。圖中，各符號表示的參數(shù)、單位如下所示-<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>具體實施例方式光纖復(fù)合架空地線OPGW光纜覆冰機械性能模擬方法采用懸鏈線法，懸鏈線法是根據(jù)架空線單位荷載沿其線長均勻分布的條件來研究、建立其計算原則與計算方法。靜態(tài)懸掛光纜模型如附圖l所示，以A和B兩點為懸掛點。圖中懸鏈線方程為-y=aW二l式中，"為引進參數(shù)，是光纜水平張力H與單位自重W的比值。A(x)為雙曲余弦函數(shù)。光纜自然懸扛狀態(tài)下，令/=1/"，懸鏈線〃程得關(guān)于/的關(guān)系式"ln((^+1)+^(化+1)2_1)+1((&+1)+如8+1)2-1)式中，Z為相鄰兩桿塔的水平距離，單位為m;"為光纜左邊掛點A離最低點的垂直距離，10單位為m;^為光纜右邊掛點B離最低點的垂直距離，單位為m。用牛頓法解上述關(guān)系式，得出參數(shù),，推出參數(shù)"，再由參數(shù)"和光纜長度與伸長的關(guān)系式得出光纜的原長Zo，此原長丄o作為覆冰計算的初始條件。覆冰下計算流程如圖2所示。覆冰下模擬方法流程為覆冰后，纜的張力、伸長及懸掛纜總長都會變化，重新達到另一平衡，如式丄0=^-e2,Zo為自然懸垂下得到的懸掛光纜的原長，為已知條件，^和^均用含參數(shù)"("為覆冰所引起的變化了的參數(shù)")的表達式表示，得出關(guān)系式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中，^為光纜的覆冰荷載，單位為AVm.附w2。對上式用牛頓法解出參數(shù)"，從而推出張力、伸長和弧垂等其它參數(shù)。第一步輸入?yún)?shù)五、S、/、、力、Zo等，確定引進參數(shù)"'的初值；值得注意的是，此處z/z、架空線最低點相對于檔距中點的水平偏距為/^".sinh，當?shù)雀呒茉O(shè)時，高度差^為零沒有水平偏距，即力等于最大弧垂；第二步利用遞推公式，多次迭代得出精確的解，即所求的參數(shù)"；第三步利用"'及相應(yīng)關(guān)系式，得出張力、伸長和弧垂等其他參數(shù)。溫度和風的影響由不同氣象條件下，綜合荷載的變化修正上述模擬方法中的荷載，從而計算得出有冰有風，有冰且溫度變化等綜合氣象條件下，OPGW光纜的受力、伸長及弧垂變化情況。下面是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，以下結(jié)合本附圖對本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)方案做進一步說明。先輸入自然懸掛時的己知條件^，、^，I^，S,計算出光纜的原長Zo，此原長Zo作為已知條件，和￡、S、/、h、h—起代入覆冰計算程序。覆冰時計算流程為輸入己知條件，計算流程如附圖2所示。計算的基礎(chǔ)是懸鏈線方程<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中，"為引進參數(shù)，是光纜水平張力Z/與單位自重『的比值。c/7(x)為雙曲余弦函數(shù)。由懸鏈線方朽.得各參數(shù)的關(guān)系，代入等式A—A=Zo式屮，A為光纜覆冰時的懸掛纜長，A為光纜覆冰時產(chǎn)生的伸長，Zo為光纜原長是已知條件；各參數(shù)均可用引進參數(shù)a表示。用牛頓法求解上述方程，得出遞推公式，多次迭代求得粘確的解。。把fl代入關(guān)系式rmn."oSh(/》').io-3乙ax=".73S■COSh仏/fl).10—3得光纜所受最大張力值，其他參數(shù)求解同理。用本模擬方法計算分析覆冰對OPGW光纜最大張力的影響，計算結(jié)果見表2。表2模擬覆冰實驗與計算數(shù)據(jù)比較冰厚(mm)張力(kN)張力誤差％實驗值計算值013.62213.63610.1041214.05314.0525-0.0043316.87517.01240.814模擬實驗檔距為25m，自然狀態(tài)下初始張力值為13.662kN，第一次覆冰厚度約12mm，第二次覆冰總厚度約33mm，對應(yīng)的張力值如表中所示，計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)差別很小。所以，完全滿足工程計算的要求。上面通過特別的實施例內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員還可意識到變型和可選的實施例的多種可能性，例如，通過組合和/或改變單個實施例的特征。因此，可以理解的是這些變型和可選的實施例將被認為是包括在本發(fā)明中，本發(fā)明的范圍僅僅被附上的專利權(quán)利要求書及其同等物限制。權(quán)利要求1、一種光纖復(fù)合架空地線(OPGW)光纜覆冰機械性能模擬方法，其特征在于以懸鏈線方程id="icf0001"file="A2009100925400002C1.tif"wi="27"he="11"top="44"left="28"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>其中，方程中的a為引進參數(shù)，是光纜水平張力H與單位自重W的比值，ch(x)為雙曲余弦函數(shù)；為基礎(chǔ)來計算光纜在自然懸掛和覆冰狀態(tài)下各參數(shù)之間的關(guān)系式，并用牛頓法求解此關(guān)系時，具體關(guān)系式如下所示a)光纜自然懸掛時令t＝1/a，由懸鏈線方程得關(guān)于t的關(guān)系式是<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><mi>tl</mi><mo>=</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>A</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn></msqrt><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>ty</mi><mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>-</mo><mn>1</mn></msqrt><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式中，l為相鄰兩桿塔的水平距離，單位為m；yA為光纜左邊掛點A離最低點的垂直距離，單位為m；yB為光纜右邊掛點B離最低點的垂直距離，單位為m；b)光纜覆冰時由光纜長度等式L1-e1＝Lo，(其中，L和L1分別是光纜自重和覆冰時的懸掛纜長，e和e1分別為光纜受自重和覆冰荷載時產(chǎn)生的伸長，Lo為光纜原長)，得到關(guān)系式<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><mi>Lo</mi><mo>=</mo><msqrt><msup><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mo>·</mo><mi>sh</mi><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></msqrt><mo>-</mo><mfrac><mrow><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><msub><mi>γ</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mi>E</mi></mfrac><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>l</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mrow></mfrac><mo>·</mo><mi>coth</mi><mfrac><mi>l</mi><mrow><mn>2</mn><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></mfrac><mo>·</mo><mi>sh</mi><mfrac><mi>l</mi><msup><mi>a</mi><mo>′</mo></msup></mfrac><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>式中，a′為覆冰所引起的變化了的參數(shù)a，sh(x)為雙曲正弦函數(shù)，h為光纜左右兩懸掛點的高度差，單位為m，γ3為光纜所受覆冰荷載，包括自重荷載，單位為N/m·mm2，E為光纜彈性模量，單位為kN/mm2，coth(x)為雙曲余切函數(shù)。2、如權(quán)利要求1所述的模擬方法，其特征在于對OPGW光纜覆冰機械性能計算的過程，包括以下歩驟第一步輸入已知參數(shù)力，、K，Z，E，S，(其中^為光纜自重荷載，S為光纜截面積，其他同上)，計算出牛頓法求解的初值^=4&》+^)，此初值作為上述自重時關(guān)系第二歩第三歩式的初解；<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>將初解代入牛頓法得出的遞推公式(+1=(-^1，求出解的修正值;化)判斷解的修正值的精度，如達不到要求的精確度，則將修正值代回遞推公式，解得的值再判斷，如此迭代，直至得到所要求的精確度，得出關(guān)系式的解、從而推出引進的參數(shù)"；第四步由參數(shù)"代入關(guān)系式，得光纜伸長為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>懸掛光纜的最終長度為:丄=aaa,得光纜的原長為Z/O=—e^M乍為光纜覆冰計算的已知條件；第五步輸入?yún)?shù)￡、S、/、/z、^、丄0等，確定覆冰時的引進參數(shù)a'的初值；此處架空線'/z、最低點相對于檔距中點的水平偏距為/'="sinh，當?shù)雀呒茉O(shè)時，高度差/為零沒有水平偏距，即^等于最大弧垂；第六步利用遞推公式1*=1/-^^，初值為&=./2即所求的參數(shù)"；第七步把參數(shù)"代入關(guān)系式，得覆冰時光纜所受最大張力多次迭代得出精確的解，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>光纜伸長為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>最大弧垂為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>覆冰光纜總長度為:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>則光纜應(yīng)變?yōu)?<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>3、如權(quán)利要求2所述的模擬方法，其特征在于溫度和風的影響由不同氣象條件下，綜合荷載的變化修正上述模擬方法中的荷載，從而計算得出有冰有風，有冰且溫度變化等綜合氣象條件下，OPGW光纜的受力、伸長及弧垂變化情況有冰有風時綜合荷載^:式中，y,為自重荷載，^為覆冰荷載，/4為覆冰光纜的風壓荷載，有冰時，空氣動力系數(shù)c取為1.2，則風壓荷載為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，"一風速不均勻值，其具體取值見下表l;6—光纜覆冰厚度，m;D—受風線纜直徑，"""；風向與線路軸向的夾角；v—風速，mA;S—光纜截面積，m/^;表1風速不均勻系數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>有冰時，溫度變化引起的光纜長度變化，光纜長度變?yōu)?<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中，Ar—環(huán)境溫度的變化；/—線膨脹系數(shù)(1/V);修改上述計算式中光纜的長度，便可以得到覆冰下光纜受溫度影響產(chǎn)生的最大張力、伸長、弧垂以及應(yīng)力應(yīng)變的值。全文摘要本發(fā)明提供了一種光纖復(fù)合架空地線OPGW光纜覆冰機械性能模擬方法。采用懸鏈線方程，通過牛頓迭代法，計算出覆冰時OPGW光纜所受最大張力、伸長、弧垂及應(yīng)力應(yīng)變。還計算分析了，風和溫度對覆冰OPGW的機械性能的影響。文檔編號G02B6/44GK101655588SQ200910092540公開日2010年2月24日申請日期2009年9月17日優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日發(fā)明者玲滕申請人:中國電力科學研究院