CN103514329A - 变电站避雷针塔安全性评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站避雷针塔安全性评定方法，包括步骤有：(1)将避雷针塔按高度方向平均分成四个部分，分别计算各部分的风载荷等效集中力；（2）获得各部分的等效集中力后，在有限元数值模拟软件中，建立避雷针杆的完整等效集中力模型；(3)确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位；(4)确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化；(5)分析避雷针杆的疲劳寿命。按照本发明方法不但可以有效防止重大隐患避雷针的继续服役，消除安全隐患，更重要的是可对正在服役的避雷针进行安全评估后，获得剩余寿命，避免塔的早期失效，此项技术如果在国内全面推广，每年将为国家节省数十亿资金。

Description

变电站避雷针塔安全性评定方法

技术领域

本发明属于电力系统在役变电站避雷针塔安全性评定技术领域，具体涉及一种变电站避雷针塔安全性评定方法。

背景技术

防止避雷针塔倾倒的有效方法是对长期服役的避雷针塔进行更换，但是一支避雷针塔的更换成本达百万元，而且目前国内长期服役的避雷针塔数量多达几十万支，对其全部更换所产生的费用数额巨大，盲目的更换更会造成资金资源的浪费。因此，迫切需要对这些已经长期服役避雷针塔进行安全性评估，确定是否可以继续服役。目前为止，针对避雷针塔还没有开发相应的监督检验规范，在避雷针塔的监督方面存在制度和技术空白。因此，开发变电站避雷针塔安全评定方法具有重大的理论意义和工程价值。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发。它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种变电站避雷针塔安全性评定方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种变电站避雷针塔安全性评定方法，包括步骤如下：

(1)将避雷针塔按高度方向平均分成四个部分，分别计算各部分的风载荷等效集中力；

（2）获得各部分的等效集中力后，在有限元数值模拟软件中，建立避雷针杆的完整等效集中力模型；

(3)确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位；

(4)确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化；

(5)分析避雷针杆的疲劳寿命。

而且，所述步骤(1)分别计算各部分的风载荷等效集中力的具体计算方法为：根据标准风压的计算公式：

$\mathrm{\ω}=\frac{r}{2g}{v}^2$

式中

为风压系数，v为风速，风载荷并不是垂直作用在避雷针杆上，但是由于偏差角度很小，将风载荷简化为垂直作用在避雷针上，任意高度a处的风压计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_a=\mathrm{\ω}{\left(\frac{a}{10}\right)}^{2\mathrm{\α}}$

式中ω为10m高度处的标准风压，α为地面粗糙度，

F=C_F·ω_a·A

式中C_F为风阻力系数，ω_a为任意位置处重点位置的风压。

而且，所述步骤(3)确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位的具体方法为：在ANSYS软件中，对模型进行网格划分、对避雷针杆添加约束与载荷，施加风载荷集中力作用，得到其在静载荷作用下的工作情况，从而确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位。

而且，所述步骤(4)确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化中的服役期为20年，是否发生了劣化的具体判定方法为：针对拆解下的服役20年的避雷针塔，分别在经验判断承受应力较大的部位和应力较小的部位截取钢材，进行金相对比、强度对比、韧性对比、疲劳性能对比试验，通过避雷针杆的完整等效集中力模型数据与服役20年的避雷针塔材料数据的对比，确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化。

而且，所述步骤(5)分析避雷针杆的疲劳寿命的具体方法是：使用Miner准则进行避雷针剩余寿命分析，变幅疲劳中各个应力幅Δσ_i所造成的损伤用

来定量表示，且可以线性叠加；

①首先计算避雷针塔在疲劳载荷下的损伤，经过模拟计算，得到避雷针塔最危险部位在一年之内的应力载荷谱，则构造细节在（Δσ_i，n_i）重复载荷作用下的每年的损伤度为：

$D_b=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}$

式中：n_i为应力幅Δσ_i的循环次数；Ni为按照应力幅Δσ_i进行常幅试验时，达到破坏的循环次数，当Db=1时，达到疲劳破坏；

②剩余疲劳寿命；

T_R=(N_C-∑n_i)/n_y

Nc相应于选定疲劳评定曲线产生疲劳破坏时的应力循环次数；∑n_i至今已产生的应力循环次数总和，低于疲劳极限的盈利循环次数不计；n_y为相应于Db的将来载荷等级引起的一年内产生的应力循环次数。

本发明的优点和积极效果是：

按照本发明方法进行评估可以对在役避雷针的使用寿命给出精确时间划定，不但可以有效防止重大隐患避雷针的继续服役，消除安全隐患，更重要的是可对正在服役的避雷针进行安全评估后，获得剩余寿命，避免塔的早期失效，此项技术如果在国内全面推广，每年将为国家节省数十亿资金。

具体实施方式

以下对本发明实施例做进一步详述，需要强调的是，以下实施方式是说明性的，而不是限定性的，不能以此实施方式作为对本发明的限定。

针对避雷针塔服役中的主要载荷为风载，使用有限元计算方法对避雷针塔开展受力分析，模拟避雷针塔在风载荷下的受力情况，确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位，针对拆解下的服役若干年的避雷针塔，分别在承受应力较大的部位和应力较小的部位截取钢材，进行金相对比、强度对比、韧性对比、疲劳性能对比等试验，通过前面两种材料的性能试验数据对比，确定钢材性能是否发生了劣化，并对性能劣化的塔材进行极剩余寿命评估。

一种变电站避雷针塔安全性评定方法，包括步骤如下：

(1)将避雷针塔按高度方向平均分成四个部分，分别计算各部分的风载荷等效集中力，根据标准风压的计算公式：

$\mathrm{\ω}=\frac{r}{2g}{v}^2$

式中

为风压系数，v为风速，风载荷并不是垂直作用在避雷针杆上，但是由于偏差角度很小，将风载荷简化为垂直作用在避雷针上，任意高度a处的风压计算公式为

${\mathrm{\ω}}_a=\mathrm{\ω}{\left(\frac{a}{10}\right)}^{2\mathrm{\α}}$

式中ω为10m高度处的标准风压；α为地面粗糙度，

F=C_F·ω_a·A

式中C_F为风阻力系数；ω_a为任意位置处重点位置的风压；

（2）获得各部分的等效集中力后，在有限元数值模拟软件中，建立避雷针杆的完整等效集中力模型；

(3)确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位；在ANSYS软件中，对模型进行网格划分、对避雷针杆添加约束与载荷，施加风载荷集中力作用，得到其在静载荷作用下的工作情况，从而确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位；

(4)确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化；针对拆解下的服役若干年的避雷针塔，分别在承受应力较大的部位和应力较小的部位截取钢材，进行金相对比、强度对比、韧性对比、疲劳性能对比试验，通过避雷针杆的完整等效集中力模型数据与服役若干年的避雷针塔材料数据的对比，确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化；在方法的具体实施中，取服役20年的钢材进行对比试验，因为服役20年的钢材最为接近服役期满，但普遍还没有达到必须更换的程度。

(5)分析避雷针杆的疲劳寿命；使用Miner准则进行避雷针剩余寿命分析，变幅疲劳中各个应力幅Δσi所造成的损伤用

来定量表示，且可以线性叠加；

①首先计算避雷针塔在疲劳载荷下的损伤，经过模拟计算，得到避雷针塔最危险部位在一年之内的应力载荷谱，则构造细节在（Δσ_i，n_i）重复载荷作用下的每年的损伤度为：

$D_b=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}$

式中：n_i为应力幅Δσ_i的循环次数；Ni为按照应力幅Δσ_i进行常幅试验时，达到破坏的循环次数，当Db=1时，达到疲劳破坏；

②剩余疲劳寿命；

T_R=(N_C-∑n_i)/n_y

Nc相应于选定疲劳评定曲线产生疲劳破坏时的应力循环次数；∑n_i至今已产生的应力循环次数总和，（低于疲劳极限的盈利循环次数不计）；n_y为相应于Db的将来载荷等级引起的一年内产生的应力循环次数。

Claims (5)

1.一种变电站避雷针塔安全性评定方法，其特征在于包括步骤如下：

(1)将避雷针塔按高度方向平均分成四个部分，分别计算各部分的风载荷等效集中力；

（2）获得各部分的等效集中力后，在有限元数值模拟软件中，建立避雷针杆的完整等效集中力模型；

(3)确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位；

(4)确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化；

(5)分析避雷针杆的疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的变电站避雷针塔安全性评定方法，其特征在于：所述步骤(1)分别计算各部分的风载荷等效集中力的具体计算方法为：根据标准风压的计算公式：

$\mathrm{\ω}=\frac{r}{2g}{v}^2$

式中

为风压系数，v为风速，风载荷并不是垂直作用在避雷针杆上，但是由于偏差角度很小，将风载荷简化为垂直作用在避雷针上，任意高度a处的风压计算公式为：

${\mathrm{\ω}}_a=\mathrm{\ω}{\left(\frac{a}{10}\right)}^{2\mathrm{\α}}$

式中ω为10m高度处的标准风压，α为地面粗糙度，

F=C_F·ω_a·A

式中C_F为风阻力系数，ω_a为任意位置处重点位置的风压。

3.根据权利要求1所述的变电站避雷针塔安全性评定方法，其特征在于：所述步骤(3)确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位的具体方法为：在ANSYS软件中，对模型进行网格划分、对避雷针杆添加约束与载荷，施加风载荷集中力作用，得到其在静载荷作用下的工作情况，从而确定避雷针塔结构中承受应力较大的部位和较小的部位。

4.根据权利要求1所述的变电站避雷针塔安全性评定方法，其特征在于：所述步骤(4)确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化中的服役期为20年，是否发生了劣化的具体判定方法为：针对拆解下的服役20年的避雷针塔，分别在经验判断承受应力较大的部位和应力较小的部位截取钢材，进行金相对比、强度对比、韧性对比、疲劳性能对比试验，通过避雷针杆的完整等效集中力模型数据与服役20年的避雷针塔材料数据的对比，确定服役若干年钢材性能是否发生了劣化。

5.根据权利要求1所述的变电站避雷针塔安全性评定方法，其特征在于：所述步骤(5)分析避雷针杆的疲劳寿命的具体方法是：使用Miner准则进行避雷针剩余寿命分析，变幅疲劳中各个应力幅Δσ_i所造成的损伤用

来定量表示，且可以线性叠加；

①首先计算避雷针塔在疲劳载荷下的损伤，经过模拟计算，得到避雷针塔最危险部位在一年之内的应力载荷谱，则构造细节在（Δσ_i，n_i）重复载荷作用下的每年的损伤度为：

$D_b=\underset{i=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{n_i}{N_i}$

式中：n_i为应力幅Δσ_i的循环次数；Ni为按照应力幅Δσ_i进行常幅试验时，达到破坏的循环次数，当Db=1时，达到疲劳破坏；

②剩余疲劳寿命；

T_R=(N_C-∑n_i)/n_y

Nc相应于选定疲劳评定曲线产生疲劳破坏时的应力循环次数；∑n_i至今已产生的应力循环次数总和，低于疲劳极限的盈利循环次数不计；n_y为相应于Db的将来载荷等级引起的一年内产生的应力循环次数。