应用于变电站跨线的可变荷载模拟试验装置及方法

技术领域

本发明设计电力技术领域，特别涉及一种模拟风荷载或覆冰载荷作用下变电站跨线力学响应的试验装置。

背景技术

在变电站工程中，构架间跨线是连通站内各设备的重要线路，因此，线路的设计与安装是变电站工程建设中的关键部分，在线路设计过程中，所有跨线的选用与安装分别都经过严格的强度计算与科学化布设。但在变电站实际运行过程中，大风载荷或覆冰载荷往往会改变跨线的受力特征，经常导致跨线出现跨中弧垂增大、侧向大幅度摆动、连接具损伤断裂等现象。

发明内容

为了保证变电站内线路能够在风、雪等恶劣环境下稳定的运行，本发明提供应用于变电站跨线的可变荷载模拟试验装置及方法。

考虑在实际工程中，变电站跨线所受到的风载荷或覆冰载荷并不是集中载荷，而是分布载荷。

一种应用于变电站跨线的可变荷载模拟试验装置，模拟试验装置用于风载荷或覆冰载荷作用下，变电站跨线的内力、变形、导线弧垂增量与摆角位移力学特性的测试,其特征在于：所述模拟试验装置由导线支架系统、滑轮支架系统和测量系统构成；导线支架系统安装有滑轮支架系统；滑轮支架系统安装有测量系统；所述导线支架系统由一对刚性支架柱、地锚滑轨(3)、转接板组件、膨胀式地锚螺栓、卡位螺栓组成；地锚滑轨(3)两端分别开有安装孔(1)，通过膨胀式地锚螺栓将地锚滑轨(3)安装于平整的混凝土地面；转接板组件与刚性支架柱连接；所述的滑轮支架系统，由N个刚性支架柱、定滑轮组件、地锚滑轨、卡位螺栓、钢丝拉索、牵引线夹、牵引线夹紧固螺丝及螺母、拉索线夹、拉索线夹紧固螺丝及螺母、空心圆柱体砝码组成；所述的测量系统，由激光测距仪、激光位移传感器、电阻应变计、静态电阻应变计、风速风向自动采集系统组成。

所述刚性支架柱成对使用；柱体为大截面方钢管，方钢管单面开有竖向定位滑槽(7)；刚性支架柱底座(9)为矩形钢板，钢板上对称开有两个卡位孔(8)；刚性支架柱在地锚滑轨上的相对位置通过滑动进行调整，并通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

所述转接板组件由转接板(12)、转接板(12)为T形截面，转接板的翼板分别开有两个安装孔(10)，便于通过螺栓将转接板(12)安装于刚性支架柱的竖向滑槽(7)中；转接板的腹板边缘位置开有挂钩滑槽(11)，挂钩通过挂钩螺栓与预留孔(14)安装于挂钩滑槽(11)处；挂钩(15)用于和变电站内标准跨线端部所自带的拉环的连接。

所述滑轮支架系统的地锚滑轨与跨线支架系统的地锚滑轨相平行，二者间距为2m，在平整混凝土地面相应位置打孔，在孔中塞入膨胀式地锚螺栓并拧紧；滑轮支架柱数量与试验所需加载点数量一致。

所述定滑轮组件由定滑轮、轮轴杆、滑轮定位垫板构成，通过螺栓将滑轮定位垫板与刚性支架柱预留的竖向定位滑槽连接；滑轮位置通过竖向定位滑槽进行调整；牵引线夹预留有紧固螺栓孔与牵引孔(22)，紧固螺栓孔用于牵引线夹对导线实现夹紧，牵引孔用来连接钢丝拉索；钢丝拉索的截面直径为3cm，空心圆柱体砝码(25)的形状为空心圆柱体结构，内径为3.5cm。

通过牵引线夹螺丝及螺母将牵引线夹固定于导线指定位置，将钢丝拉索(26)一侧末端穿过牵引线夹的牵引孔后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，实现对导线的水平牵引；钢丝拉索通过定滑轮后，拉索轴线转为竖直方向；将钢丝拉索的另一侧穿过制定重量的砝码后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，可有效托起其上砝码。

一种应用于变电站跨线的可变荷载模拟试验方法的步骤为：

(1)挂架组装过程中，应将两个支架柱组件的钢制底座9预先分别滑入地锚滑轨(保证两卡位孔圆心连线与滑轨滑槽轴线为同一直线时滑入)；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。

(2)将螺栓穿过翼板安装孔，将转接板12安装于刚性支架柱6的竖向滑槽7中；将挂钩与标准跨线端部所自带的拉环相连接，再通过挂钩螺栓与预留孔14，安装挂钩于挂钩滑槽处。调整刚性支架柱在地锚滑轨上的相对位置(用以调整跨线的弧垂)，通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

(3)滑轮支架组装过程中，将与加载点的等数量的滑轮支架柱组件预先分别滑入地锚滑轨；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。注意保证滑轮支架系统的地锚滑轨与跨线支架系统的地锚滑轨相平行，二者间距约为2m左右。根据加载位置的不同，滑轮支架柱在地锚滑轨上的相对位置可通过滑动进行调整，并可通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

(4)通过螺栓将定滑轮组件的滑轮定位垫板与刚性支架柱预留的竖向定位滑槽连接起来。滑轮位置可根据试验情况，通过竖向定位滑槽进行调整。每个滑轮支架柱配套一个滑轮组；

(5)试验中，竖向载荷与导线所受覆冰载荷间的等效换算依据为：将跨线连线沿轴线方向顺序标记为n段，各分段编号分别为No.1、No.2……No.n,各分段长度分别为L1、L2……Ln，基于各分段编号与分段长度，将覆冰载荷等效为若干竖向集中载荷Pk1、Pk2……Pkn(各个竖向集中载荷的作用点应分别为No.1、No.2……No.n等各分段的中点位置，各滑轮组件同位置处均安装有激光位移传感器，以测量该位置处导线的竖向位移δy)。

(6)可将n个定滑轮组件分别安装于柱边指定位置(各滑轮组件的高度应分别为No.1、No.2……No.n等各分段的中点高度，各滑轮组件同位置处均安装有激光位移传感器，以测量该位置处导线的水平位移δx)。使用内径与导线直径相同的牵引线夹夹持导线，将螺栓穿过线夹预留的紧固螺栓孔实现牵引线夹21对导线的夹紧，将牵引线夹固定于导线指定位置；将钢丝拉索一侧末端穿过牵引线夹的牵引孔后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，实现对导线的水平牵引；钢丝拉索通过定滑轮后，拉索轴线转为竖直方向。(7)通过应变计和静态电阻应变仪观测导线相应位置的应变数据；采用激光位移传感器测量结构相应位置的偏移量，从而进一步计算导线摆角；电阻应变计粘贴于导线和金具表面，电阻应变计与静态电阻应变仪用于应变数据的测量与采集，从而结合材料属性，进一步计算测点处的应力值；风速风向自动采集系统自动采集并记录变电站实际工程所处地理位置的风速和风向角，并求取平均值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：保证变电站内线路能够在风、雪等恶劣环境下稳定的运行。

附图说明

图1为地锚滑轨的结构示意图。

图2为刚性支架柱的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为刚性支架柱底座的结构示意图。

图5为转接板的三视图。

图6为挂钩的结构示意图。

图7为图6的左视图。

图8为导线支架结构示意图。

图9为牵引线夹结构示意图。

图10为砝码结构示意图。

图11为钢丝拉索及拉索线夹结构示意图。

附图标记：

1-安装孔；2-滑槽；3-地锚滑轨；4-螺帽；5-膨胀式地锚螺栓；6-刚性支架柱；7-定位滑槽；8-卡位孔；9-钢制底座；10-安装孔；11-竖向滑槽；12-转接板腹板；13-转接板翼缘板；14-挂钩预留螺栓；15-挂钩；16-阵列孔；17-设备连线转接板安装孔；18-设备连线转接板腹板；19-设备连线转接板翼缘板；20-环形卡具；21-牵引棒；22-牵引孔；23-连接螺栓；24-牵引孔；25-砝码；26-钢丝拉索；27-拉索线夹；28-卡扣螺栓；29-螺帽。

具体实施方式

实施例1：风荷载作用下变电站跨线系统的力学响应

考虑在实际工程中，变电站跨线所受到的风载荷并不是集中载荷，而是分布载荷。本发明在实施过程中的步骤为：

第一步，挂架组装过程中，应将两个支架柱组件的钢制底座9预先分别滑入地锚滑轨(保证两卡位孔圆心连线与滑轨滑槽轴线为同一直线时滑入)；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。

将螺栓穿过翼板安装孔，将转接板12安装于刚性支架柱的竖向滑槽7中；将挂钩与标准跨线端部所自带的拉环相连接，再通过挂钩螺栓与预留孔14，安装挂钩于挂钩滑槽处。

调整刚性支架柱在地锚滑轨上的相对位置(用以调整跨线的弧垂)，通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

第二步，须将分布式风载荷转化为等效的若干集中载荷。根据伯努利方法得出的等效风压力的计算公式如下：

P

其中，P

试验中，水平集中载荷与导线所受风压力间的等效换算依据为：将跨线沿轴线方向顺序标记为n段，各分段编号分别为No.1、No.2……No.n,各分段长度分别为L1、L2……Ln，基于各分段编号与分段长度，根据公式(1)将分布式风载荷等效为若干水平集中载荷Pt1、Pt2……Ptn。可将n个定滑轮组件分别安装于柱边指定位置(各滑轮组件的高度应分别为No.1、No.2……No.n等各分段的中点高度，各滑轮组件同位置处均安装有激光位移传感器，以测量该位置处导线的水平位移δx)。

第三步，滑轮支架组装过程中，将与加载点的等数量的滑轮支架柱组件预先分别滑入地锚滑轨；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。注意保证滑轮支架系统的地锚滑轨与跨线支架系统的地锚滑轨相平行，二者间距约为2m左右。根据加载位置的不同，滑轮支架柱在地锚滑轨上的相对位置可通过滑动进行调整，并可通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

通过螺栓将定滑轮组件的滑轮定位垫板与刚性支架柱预留的竖向定位滑槽连接起来。滑轮位置可根据试验情况，通过竖向定位滑槽进行调整。每个滑轮支架柱配套一个滑轮组；使用内径与导线直径相同的牵引线夹夹持导线，将螺栓穿过线夹预留的紧固螺栓孔实现牵引线夹21对导线的夹紧，将牵引线夹固定于导线指定位置；将钢丝拉索一侧末端穿过牵引线夹的牵引孔后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，实现对导线的水平牵引；钢丝拉索通过定滑轮后，拉索轴线转为竖直方向。

砝码的吊挂方式为：将钢丝拉索的另一侧穿过制定重量的砝码(作为牵引质量以提供等效牵引力)后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，使其凌空托起其上砝码，其中各分段所对应的牵引质量的大小分别为

第四步，通过应变计和静态电阻应变仪观测导线相应位置的应变数据；采用激光位移传感器测量结构相应位置的偏移量，从而进一步计算导线摆角；电阻应变计粘贴于导线和金具表面，电阻应变计与静态电阻应变仪用于应变数据的测量与采集，从而结合材料属性，进一步计算测点处的应力值；风速风向自动采集系统自动采集并记录变电站实际工程所处地理位置的风速和风向角，并求取平均值。

实施例2

覆冰荷载作用下变电站跨线系统的力学响应

考虑在实际工程中，变电站跨线所受到的覆冰载荷并不是集中载荷，而是分布载荷。本发明在实施过程中的步骤为：

第一步，挂架组装过程中，应将两个支架柱组件的钢制底座9预先分别滑入地锚滑轨(保证两卡位孔圆心连线与滑轨滑槽轴线为同一直线时滑入)；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。

将螺栓穿过翼板安装孔，将转接板12安装于刚性支架柱的竖向滑槽7中；将挂钩与标准跨线端部所自带的拉环相连接，再通过挂钩螺栓与预留孔14，安装挂钩于挂钩滑槽处。

调整刚性支架柱在地锚滑轨上的相对位置(用以调整跨线的弧垂)，通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

第二步，滑轮支架组装过程中，将与加载点的等数量的滑轮支架柱组件预先分别滑入地锚滑轨；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。注意保证滑轮支架系统的地锚滑轨与跨线支架系统的地锚滑轨相平行，二者间距约为2m左右。根据加载位置的不同，滑轮支架柱在地锚滑轨上的相对位置可通过滑动进行调整，并可通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

通过螺栓将定滑轮组件的滑轮定位垫板与刚性支架柱预留的竖向定位滑槽连接起来。滑轮位置可根据试验情况，通过竖向定位滑槽进行调整。每个滑轮支架柱配套一个滑轮组；

第三步，须将分布式覆冰载荷转化为等效的若干集中载荷。

等效覆冰重量的计算公式如下：

P

其中，P

试验中，竖向载荷与导线所受覆冰载荷间的等效换算依据为：将跨线沿轴线方向顺序标记为n段，各分段编号分别为No.1、No.2……No.n,各分段长度分别为L1、L2……Ln，基于各分段编号与分段长度，根据公式(2)将覆冰载荷等效为若干竖向集中载荷Pk1、Pk2……Pkn(各个竖向集中载荷的作用点应分别为No.1、No.2……No.n等各分段的中点位置，各滑轮组件同位置处均安装有激光位移传感器，以测量该位置处导线的竖向位移δy)。

砝码的吊挂方式为：将钢丝拉索的另一侧穿过制定重量的砝码(作为牵引质量以提供等效牵引力)后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，使其凌空托起其上砝码，其中各分段所对应的砝码质量的大小分别为

第四步，通过应变计和静态电阻应变仪观测导线相应位置的应变数据；采用激光位移传感器测量结构相应位置的偏移量，从而进一步计算导线摆角；电阻应变计粘贴于导线和金具表面，电阻应变计与静态电阻应变仪用于应变数据的测量与采集，从而结合材料属性，进一步计算测点处的应力值；风速风向自动采集系统自动采集并记录变电站实际工程所处地理位置的风速和风向角，并求取平均值。

实施例3

风荷载与覆冰载荷耦合作用下变电站跨线系统的力学响应

考虑在实际工程中，变电站跨线所受到的风载荷与覆冰载荷并不是集中载荷，而是分布载荷。本发明在实施过程中的步骤为：

第一步，挂架组装过程中，应将两个支架柱组件的钢制底座9预先分别滑入地锚滑轨(保证两卡位孔圆心连线与滑轨滑槽轴线为同一直线时滑入)；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。

将螺栓穿过翼板安装孔，将转接板12安装于刚性支架柱的竖向滑槽7中；将挂钩与标准跨线端部所自带的拉环相连接，再通过挂钩螺栓与预留孔14，安装挂钩于挂钩滑槽处。

调整刚性支架柱在地锚滑轨上的相对位置(用以调整跨线的弧垂)，通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。

第二步，滑轮支架组装过程中，将与加载点的等数量的滑轮支架柱组件预先分别滑入地锚滑轨；在平整混凝土地面相应位置打孔；将膨胀螺栓穿过地锚滑轨的安装孔后塞入地面安装孔中，拧紧膨胀螺栓以固定地锚滑轨3，将地锚滑轨3安装于平整的混凝土地面。注意保证滑轮支架系统的地锚滑轨与跨线支架系统的地锚滑轨相平行，二者间距约为2m左右。根据加载位置的不同，滑轮支架柱在地锚滑轨上的相对位置可通过滑动进行调整，并可通过刚性支架柱底座卡位孔与卡位螺栓进行位置固定。通过螺栓将定滑轮组件的滑轮定位垫板与刚性支架柱预留的竖向定位滑槽连接起来。滑轮位置可根据试验情况，通过竖向定位滑槽进行调整。每个滑轮支架柱配套一个滑轮组。

第三步，须将分布式覆冰载荷转化为等效的若干竖向集中载荷。

(1)等效覆冰重量的计算公式如下：

P

其中，P

试验中，竖向载荷与导线所受覆冰载荷间的等效换算依据为：将跨线沿轴线方向顺序标记为n段，各分段编号分别为No.1、No.2……No.n,各分段长度分别为L1、L2……Ln，基于各分段编号与分段长度，根据公式(3)将覆冰载荷等效为若干竖向集中载荷Pk1、Pk2……Pkn(各个竖向集中载荷的作用点应分别为No.1、No.2……No.n等各分段的中点位置，各滑轮组件同位置处均安装有激光位移传感器，以测量该位置处导线的竖向位移δy)。

砝码的吊挂方式为：将钢丝拉索的另一侧穿过制定重量的砝码(作为牵引质量以提供等效牵引力)后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，使其凌空托起其上砝码，其中各分段所对应的砝码质量的大小分别为

(2)覆冰载荷下得出的等效风压力的计算公式如下：

P

其中，P

试验中，水平集中载荷与覆冰导线所受风载荷间的等效换算依据为：将跨线沿轴线方向顺序标记为n段，各分段编号分别为No.1、No.2……No.n,各分段长度分别为L1、L2……Ln，基于各分段编号与分段长度，根据公式(4)将分布式风载荷等效为若干集中载荷Pkt1、Pkt2……Pktn。

可将n个定滑轮组件分别安装于柱边指定位置(各滑轮组件的高度应分别为No.1、No.2……No.n等各分段的中点高度，各滑轮组件同位置处均安装有激光位移传感器，以测量该位置处导线的水平位移δx)。

砝码的吊挂方式为：将钢丝拉索的另一侧穿过制定重量的砝码(作为牵引质量以提供等效牵引力)后，将钢丝拉索末端弯曲并用拉索线夹固定成环状，使其凌空托起其上砝码，其中各分段所对应的牵引质量的大小分别为

第四步，通过应变计和静态电阻应变仪观测导线相应位置的应变数据；采用激光位移传感器测量结构相应位置的偏移量，从而进一步计算导线摆角；电阻应变计粘贴于导线和金具表面，电阻应变计与静态电阻应变仪用于应变数据的测量与采集，从而结合材料属性，进一步计算测点处的应力值；风速风向自动采集系统自动采集并记录变电站实际工程所处地理位置的风速和风向角，并求取平均值。