CN102930103A - 一种基于有限元力学分析的杆塔薄弱构件定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有限元力学分析的杆塔薄弱构件定位方法，属于输电线路防灾减灾在线监测领域，本发明方法包括步骤：根据杆塔结构建立杆塔三维仿真模型；应用正交试验法选取荷载集；模拟杆塔在运行中所有可能的力学荷载，并进行有限元力学求解；根据求得的每种荷载组合下的仿真结果获取杆塔构件的轴向应力比值；根据轴向应力比值的大小选取薄弱构件。采用本发明可对杆塔薄弱构件进行准确定位，本发明方法可用于输电线路防冰灾在线监测，能直接对杆塔构件的失效进行有效预警。

Description

一种基于有限元力学分析的杆塔薄弱构件定位方法

技术领域

本发明属于输电线路防灾减灾在线监测技术，尤其涉及一种杆塔薄弱构件定位方法。

背景技术

输电线路是电力系统中不可或缺的重要组成部分，承担着电能传输的重任。然而冬季杆塔及导线、地线覆冰的出现，以及由此产生的倒塔事故，对输电线路安全稳定运行构成了威胁，所以输电线路防冰灾在线监测技术亟待完善。目前国内外常用的输电线路防冰灾在线监测技术主要包括输电线路视频监测系统、覆冰在线监测系统、杆塔倾斜在线监测系统及杆塔不平衡张力在线监测。

输电线路视频监控系统是目前较为简单、有效的监控手段，对输电线路及周边环境进行全天候监控，可使特殊区段受微气象和地理环境影响的输电线路运行于可视可控之中。该系统通过无线方式采集输电线路现场的视频图像或图片，实现对输电线路各组成部分工作状态及周边情况的全天候全方位监测。覆冰在线监测系统通过监测导线悬挂荷载、绝缘子风偏角、风速、风向等，建立覆冰荷载计算模型，从而得出单位长度导线的覆冰重量、等值覆冰厚度、以及导线不平衡张力差，为运行单位提供及时预警信息。杆塔倾斜在线监测系统通过监测杆塔顺线倾斜度、横向倾斜度、基础滑移等数据，结合线路设计参数给出杆塔倾斜的预警信息，通过预警信息使运行部门及时掌握杆塔安全运行情况，减少因杆塔倾斜而引发的事故。杆塔不平衡张力在线监测系统通过在绝缘子和杆塔之间安装传感器，来测量杆塔所受不平衡张力的大小和方向，为输电线路防冰灾提供一定的预警信息。

上述四种现有技术主要是针对输电线路导线、地线及杆塔整体运行工况的监测，是对输电线路状态的一种间接监测，不能直接对输电线路中杆塔构件失效进行预警，容易对冰灾作出不准确的判断，从而造成对防冰灾工作的错误决策。对以往冰灾案例进行分析发现，覆冰产生的杆塔倒塌大多是由于杆塔上的某些薄弱构件发生断裂现象，导致杆塔结构失稳，因此杆塔的薄弱构件才是输电线路冰灾发生的源头，所以对输电线路杆塔的构件进行监测才是一种更有效的防冰灾方式。但是杆塔上往往有上千个构件，如果在每一根构件上都安装应力监测装置，不仅难以实现，而且成本将会非常高昂。为了降低成本，需要一种定位杆塔薄弱构件的方法。

发明内容

为了解决现有技术中不能直接对输电线路中杆塔构件失效进行预警的问题，本发明提成了一种基于有限元力学分析的杆塔薄弱构件定位方法，该方法通过准确定位杆塔薄弱构建的位置，可从源头上解决输电线路薄弱环节的监测问题。本发明方法可用于输电线路防冰灾在线监测，能实现直接对输电线路杆塔构件失效进行有效预警。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于有限元力学分析的杆塔薄弱构件定位方法，包括步骤：

步骤一，根据杆塔实际结构构建杆塔三维仿真模型；

步骤二，选取由导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载随机组合得到的荷载集，即所述的荷载集由多组导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载组合构成，每一组导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载表示一种杆塔荷载情况；所述的导线绝缘子悬挂处荷载为前后两档导线自身重力及其上覆冰在导线绝缘子悬挂处产生的集中荷载，所述的地线悬挂处荷载为前后两档地线自身重力及其上覆冰在地线悬挂处产生的集中荷载；

步骤三，根据荷载集不同的荷载情况分别对杆塔的导线绝缘子悬挂处和地线悬挂处施加荷载来模拟杆塔不同荷载情况下的受力情况，对各构件进行有限元力学分析获取不同荷载情况下各构件的轴向应力比值，所述的构件的轴向应力比值为构件的轴向应力值与其屈服极限的比值；

步骤四，根据构件在不同荷载情况下的轴向应力比值判断各构件的薄弱程度，从而实现对薄弱构件的定位。

上述步骤一中所述的杆塔三维仿真模型是按照1：1的尺寸比例构建的，该杆塔三维仿真模型可以是采用有限元法构建的杆塔三维有限元模型。

上述步骤二中所述的荷载集是根据实际荷载情况和正交试验法选取的荷载集。

由于在实际冰灾发生时，杆塔塔脚被认为是始终不动的，所以在步骤三之前还有对杆塔模型中塔脚施加约束条件的步骤，所述的约束条件是使塔脚所有的自由度值为0，所述的所有的自由度包括三个平动自由度和三个转动自由度。

上述步骤四具体为：

获取每种荷载情况下轴向应力比值最大的构件，统计上述轴向应力比值最大的构件出现的次数，根据轴向应力比值最大的构件出现的次数从上述轴向应力比值最大的构件中选出薄弱构件。

所述的根据轴向应力比值最大的构件出现的次数从上述轴向应力比值最大的构件中选出薄弱构件可以采用如下方法：

将出现次数大于某预设次数的轴向应力比值最大的构件选为薄弱构件，所述的预设次数为经验值；

或，将出现次数最多的N个轴向应力比值最大的构件选为薄弱构件，所述的N根据经验选定。

基于上述杆塔薄弱构件定位方法，本发明还提成了一种输电线路防冰灾在线监测方法，包括步骤：在采用上述杆塔薄弱构件定位方法定位的薄弱构件作为防冰灾监测对象进行在线监测，具体可在薄弱构件上按照应力监测装置来实施在线监测。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明方法利用有限元力学分析方法，通过力学仿真和统计分析，准确得到杆塔薄弱构件的精确位置。将本发明方法用于输电线路防冰灾在线监测，通过监测杆塔薄弱构件的应力变化来直观获取输电线路薄弱环节的运行状态，从而可实现直接对杆塔构件失效进行有效预警。

2、将本发明方法用于输电线路防冰灾在线监测，通过监测杆塔薄弱构件的应力变化来直观获取输电线路薄弱环节的运行状态，所获取的输电线路薄弱环节的运行状态可作为线路运营部门的线路技术改造的依据，也可以为设计部门的设计工作提供一定的参考。

3、本发明方法适用于220kV、330kV、500kV及750kV单回输电线路杆塔、同塔双回输电线路杆塔及同塔四回输电线路杆塔；也适用于220kV、330kV、500kV及750kV单回输电线路杆塔、同塔双回输电线路杆塔及同塔四回输电线路杆塔。

4、本发明方法成本低廉。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为同塔双回杆塔的三维有限元模型的建模示意图；

图3为对图2（c）的杆塔模型中塔脚施加约束条件的示意图；

图4为图2（c）的杆塔模型中地线悬挂处示意图；

图5为图2（c）的杆塔模型中导线绝缘子悬挂处示意图；

图6为图4中地线悬挂处所施加的力荷载分解变量示意图；

图7为图2（c）的杆塔模型在某荷载条件下的构件轴向应力云图。

具体实施方式

本发明方法可概括为三个阶段：前置处理、有限元力学分析和后置处理。前置处理即构建杆塔三维仿真模型；有限元力学分析包括模拟实际工况为杆塔模型中的导线绝缘子悬挂处和地线悬挂处施加力学荷载并对杆塔构件进行有限元力学分析；后置处理包括根据构件的有限元力学分析结构获得构件的轴向应力比值，并根据构件的轴向应力比值定位薄弱构件。

下面将以500kV同塔双回杆塔的薄弱构件定位为例来进一步说明本发明方法。

图2所示为某500kV同塔双回杆塔的三维有限元模型建模示意图。首先，根据杆塔的实际情况来预定义各种不同材料属性和横截面的构件，以满足对杆塔进行按1:1尺寸比例建模的需要；由于整个同塔双回杆塔自身是一个左右和前后都对称的结构体，为了提高建模效率，可先根据杆塔实际结构建立四分之一杆塔的三维有限元模型，然后对已建立的四分之一杆塔模型经前后和左右镜像从而得到完整的同塔双回塔的三维有限元模型。

图3为对图2（c）中杆塔模型塔脚施加约束条件的示意图。考虑到实际冰灾发生时，杆塔的破坏主要表现为杆塔的折断及倒塌，而不会出现整塔的移动及旋转，即可以认为塔脚是始终不动的，所以在建模完成后要对杆塔的四个塔脚处节点施加约束条件，约束其所有的自由度，即使得其所有的自由度值为0，这里所有的自由度包括三个平动自由度和三个转动自由度。

图4和图5示出了图2（c）的杆塔模型中地线悬挂处和导线绝缘子悬挂处，图4中的黑点表示图2（c）的杆塔模型中地线悬挂处，图5中的黑点表示图2（c）的杆塔模型中导线绝缘子悬挂处。完成杆塔模型建模并对杆塔模型塔脚施加约束条件后，对杆塔模型中地线悬挂处和导线绝缘子悬挂处施加荷载模拟杆塔的受力，并对杆塔进行受力分析。由于冰灾中的倒塔主要是杆塔前后档距导线、地线对杆塔的不平衡张力引起的，单纯杆塔上自身的覆冰并不会对杆塔的稳定性造成危害，所以在施加荷载时可以忽略杆塔自身的覆冰荷载，只需考虑导线、地线及其上面的覆冰对杆塔的荷载即可。导线绝缘子及地线悬挂点处的荷载值分别是其前档距与后档距荷载值的矢量和，对于单回三相导线来说由于其气候条件可以认为是一样的，所以其荷载值是一样的，即三个导线绝缘子挂点的荷载值是一样的。同理，对于地线来说，其两个地线挂点的荷载值也是一样的。但是由于导线覆冰厚度和地线覆冰厚度通常是不一样的，且导线和地线的型号也不同，所以导线和地线的荷载值是不一样的。综上所述，给杆塔施加的荷载包括导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载，这里的导线绝缘子悬挂处荷载包括导线自身和导线上覆冰对杆塔施加的荷载，地线悬挂处荷载包括地线自身和地线上覆冰对杆塔施加的荷载。

本具体实施中一共采用6个独立的变量表示导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载：导线绝缘子悬挂处合力的大小f_1，合力的水平方向角x，合力的竖直方向角y；地线悬挂处合力的大小f_2，合力的水平方向角a，合力的竖直方向角b。

以地线悬挂处荷载F为例，其变量f_1、x和y之间的关系如图6所示，其中坐标轴z轴表示沿线路方向，x轴表示垂直线路方向，y轴表示杆塔的竖直方向。

地线悬挂处荷载沿x方向加载力大小fx_2为：

fx_2＝f_2*sin(b)cos(a)；

地线悬挂处荷载沿y方向加载力大小fy_2为：

fy_2＝-f_2*cos(b)；地线悬挂处荷载沿z方向加载力大小fz_2为：

fz_2＝f_2*sin(b)sin(a)。

对于导线绝缘子悬挂处的荷载依理有同样的关系：

导线绝缘子悬挂处荷载沿x方向加载力的大小fx_1：

fx_1＝f_1*sin(y)cos(x)

导线绝缘子悬挂处荷载沿y方向加载力的大小fy_1：

fy_1＝-f_1*cos(y)

导线绝缘子悬挂处荷载沿z方向加载力的大小fz_1：

fz_1＝f_1*sin(y)sin(x)。

杆塔有限元模型的荷载和约束条件分别施加上去之后，就可以根据地线悬挂处和导线绝缘子悬挂处的荷载对杆塔中各构件的受力进行有限元力学分析得到杆塔模型中各构件的轴向应力值及其屈服极限，构件的轴向应力值与其屈服极限的比值记为构件的轴向应力比值，该轴向应力比值可以直观的反映出来构件的危险程度，轴向应力比值越大，构件越薄弱，危险程度也越高。按构件的轴向应力比值大小将构件进行排序，即可获得构件危险程度的排序。

图7为图2（c）中杆塔模型在某荷载条件下的构件轴向应力云图，也就是杆塔模型在该荷载条件下的薄弱构件示意图。图7所示的只是某种荷载条件下的杆塔薄弱构件，作为在线监测的对象并不可靠。为了得到可靠的在线监测对象，要给图2（c）中同塔双回杆塔施加不同的荷载条件，即施加不同的导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载组合。可将上述与导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载相关的6个变量在一定数值范围内随机组合。为了使得施加的荷载集能够代表实际运行的各种工况，特采用正交试验法来选定荷载集。采用正交试验法选定荷载集即为一个生成荷载正交表的过程，荷载正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面实验的某些要求，所以，正交试验法获取的荷载集更全面更科学。

本实施例中采用6因素7水平正交表来选择荷载集。将与导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载相关的6个变量作为6因素，共有49组荷载组合；其中f_1和f_2两因素的7个水平选择10000N、20000N、30000N、40000N、50000N、60000N、70000N，以反映杆塔导线绝缘子悬挂点和地线悬挂点在不同冰厚下的荷载大小；考虑到导线及地线的风偏角在重负冰及无冰情况下通常都不会超过15°，a和x两因素的7个水平选择0°、3°、6°、9°、12°、15°、18°；考虑到重负冰及无冰情况导线绝缘子悬挂点和地线悬挂点荷载的方向，b和y两因素的7个水平选择30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°。在上述所选的49组荷载组合下分别对杆塔各构件进行有限元力学分析以获取杆塔模型中各构件的轴向应力值及其屈服极限，将构件的轴向应力值与其屈服极限做比值则得到构件的轴向应力比值，按轴向应力比值从大至小对构件进行排序。统计在49组荷载组合下轴向应力比值最大的构件，从这些构件中选择出现次数最多的10个构件作为杆塔的薄弱构件，所选出的薄弱构建的单元编号分别是86(48次)、1138(48次)、1151(34次)、1676(32次)、99(28次)、624(24次)、1130(20次)、1088(17次)、36(17次)、156(15次)，见图7。在所选择的薄弱构件上安装应力监测装置作为在线监测的对象，就可以很好的反映输电线路薄弱环节的工作状态，为输电线路防冰灾预警提供最直观的信息。

Claims (10)

1.一种基于有限元力学分析的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，根据杆塔实际结构构建杆塔三维仿真模型；

步骤二，选取由导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载随机组合得到的荷载集，即所述的荷载集由多组导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载组合构成，每一组导线绝缘子悬挂处荷载和地线悬挂处荷载表示一种杆塔荷载情况；所述的导线绝缘子悬挂处荷载为前后两档导线自身重力及其上覆冰在导线绝缘子悬挂处产生的集中荷载，所述的地线悬挂处荷载为前后两档地线自身重力及其上覆冰在地线悬挂处产生的集中荷载；

步骤三，根据荷载集不同的荷载情况分别对杆塔的导线绝缘子悬挂处和地线悬挂处施加荷载来模拟杆塔不同荷载情况下的受力情况，对各构件进行有限元力学分析获取不同荷载情况下各构件的轴向应力比值，所述的构件的轴向应力比值为构件的轴向应力值与其屈服极限的比值；

步骤四，根据构件在不同荷载情况下的轴向应力比值判断各构件的薄弱程度，从而实现对薄弱构件的定位。

2.如权利要求1所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

所述的杆塔三维仿真模型是按照1：1的尺寸比例构建。

3.如权利要求1或2所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

所述的杆塔三维仿真模型是采用有限元法构建的杆塔三维有限元模型。

4.如权利要求1或2所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

所述的荷载集是采用正交试验法选取。

5.如权利要求1或2所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

在步骤三之前还有对杆塔模型中塔脚施加约束条件的步骤，所述的约束条件是使塔脚所有的自由度值为0。

6.如权利要求1或2所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

步骤四具体为：

获取每种荷载情况下轴向应力比值最大的构件，统计上述轴向应力比值最大的构件出现的次数，根据轴向应力比值最大的构件出现的次数从上述轴向应力比值最大的构件中选出薄弱构件。

7.如权利要求6所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

所述的根据轴向应力比值最大的构件出现的次数从上述轴向应力比值最大的构件中选出薄弱构件具体为：

将出现次数大于某预设次数的轴向应力比值最大的构件选为薄弱构件，所述的预设次数为经验值。

8.如权利要求7所述的杆塔薄弱构件定位方法，其特征在于：

所述的根据轴向应力比值最大的构件出现的次数从上述轴向应力比值最大的构件中选出薄弱构件具体为：

将出现次数最多的N个轴向应力比值最大的构件选为薄弱构件，所述的N根据经验选定。

9.一种输电线路防冰灾在线监测方法，其特征在于：

将权利要求1~7中所获得的薄弱构件作为监测对象实施在线监测。

10.如权利要求9所述的输电线路防冰灾在线监测方法，其特征在于：

在所述的薄弱构件上安装应力监测装置来实施在线监测。

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