CN105468876A - 一种实时在线评估输电塔安全状态的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种实时在线评估输电塔安全状态的方法及其系统，包括：利用安装于输电塔上的检测仪表采集风速、风向、导线覆冰厚度与温度信息并传递给分部处理器；利用分部处理器建立输电塔线塔耦合体系有限元模型；将采集的信息加载到步骤2中所建立的输电塔线塔耦合体系有限元模型中；利用分部处理器中的计算模块，根据步骤3得到输电线路整体结构受力情况，并提取分析对点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性以及轴向力；分部处理器将步骤四的提取分析结果通过无线网络传递给总部处理器。它能够通过对输电塔结构状态的监控与评估，在输电线路在特殊气候或线路运行状况严重异常时触发预警信号，为输电线路安全运行修与管理决策提供依据和指导。

Description

一种实时在线评估输电塔安全状态的方法及其系统

技术领域

本发明涉及输电线设备维护领域，尤其涉及一种实时在线评估输电塔安全状态的方法及其系统。

背景技术

输电铁塔是架空输电线路的重要组成部分，起着支撑导线、地线及其他附件的作用。近年来国家电网装机容量、电压等级不断提高，输电铁塔朝着高耸、大跨越及特高压方向快速发展。对铁塔可靠性、经济性提出了更高的要求。但是，目前使用时间较长的输电塔在目前国内输电网络中占相当的比重，随着服役年限的增长，由于环境、气候等自然因素的作用和人为事故等因素，不少输电塔已出现严重的结构强度下降的情况，输电铁塔一旦遭受破坏，将直接影响到整个电力系统的正常运行,不仅造成巨大的经济损失，甚至引起整个供电系统的瘫痪。而建造和维护大规模输电线路需要耗费大量的人力、物力和财力，滞后于输电线路建设与发展的综合监测及评估手段使管理层和决策层无法对其整体使用性能做出客观准确的评估，因此也无法采用低成本、高效益的维修养护方法。

在这种形势下，建立与之相适应相匹配的桥梁综合监测与评估系统成为桥梁界研究的热点之一，具有极为重要的意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种时在线评估输电塔安全状态的方法，它能够通过对输电塔结构状态的监控与评估，在输电线路在特殊气候或线路运行状况严重异常时触发预警信号，为输电线路安全运行修与管理决策提供依据和指导。

为了实现上述目的，本发明采用的方案是：

一种实时在线评估输电塔安全状态的方法，包括：

步骤1、利用安装于输电塔上的检测仪表采集风速、风向、导线覆冰厚度与温度信息并传递给分部处理器；

步骤2、利用分部处理器建立输电塔线塔耦合体系有限元模型；

步骤3、将步骤1采集的信息加载到步骤2中所建立的输电塔线塔耦合体系有限元模型中；

步骤4、利用分部处理器中的计算模块，根据步骤3得到输电线路整体结构受力情况，并提取分析对点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性以及轴向力；

步骤5、分部处理器将步骤四的提取分析结果通过无线网络传递给总部处理器。

所述步骤1中检测仪器采集信息的周期是55s-65s。

所述步骤2中，分部处理器通过软件ANSYS建立输电塔线塔耦合体系有限元模型。

所述步骤4中，所述计算模块的计算依据包括：

垂直导线和地线的风荷载标准值W_x按下式计算

W_x＝α·W₀·μ_z·μ_sc·β_z·d·L_p·sin²θ

铁塔的风荷载标准值W_s按下式计算

W_s＝W₀·μ_z·μ_s·β_z·A_f

其中，α为风压不均匀系数，W₀为基准风压标准值，μ_z为风压高度变化系数，μ_sc为导线或地线体型系数，d为导线或地线外径或覆冰时的计算外径，L_p为水平档距，θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，μ_s为构件的体型系数，β_z为杆塔风荷载调整系数，A_f构件承受风压投影面积计算值；

压弯构件的局部稳定性按下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{N}{\mathrm{\φ}\·m_N\·A}\±\frac{M}{m_M\·W}\≤f$

其中，A为构件毛截面积；φ为构件轴压稳定系数，对角钢构件按最小主惯性轴确定；m_N为压杆稳定强度折减系数；N为轴力；M为弯矩设计值；W为构件毛截面抵抗矩；f为材料的强度设计值。

一种实时在线评估输电塔安全状态的系统，包括安装于输电塔上的检测仪器，所述检测仪器连接分部处理器，所述分部处理器通过无线网络连接总部处理器。

所述检测仪器包括风速仪、风向仪、温度仪以及导线覆冰厚度检测仪。

所述分部处理器包括建模模块、加载模块、计算模块以及数据分析模块；所述建模模块用于建立有限元模型；所述加载模块用于加载数据；所述计算模块用于计算数据；所述数据分析模块用于提取分析数据。

所述无线网络为移动无线网络或者宽带无线网络。

所述移动无线网络包括：2G、3G以及4G网络。

本发明的有益效果为：通过对输电塔结构状态的监控与评估，在输电线路在特殊气候或线路运行状况严重异常时触发预警信号，为输电线路安全运行修与管理决策提供依据和指导。本发明所述方法首先通过解析与数值的综合方法建立输电塔线塔耦合体系有限元模型。然后根据输电塔传输过来的风速、温度等参数状态数据，通过加载程序在输电塔线塔耦合体系有限元模型中施加均布载荷，计算完成后，通过程序自动分析提取出需要的结果。根据结构的主要性能指标(如屈服强度、抗拉强度等)，结合结构特性分析(包括结构响应)，从运行状态的结构中获取并处理数据，从而诊断结构中是否会有损伤发生，判断损伤的位置，估计损伤的程度以及损伤对结构将要造成的后果，为输电线路安全运行修与管理决策提供依据和指导。

附图说明

图1本发明示意图；

图2110kvZGU直线塔单塔有限元模型；

图3为110kvZGU直线塔线-塔耦合体系有限元模型；

图4为220kvSJT转角耐张塔单塔有限元模型；

图5为220kvSJT转角耐张塔线-塔耦合体系有限元模型；

图6为500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔单塔有限元模型；

图7为500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔线-塔耦合体系有限元模型；

图8为110kvZGU直线塔单塔有限元模型；

图9为JT41干字型单回路转角耐张塔线-塔耦合体系有限元模型。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种实时在线评估输电塔安全状态的方法，包括：

步骤1、利用安装于输电塔上的检测仪表采集风速、风向、导线覆冰厚度与温度信息并传递给分部处理器；

步骤2、利用分部处理器建立输电塔线塔耦合体系有限元模型；

步骤3、将步骤1采集的信息加载到步骤2中所建立的输电塔线塔耦合体系有限元模型中；

步骤4、利用分部处理器中的计算模块，根据步骤3得到输电线路整体结构受力情况，并提取分析对点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性以及轴向力；

步骤5、分部处理器将步骤四的提取分析结果通过无线网络传递给总部处理器。

所述步骤1中检测仪器采集信息的周期是55s-65s。

所述步骤2中，分部处理器通过软件ANSYS建立输电塔线塔耦合体系有限元模型。

所述步骤4中，所述计算模块的计算依据包括：

垂直导线和地线的风荷载标准值W_x按下式计算

W_x＝α·W₀·μ_z·μ_sc·β_z·d·L_p·sin²θ

铁塔的风荷载标准值W_s按下式计算

W_s＝W₀·μ_z·μ_s·β_z·A_f

其中，α为风压不均匀系数，W₀为基准风压标准值，μ_z为风压高度变化系数，μ_sc为导线或地线体型系数，d为导线或地线外径或覆冰时的计算外径，L_p为水平档距，θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，μ_s为构件的体型系数，β_z为杆塔风荷载调整系数，A_f构件承受风压投影面积计算值；

压弯构件的局部稳定性按下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{N}{\mathrm{\φ}\·m_N\·A}\±\frac{M}{m_M\·W}\≤f$

其中，A为构件毛截面积；φ为构件轴压稳定系数，对角钢构件按最小主惯性轴确定；m_N为压杆稳定强度折减系数，对等边双角钢构件m_N＝1.0；N为轴力；M为弯矩设计值；W为构件毛截面抵抗矩；f为材料的强度设计值。

限制构件长细比的办法来保证构件的刚性，即最大计算长细比λ不大于许用最大长细比[λ]，即：

λ≤[λ]

长细比λ按下式计算：

λ＝l₀/r≤[λ]

式中r为构件回转半径，l₀为计算长度。

建立输电塔线塔耦合体系有限元模型包括步骤：

简化框架结构，提取特征结构；

根据输电塔整体结构件的三维CAD模型，将组成输电塔整体结构的每个单节主动简化成标准的框式结构，对每个侧面及横隔面在库中选取对应的形式。

在计算机中建立特征结构的有限元模型库；

由于输电塔结构多是由角钢组成，由于角钢截面为非轴对称性截面，为保证分析精度，根据第一步所得的特征结构，采用BEAM188梁单元(该BEAM188梁单元是ansys软件设定的一种梁单元模型，可通过设定单元坐标系定义角钢具体截面形式)建立对应的侧面及横隔面有限元模型；同时对所建的模型通过交互式输入该模型的几何参数和单元参数自动生成；

所述模型的几何参数是指简化框架体的长度、宽度、高度及关键点坐标，用户可根据输电塔整体结构件三维CAD模型提供的每个简化框体的相关数据，挑选最为简便的输入方法确定该框体的几何形状。

利用所建的特征结构进行拼接，直至得到一个周界与输电塔整体结构构件三维CAD模型相吻合的拼接实体，再将各拼接实体的有限元模型转换成APDL宏文件，存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用该宏文件即可直接生成输电塔整体结构件的有限元模型。

在宏文件中输入导线及地线的线密度，横截面积，运行应力，端点坐标参数，读入ANSYS生成导线，并与输电塔耦合形成线塔耦合模型。

一种实时在线评估输电塔安全状态的系统包括安装于输电塔上的检测仪器，所述检测仪器连接分部处理器，所述分部处理器通过无线网络连接总部处理器。

所述检测仪器包括风速仪、风向仪、温度仪以及导线覆冰厚度检测仪。

分部处理器包括建模模块、加载模块、计算模块以及数据分析模块；建模模块用于建立有限元模型；加载模块用于加载数据；计算模块用于计算数据；数据分析模块用于提取分析数据。

将分部处理器进行模块化设计，方便了对输电塔进行设计校核工作，节约了大量时间及计算成本。

分部处理器与总部处理器上均设有无线数据收发模块，用于进行无线通讯。

无线网络为移动无线网络或者宽带无线网络。移动无线网络包括：2G、3G以及4G网络。

图2为110kvZGU直线塔单塔有限元模型，图3为110kvZGU直线塔线-塔耦合体系有限元模型；图4为220kvSJT转角耐张塔单塔有限元模型，图5为220kvSJT转角耐张塔线-塔耦合体系有限元模型；图6为500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔单塔有限元模型，图7为500kvSJTZB42A酒杯型单回路直线塔线-塔耦合体系有限元模型；图8为110kvZGU直线塔单塔有限元模型，图9为JT41干字型单回路转角耐张塔线-塔耦合体系有限元模型。

将风速仪、风向仪、温度仪以及导线覆冰厚度检测仪所采集的数据加载到以上各种有限元模型上，总处理器分析提取数据，并对以下数据进行标注：

对点位移最大值的前四个位置、长细比最大值的前四个位置、拉弯应力最大值的前四个位置、压杆稳定性以及轴向力最大值的前四个位置。并具体显示出该位置的相关数据并与该位置理论上能够承受的最大数值做比较，以此来判断该位置目前是否受到损伤，损伤程度，给工作人员的安全监督提供有效依据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种实时在线评估输电塔安全状态的方法，其特征是，包括：

步骤1、利用安装于输电塔上的检测仪表采集风速、风向、导线覆冰厚度与温度信息并传递给分部处理器；

步骤2、利用分部处理器建立输电塔线塔耦合体系有限元模型；

步骤3、将步骤1采集的信息加载到步骤2中所建立的输电塔线塔耦合体系有限元模型中；

步骤4、利用分部处理器中的计算模块，根据步骤3得到输电线路整体结构受力情况，并提取分析对点位移、长细比、拉弯应力、压杆稳定性以及轴向力；

步骤5、分部处理器将步骤四的提取分析结果通过无线网络传递给总部处理器。

2.根据权利要求1所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的方法，其特征是，所述步骤1中检测仪器采集信息的周期是55s-65s。

3.根据权利要求1或2所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的方法，其特征是，所述步骤2中，分部处理器通过软件ANSYS建立输电塔线塔耦合体系有限元模型。

4.根据权利要求3所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的方法，其特征是，所述步骤4中，所述计算模块的计算依据包括：

垂直导线和地线的风荷载标准值W_x按下式计算

W_x＝α·W₀·μ_z·μ_sc·β_z·d·L_p·sin²θ

铁塔的风荷载标准值W_s按下式计算

W_s＝W₀·μ_z·μ_s·β_z·A_f

其中，α为风压不均匀系数，W₀为基准风压标准值，μ_z为风压高度变化系数，μ_sc为导线或地线体型系数，d为导线或地线外径或覆冰时的计算外径，L_p为水平档距，θ为风向与导线或地线方向之间的夹角，μ_s为构件的体型系数，β_z为杆塔风荷载调整系数，A_f构件承受风压投影面积计算值；

压弯构件的局部稳定性按下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{N}{\mathrm{\φ}\·m_N\·A}\±\frac{M}{m_M\·W}\≤f$

其中，A为构件毛截面积；φ为构件轴压稳定系数，对角钢构件按最小主惯性轴确定；m_N为压杆稳定强度折减系数；N为轴力；M为弯矩设计值；W为构件毛截面抵抗矩；f为材料的强度设计值。

5.一种用于实现权利要求1-4所述方法的实时在线评估输电塔安全状态的系统，其特征是，包括安装于输电塔上的检测仪器，所述检测仪器连接分部处理器，所述分部处理器通过无线网络连接总部处理器。

6.根据权利要求5所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的系统，其特征是，所述检测仪器包括风速仪、风向仪、温度仪以及导线覆冰厚度检测仪。

7.根据权利要求5或6所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的系统，其特征是，所述分部处理器包括建模模块、加载模块、计算模块以及数据分析模块；所述建模模块用于建立有限元模型；所述加载模块用于加载数据；所述计算模块用于计算数据；所述数据分析模块用于提取分析数据。

8.根据权利要求7所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的系统，其特征是，所述无线网络为移动无线网络或者宽带无线网络。

9.根据权利要求8所述的一种实时在线评估输电塔安全状态的系统，其特征是，所述移动无线网络包括：2G、3G以及4G网络。