Page 69 - 电力与能源2024年第二期

方 苏，等：基于 IPS 的二次电缆柔性线束运动仿真和试验对比 209

和媒介 。日常运维中发现，因线束设计和装配 1.2 IPS 线束仿真
［1］
不合理导致的线束故障时有发生，如各部件之间 IPS 全称为 Industrial Path Solution，是一个基
的运动包络存在干涉、安装和运维的预留空间狭 于先进的工程仿真算法。IPS 可以在考虑管线真
小、排线不合理以及可靠性低等问题，造成诸如二 实力学性能和重力条件下，通过对线束的建模及

次电缆外破、光纤弯折损坏、接线端子松脱、网口 仿真，实现柔性管线的布置、仿真验证及设计优
损坏等故障 ［2-3］ 。该类故障不仅数量多，而且类型 化 ［4-10］ 。通过高精度地模拟管线的空间变形、弯扭
复杂多样，大大降低了继电保护动作的可靠性，影 状态以及应力应变分布等，无论是静态、动态或是

响 了 电 网 运 行 的 稳 定 性 ，增 加 了 故 障 消 缺 的 工 装配工艺，都可以有效地给出管线布置相关的方
作量 ［2-5］ 。 案 ［11］ 。基于 IPS 的柔性管线运动仿真分析及优化
设计系统原理如图 1 所示。
变电站继电保护小室内的二次电缆线束，由
较多部件组成，包括线缆、光纤、网线、端子及插
件、支架、波纹管、热缩管、扎带等。目前继电保护

小室既存在单独走线的单根电缆，也存在多根电
缆、光纤和屏蔽线经捆扎和固定后形成的线束。
线束往往具有多个分支和复杂的拓扑结构，其端
部与继电器插件、端子排、航空插头等安装连接

器，形成线束组件。目前多分支线束的布局设计
是研究的难点和热点。为此，通过线束的优化减
少线束上的故障数量，将能有效减少二次、三次系
图 1 基于 IPS 的柔性管线运动仿真分析及优化设计系统原理
统故障的总数，有利于二次日常运检工作大有裨
益，对于提高电网的继电保护可靠性也具有十分 2 柔性管线的参数化建模

重要的现实意义。
2.1 理论基础
1 柔性线束 Cosserat Rod 理论认为线型模型的长度远远
大于横截面半径，建立弧长 s 相关的局部坐标系
线束是一种由一组电缆和连接器组成的电子
{d 1 ( s )，d 2 ( s )，d 3 ( s )}，曲线上某点的横截面坐标
组件，用于连接电子设备之间的电子系统。
为{d 1 ( s )，d 2 ( s )}，这个横截面的法向量为 d 3 ( s )。
1.1 传统的线束设计
Cosserat Rod 模 型 可 以 度 量 线 型 模 型 的 延 展
传统的线束设计，未考虑线束自身的真实材
（stretch）、剪切（shear）、弯曲（bend）和扭转（twist）
料特性、重力、空间环境等因素，在现场安装使用
4 种应变，模型如图 2 所示，其可以更加真实地模
过程中，经常造成线束堆叠卡滞、线束装配困难等
拟线型物体的物理运动，并且不严格要求空间曲
问题。同样，传统的线束设计方法无法考虑线束
线连续可微。
在运动过程中存在的各类动态风险（如干涉、拉
dr ( ) s
扯、过度扭曲、疲劳损伤等），但在现场安装和实际 定义 Γ ( s) = - d 3( s)。Γ ( s) 被用来计
ds
使用过程中，该类问题却屡屡出现，只能在现场不 dr ( ) s
算曲线的剪切和延展应变， 和d 3( s) 的方向
断调整设计线束排布方案，然后不断地进行实物 ds
验证，通过以上循环迭代的方法来调整设计，排除 和长度关系分别表示其剪切和延展应变。
故障。因此，该方法效率低下，可靠性低，有较大 用 6 维向量 q 构成欧几里得空间，3 维表示方
的优化提升空间。 向，3 维表示位置，可表示为