CN104268791B - 山地赋存环境中500kV高压输电线路的健康评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种山地赋存环境中500kV高压输电线路的健康评估方法，以存在地质隐患的500kV高压输电塔为研究核心，将输电线路地质隐患产生的内在因素描述为塔基承载力及塔基岩体质量评价的外在因素，以多因素联合控制理论描述各影响因素与塔基健康状态的关系；以山地地貌特征的变化表述为影响风振响应的重要因素，解决输电线路健康评估定量描述需要的风速、风振响应及风振系数；以精细化三维有限元模型模拟存在山地赋存环境中的高压输电塔体系，以塔基地质隐患及风荷载为主控因素，构建多因素协同控制的高压输电线路健康评价分析平台，确定输电线路健康状态的定量指标，提出山地赋存环境中高压输电线路健康评价方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种山地赋存环境中500kV高压输电线路的健康评估方法，尤其是对地形起伏较大且地质环境复杂的高压输电线路在不同荷载组合下的运行状态判断、力学响应及可靠性分析及健康状态评估方法。
背景技术
发展高压、超高压输电已成为各国电力供应的主要发展模式。为满足经济发展对能源的需求，我国提出了“西电东输”、“北电南送”的电力发展战略，而线路走廊所经之处常常具有自然条件及赋存环境复杂的特点。因此，极端自然灾害和复杂赋存环境下的输电线路安全是电网稳定运行的重要保证。近年来气候异常导致自然灾害及地质灾害频发，极易引起电网大面积停电风险。如作为西电东送的要道的500kV张恩双回线，跨越重庆及湖北两省，高压输电线路密集，线路走廊所经之处高山峻岭蜿蜒绵长，气候变化多端：渝东南暴雨多发生在7月～9月，暴雨强度绝大多数区县超过150mm，客观上提供了泥石流暴发的激发条件，形成破坏性的泥石流或滑坡，造成了多处塔基和杆塔破坏；鄂西南咸丰、恩施等山地，6月～8月降雨量为1300mm～2000mm，因暴雨导致的泥石流、滑坡灾害在6月～8月较高，占全年统计总数的84％，7月份最多，占43％。因此，如此自然条件及地质环境为高压输电线路的安全运行提出了严峻考验，进行输电线路在线监测及可靠性评价是解决该问题的重要思路，对评价输电线路的健康状态并进行线路安全预警具有重要的指导意义。
作为川渝电网与华中主网联络南通道的500kV张恩双回线始于重庆市彭水县的500kV张家坝站(张家坝村)，止于湖北省恩施州宣恩县的500kV恩施变电站(晓关镇)，线路总体走向由西向东，全长150.646公里(大部分同杆并架)。其线路走廊所涉及的地形以高山大岭和山地为主，其中丘陵占17％，山地占45％，高山大岭占38％，该地区岩层主要为泥岩、页岩、泥灰岩和灰岩等，且该地区属亚热带湿润季风气候区，强降雨极易诱发泥石流或滑坡等地质灾害，且在山地风的共同作用下，塔基及输电线路的安全均受到了严重威胁。因此，分析500kV张恩线全线的自然条件及赋存环境，建立各基杆塔的承载力模型、稳定性分析模型及健康评价模型，有助于了解各基输电杆塔的运行状态、力学响应、可靠性及健康状态。鉴于500kV张恩线跨越渝鄂两省，线路走廊复杂，进行细致的地勘调研及力学分析是准确评价输电塔可靠性和线路安全运行的基础，是高压输电线路健康评价模型建立的重要依据。因此，开展复杂山地赋存环境中输电塔健康状态评估的研究显得尤为重要。
为了更清晰地反映山地环境中高压输电线路在组合荷载下的力学响应及可靠性，为了提高输电线路塔线体系健康状态评估精度并给出加固策略的准确方案，有必要发明一种有效的方法从理论上确定并描述影响输电线路的控制因素，又能从技术上解决输电线路的力学响应分析、可靠性评价及健康诊断问题。
发明内容
本发明的目的在于提供能简单、直接、经济和有效的山地环境中高压输电线路健康评估方法，该方法能分析不同山地环境中的500kV高压输电线路的稳定性、风振响应、力学响应及可靠性，实现不同地形条件下的风振系数计算，提高山地环境中高压输电线路力学响应及可靠度分析的计算效率及精度，确保输电线路健康诊断及安全预警的准确性。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，1)测定高压输电塔所在位置的以下参数：
a)高压输电塔塔基赋存环境：非连续面(断层、节理及裂隙)、地下水和岩体强度参数，
b)高压输电塔下方基岩力学参数，
c)高压输电塔下方基岩质量分类，
d)高压输电塔基础类型，
e)高压输电塔基础尺寸，
f)高压输电塔所处位置地下水位，
g)高压输电塔所处位置地形起伏，
h)高压输电塔所处位置风速；
2)根据高压输电塔塔基赋存环境、高压输电塔下方基岩力学参数和高压输电塔下方基岩质量分类，建立塔基岩体质量的分级评分体系
根据高压输电塔基础类型、高压输电塔所处位置地下水位和高压输电塔下方基岩力学参数，建立塔基赋存环境的承载力分析体系；
3)根据所述高压输电塔所在位置的风速、风振响应及风振系数；得到所述高压输电塔所在位置的风荷载；
4)以精细化三维有限元模型模拟所述高压输电塔体系，以步骤2)确定的塔基地质隐患半定量模型和步骤3)确定的风荷载为主控因素，构建多因素协同控制的高压输电线路健康评价分析模型。
进一步，所述的地质隐患至少是表述不同赋存环境如地形地貌、塔基岩石类型及分布、水文地质条件、隐伏的岩溶洞穴造成滑坡、坍塌；所述地质隐患直接引起塔基的不均匀沉降及非稳定变位。
进一步，所述的随机风载至少是起伏较大且受制地形地貌中的山地风，研究风运动过程中的“加速效应”。
进一步，所述风振响应至少是表述山地地貌变化的山地风场，分析地形修正后的风振系数，模拟风速时程曲线，并通过时程法分析地形变化对加速度响应、位移响应及风振系数的影响规律。
进一步，步骤4中，以高压输电线路塔基沉降及风荷载为主要影响因子，考虑山地地貌及山地风场风振系数的变化，通过描述不同荷载组合下的输电塔力学响应，评估输电塔的承载能力，并建立输电塔力学响应数据库，计算高压输电塔的可靠度指标，建立山地赋存环境中高压输电线路的健康评价模型。
本发明采用理论分析及数值模拟相结合的分析方法，在理论和技术两个层面上有效解决了复杂山地环境中高压输电线路的健康评估问题，优化了荷载组合模式和数值建模，具有计算效率及精度均较高等突出优点。因此，本发明是一种直接反映山地环境对输电线路运行影响的分析方法，是进行复杂赋存环境下输电线路稳定性半定量评估、山地环境风荷载计算、力学响应及可靠性分析的方法，对山地赋存环境中的高压输电线路健康诊断及在线监测系统的开发提供新的研究思路，为电网安全运行及电力建设可持续发展产生显著的经济效益。
附图说明
图1为高压输电线路健康评估分析方法的流程图；
图2为高压输电线路计算模型图；
图3为高压输电线路塔基承载力图；
图4为高压输电塔所在位置的山峰示意图；
图5为山地赋存环境中的风振响应图；
图6为风振响应随高度的变化图；
图7为输电塔分段风振系数图；
图8为不同风向角的塔顶位移变化、主要构件可靠度及失效模式图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种山地赋存环境中的500kV高压输电线路健康评估方法，
以山地赋存环境中的高压输电线路为评估对象；所述高压输电线路包括若干个建立在存在地质隐患的山地环境中的高压输电塔；影响输电线路健康状态的因素为所述高压输电塔所在位置的地质隐患和风荷载；所述高压输电塔所在位置的地质隐患导致塔基变形和山地环境引起风场变异；
1)测定高压输电塔所在位置的以下参数：
a)高压输电塔塔基赋存环境：非连续面(断层、节理及裂隙)、地下水和岩体强度参数，
b)高压输电塔下方基岩力学参数，
c)高压输电塔下方基岩质量分类，
d)高压输电塔基础类型，
e)高压输电塔基础尺寸，
f)高压输电塔所处位置地下水位，
g)高压输电塔所处位置地形起伏，
h)高压输电塔所处位置风速；
2)根据高压输电塔塔基赋存环境、高压输电塔下方基岩力学参数和高压输电塔下方基岩质量分类，建立塔基岩体质量的分级评分体系(塔基岩体稳定性)。具体地，是根据表1和表2的高压输电塔塔基赋存环境，表3的高压输电塔下方基岩力学参数，以及表4的高压输电塔下方基岩质量分类进行评分，得到塔基岩体稳定性的半定量模型。
表1：非连续面(断层、节理表及裂隙)分类评分
表2：非连续面条件细化评分
表3：岩体强度分类评分
表4：塔基岩体质量的分级评分
| 评分值 | 100～81 | 80～61 | 60～41 | 40～21 | <20 |
| 分类类别 | 一级 | 二级 | 三级 | 四级 | 5级 |
| 描述 | 很好 | 好 | 一般 | 差 | 很差 |
根据高压输电塔基础类型、高压输电塔所处位置地下水位和高压输电塔下方基岩力学参数，建立塔基赋存环境的承载力分析体系。具体地，是根据表6的高压输电塔基础类型，表5的高压输电塔所处位置地下水位，以及表3的高压输电塔下方基岩力学参数，构建塔基承载力分析的半定量模型。
表5：地下水赋存条件评分
表6：基础类型及尺寸
无地下水时，其承载力计算如下：
zmax＝0的临塑荷载：Pcr＝cNc+qNq
zmax＝b/4的临界荷载：P1/4＝cNc+qNq+γbN1/4
zmax＝b/3的临界荷载：P1/3＝cNc+qNq+γbN1/3
针对输电线路采用的圆形基础，其极限承载力：
整体剪切破坏：Pu＝1.2cNc'+qNq'+0.6γbNγ'
局部剪切破坏：Pu＝0.8cNc1'+qNq1'+0.6γbNγ1'
式中：zmax为塑性区最大深度，b为基础宽度，为介质粘聚力及内摩擦角，q为基础上的超载，
当考虑地下水时，各项承载力中的容重采用浮容重γ′，粘聚力及内摩擦角需采用地下水作用后的实际勘测代入到以上承载力计算公式中，得到考虑地下水影响下的基础承载力。基础的安全系数K＝2-3表示塔基相对安全，K<2则塔基不安全。
参见图2，上述描述的塔基赋存环境评价，主要通过塔基岩体质量的分级评分体系，影响因子包括岩体抗压强度、地下水和裂隙开度，根据岩体分级确定每个影响因子的分数，计算不同因子组合下的岩体质量分数，进行塔基承载力计算，评估塔基赋存环境的安全性。如图(a)、(b)的评分大于40，则塔基基岩赋存环境较好，图(c)的承载力大于2.5，则说明塔基承载力足够大，联合两个评价系统，确定当前地质环境中的高压输电线路健康状态良好。
3)根据所述高压输电塔所在位置的风速、风振响应及风振系数；得到所述高压输电塔所在位置的风荷载；
实施例中，风振响应是基于ansys建立的数值模型来计算的结果，风振系数是根据已有的规范进行修改的。
风压修正系数为：
式中：tanα为山峰或山坡迎风面一侧的坡度，大于0.3时均取值为0.3；k的取值与山的相对位置相关，对山峰取0.32，山坡取1.4；z为建筑物的计算位置离地面的高度，大于2.5H时取2.5H。对山峰或山坡的其他位置，风压修正系数取为1，其他位置根据线性插值确定。
风振系数为：
式中：为顺风向平均风荷载；为动力风荷载。
顺风向平均风荷载为：式中：ρ为空气密度；v(z)为计算节点的风速；μs为体型系数，角钢塔可取1.3；As为节点顺风向的挡风面积。
由于杆塔为高耸结构，以一阶振型为主的可取为第一阶风振惯性力峰值，则可表示为：
式中：g为峰值因子，取2.5；m(z)和σa(z)分别为输电塔计算节点的质量和加速度均方根值。
即可得到杆塔节点的等效风荷载：
式中：w为随机风压
参见图3，实施例中，描述的山地赋存环境中的输电塔耦合体系，可以建立包含输电线路及输电塔的三维有限元模型，作为输电线路力学响应及可靠度计算的基本模型。
参见图4，上述描述的山地环境对风荷载的影响，考虑了复杂山地环境下典型地形对近地风场的影响，基于准定常假设，利用频域方法，计算地形变化对高压输电塔风振响应的影响，包含存在典型塔所在位置的山峰示意图(图(a))、地形修正(图(b))及修正后的风剖面图((c))。
参见图5，上述描述的山地环境对风荷载的影响，主要利用谐波合成法，模拟风速时程曲线，如典型杆塔所在位置的风场为B类地貌，地面粗糙度指数0.16，时间步长0.125s，总时长512s，截止频率4Hz，风速谱采用Davenport谱，相干函数采用Davenport给出的纵向风速相干函数，给出风速曲线(图(a))及湍流度对比曲线(图(b))。
参见图6，上述描述的风振响应，得到典型输电塔在特性条件下的加速度响应均方根值、位移响应均质及均方根值随着高度及风速的变化规律，如图(a)所示的随杆塔高度变化规律，表明修正后的位移均值响应增大。
参见图7，上述描述的风振系数，描述了地形变化改变后的杆塔分段风振系数，阐明在风荷载作用下，导线对塔体局部位置的风振系数影响较大。
参见图8，上述描述的风振系数，计算了风振系数随着高度及风速的变化规律，对于本发明考虑的典型山地环境，考虑地形修正后的风振系数略有降低，主要是地形修正后的平均风速增大10％，而脉动成分引起振动的均方根值增大不明显，风振系数略有降低。
4)以精细化三维有限元模型模拟所述高压输电塔体系，以步骤2)确定的塔基地质隐患半定量模型(塔基岩体质量评分及塔基承载力分析)和步骤3)确定的风荷载为主控因素，构建多因素协同控制的高压输电线路健康评价分析模型(实施例中，该模型是以ansys为基础建立的模型，ansys软件是通用的有限元软件)。本实施例中，考虑典型地质环境下的输电杆塔，考虑不同塔基变形及地形影响的风载组合工况，计算不同组合下的输电塔位移变化、杆塔主要杆件的可靠度及失效模式，阐明该输电塔的局部是否需加固、健康状态是否欠佳。
Claims (4)
1.一种山地赋存环境中的500kV高压输电线路健康评估方法，其特征在于：
以山地赋存环境中的高压输电线路为评估对象；所述高压输电线路包括若干个建立在存在地质隐患的山地环境中的高压输电塔；影响输电线路健康状态的因素为所述高压输电塔所在位置的地质隐患和风荷载；所述高压输电塔所在位置的地质隐患导致塔基变形和山地环境引起风场变异；
评估过程包括以下步骤：
1）测定高压输电塔所在位置的以下参数：
a）高压输电塔塔基赋存环境：非连续面、地下水和岩体强度参数，
b）高压输电塔下方基岩力学参数，
c）高压输电塔下方基岩质量分类，
d）高压输电塔基础类型，
e）高压输电塔基础尺寸，
f）高压输电塔所处位置地下水位，
g）高压输电塔所处位置地形起伏，
h）高压输电塔所处位置风速；
2）根据高压输电塔塔基赋存环境、高压输电塔下方基岩力学参数和高压输电塔下方基岩质量分类，建立塔基岩体质量的分级评分体系,得到塔基岩体稳定性的半定量模型；
根据高压输电塔基础类型、高压输电塔所处位置地下水位和高压输电塔下方基岩力学参数，建立塔基赋存环境的承载力分析体系,得到塔基承载力分析的半定量模型；
3）根据所述高压输电塔所在位置的风速、风振响应及风振系数；得到所述高压输电塔所在位置的风荷载；
4）以精细化三维有限元模型模拟所述高压输电塔体系，以步骤2）确定的塔基岩体稳定性的半定量模型、塔基承载力分析的半定量模型和步骤3）确定的风荷载为主控因素，构建多因素协同控制的高压输电线路健康评价分析模型；
根据典型地质环境下的输电杆塔，根据不同塔基变形及地形影响的风载组合工况，计算不同组合下的输电塔位移变化、杆塔主要杆件的可靠度及失效模式，确定该输电塔的局部是否需加固、健康状态是否欠佳。
2.根据权利要求1所述的一种山地赋存环境中的500kV高压输电线路健康评估方法，其特征在于：所述的地质隐患至少是表述地形地貌、塔基岩石类型及分布、水文地质条件、隐伏的岩溶洞穴造成滑坡、坍塌；所述地质隐患直接引起塔基的不均匀沉降及非稳定变位。
3.根据权利要求1所述的一种山地赋存环境中的500kV高压输电线路健康评估方法，其特征在于：所述风振响应至少是表述山地地貌变化的山地风场，分析地形修正后的风振系数，模拟风速时程曲线，并通过时程法分析地形变化对加速度响应、位移响应及风振系数的影响规律。
4.根据权利要求1所述的一种山地赋存环境中的500kV高压输电线路健康评估方法，其特征在于：步骤4中，以高压输电线路塔基沉降及风荷载为主要影响因子，考虑山地地貌及山地风场风振系数的变化，通过描述不同荷载组合下的输电塔力学响应，评估输电塔的承载能力，并建立输电塔力学响应数据库，计算高压输电塔的可靠度指标，建立山地赋存环境中高压输电线路的健康评价分析模型。
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