CN105719071A - 一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法，所述方法包括：建立输电线路塔线体系有限元模型；确定杆塔螺栓节点的松脱位置；确定杆塔螺栓节点的风振次数；分析杆塔杆件的应力特征；评估破坏模式对相邻输电线路安全性能的影响。本发明提供的技术方案能够反映输电线路杆塔结构破坏对相邻输电线路安全性能的影响，与传统的输电线路安全性能评估方法相比，具有更好的适用性和更高的精度。

Description

一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法

技术领域

本发明涉及输电线路安全性能评估技术领域，具体讲涉及一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法。

背景技术

随着电网建设尤其是特高压交直流电网建设的逐步推进，重要输电通道占整个电网的比例逐年提高，3条及以上交、直流输电线路(电压等级500kV及以上)在同一个狭小断面中通过的情况已较为普遍。以安徽安庆-宣城输电通道为例，该通道合计输送容量19600MW，±800kV锦苏线、±800kV复奉线、±500kV葛南/林枫线在池州市汇入220kV官徽线，平行长度为8.878km，四回线路的平均间距仅为150m。重要通道输电线路在强风作用下一旦发生机械破坏，将造成重大经济损失和社会影响，严重影响国民经济和人民生活。

杆塔作为架空输电线路的支撑结构，在输电线路系统中占有重要地位，其安全性和可靠性对于保证输电线路系统的安全稳定运行具有重要意义。杆塔结构一旦发生机械损伤或破坏，相对于风偏跳闸、覆冰闪络等电气事故而言，其修复难度大、成本高，且一般不能迅速恢复供电。对于狭窄断面内有多条高电压等级输电线路通过的通道，某一条输电线路杆塔发生倒塌时，很可能会对相邻输电线路杆塔产生影响，甚至导致连续倒塔。分析重要输电通道内杆塔发生灾害时的相互影响规律，通过仿真分析评估输电杆塔的健康状态，提出重要输电通道杆塔各类潜在灾害的风险分级标准和预防措施，对于建立多层次、全方位的杆塔灾害预警和预防机制，实现重要输电通道安全预警、提升电网防灾能力具有重要意义。

目前还没有针对多条超/特高压线路经过同一断面情况进行安全评估的方法，尤其是强风作用下杆塔结构的破坏模式对相邻输电线路的安全性能具有重要影响，更需要提出适用的输电线路安全性能评估方法，为重要通道输电线路设计及运行维护提供参考和依据。

为满足现有技术的发展，克服现有技术的缺陷，需要提供一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法。

发明内容

为了针对多条超/特高压线路经过同一断面情况进行安全评估，本发明提供一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法。

本发明提供的强风作用下输电线路安全性能的评估方法，其改进之处在于，所述评估方法包括以下步骤：

(1)建立输电线路塔线体系有限元模型；

(2)确定杆塔螺栓节点的松脱位置；

(3)确定杆塔螺栓节点的风振次数；

(4)分析杆塔杆件的应力特征；

(5)评估破坏模式对相邻输电线路安全性能的影响。

进一步的，其特征在于，所述步骤(1)中，根据输电线路断面图和杆塔司令图，生成的导线、地线和杆塔的节点空间坐标建立有限元模型。

进一步的，所述步骤(2)包括，按下式计算杆塔、导线和地线承受的风压，确定杆塔螺栓节点的松脱位置：

$p=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\[{\stackrel{\‾}{v}}^2+\left(2\stackrel{\‾}{v}u+u^2\right)\]$

其中，ρ表示空气密度，表示平均风风速，u表示脉动风风速。

进一步的，所述脉动风的载荷的确定包括：

(1)进行傅立叶变换，确定与达文波特风谱对应的随机傅立叶谱函数表达式；

(2)编制MATLAB数值分析程序，生成不同高程的脉动风风速时程曲线；

(3)确定不同高度处杆塔和导线、地线的脉动风荷载时程。

进一步的，步骤(3)包括，根据下式确定所述螺栓节点风振次数：

N＝T×24×3600×f

其中，V为平均风速，T为强风过程持续时间，单位为天；脉动风荷载的频率为f＝max(f₁，f_r)，一阶振动频率f₁通过模态分析确定，f_r＝0.04Hz为达文波特环境风谱的卓越频率。

进一步的，所述步骤(4)包括，通过瞬态动力分析确定强风作用下杆塔结构的杆件轴力时程，并按照受压杆件的强度和受压稳定计算并校核杆件最大应力比。

进一步的，所述步骤(5)中，判断步骤(2)的计算方法中螺栓节点是否会发生松脱；若螺栓发生松脱导致横担损坏或掉落，不会对相邻输电线路的安全性产生影响。

进一步的，所述判断螺栓节点是否发生松脱的标准为：平均风速为V时，横担螺栓节点发生松脱的振动次数临界值为N_V-lim，若N≤N_V-lim，螺栓节点不会发生松脱；若N>N_V-lim，螺栓节点发生松脱；

进一步的，所述步骤(5)中，按下式计算杆塔的截断点距塔顶的高度H_e：

H_e＝H－H₁

其中，H₁为截断点距地面的高度，H为杆塔高度；

根据杆塔的有效倒塌高度H_e，判断相邻输电线路间距离为L情况下，杆塔倒塌的影响。

进一步的，根据截断点距塔顶的高度判断H_e与相邻输电线路间距离L的关系判断杆塔倒塌对相邻输电线路安全性的影响。

与最接近的现有技术比，本发明具有以下优异效果：

1、本发明提供的评估方法是针对多条超/特高压线路经过同一断面情况进行安全评估的，为重要通道输电线路设计及运行维护提供参考和依据，减小建成后强风作用下，杆塔倒塌造成的经济损失。

2、本发明提供的评估方法可依据实际输电线路段参数建立有限元仿真模型，通过瞬态动力分析确定强风作用下杆塔结构受力特征和倒塌规律，可考虑强风作用下导线、地线的大变形影响，能够反映一条输电线路杆塔结构破坏对相邻输电线路安全性能的影响，与传统的输电线路安全性能评估方法相比，具有更好的适用性和更高的精度。

说明书附图

图1为杆塔节段高度分布示意图；

图2为塔线体系有限元模型示意图；

图3为脉动风风速时程曲线图；

其中，1-截断点；2-地线；3-导线；4-悬垂串；5-杆塔。

具体实施方式

为详细的介绍本发明提供的在强风作用下输电线路安全性能的评估方法，以下将结合说明书附图和具体实施例进行说明。

在强风作用下杆塔结构破坏的原因主要有两类：一是强风持续作用下杆塔节点螺栓松脱进而导致结构局部或整体发生破坏，二是强风作用下杆塔杆件应力超过设计强度进而导致杆塔发生整体倒塌破坏。本发明将通过建立重要通道输电线路段机械力学仿真模型，分析强风作用下杆塔杆件应力超限及节点螺栓松脱导致的杆塔倒塌模式，确定某一条输电线路杆塔倒塌对相邻输电线路安全性能的影响程度，实现强风作用下重要通道输电线路安全性能的评估。

本发明提供的评估方法，其包括以下步骤：

1.建立重要通道输电线路塔线体系有限元模型

根据重要通道输电线路断面图和杆塔司令图，生成导线、地线和杆塔的节点空间坐标；在空间坐标的基础上采用梁单元和杆单元建立杆塔有限元模型，其中塔身主材和横担主材采用梁单元，塔身斜材和横担斜材采用杆单元，主材与斜材连接方式为铰接；采用索单元建立导线、地线模型，导线、地线在安装状态下的初始几何构型满足悬链线方程；采用杆单元建立悬垂串模型，悬垂串与导线和杆塔的连接方式为铰接。

2、确定持续强风作用下杆塔螺栓节点的松脱位置；

确定松脱位置的具体步骤为：

(1)以达文波特风谱为目标谱进行傅立叶变换，得到与达文波特风谱对应的随机傅立叶谱函数表达式；

(2)编制MATLAB数值分析程序，将达文波特风谱通过傅立叶变换生成不同高程的脉动风风速时程曲线；

(3)确定不同高度处杆塔和导、地线的脉动风荷载时程。

将平均风荷载与脉动风荷载叠加，以集中荷载的形式施加在杆塔和导线、地线节点上。空气密度为ρ时，同时包含平均风风速和脉动风风速u影响的风压计算表达式为：

$p=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\[{\stackrel{\‾}{v}}^2+\left(2\stackrel{\‾}{v}u+u^2\right)\]---\left(a\right)$

以上式计算杆塔所承受的风压。横担是悬垂串与杆塔的连接部位，承受来自导线的脉动风荷载，在强风作用下其螺栓节点最易发生松动。

3.确定持续强风作用下杆塔螺栓节点的风振次数

采用步骤1所列方法建立的重要通道输电线路塔线体系有限元模型，通过模态分析确定杆塔横担的一阶振动频率f₁，达文波特环境风谱的主要频率范围为0～1Hz，卓越频率f_r＝0.04Hz，偏于安全考虑，脉动风荷载的频率f＝max(f₁，f_r)；

若一次平均风速为V的强风过程的持续时间为T天，则横担螺栓节点的振动次数为：

N＝T×24×3600×f(b)

其中，f为脉动风荷载的频率。

4.分析强风作用下杆塔杆件的应力特征

采用步骤1所列方法建立的重要通道输电线路塔线体系有限元模型，考虑强风作用下导线、地线的大变形影响，采用隐式动力分析方法，通过瞬态动力分析确定强风作用下杆塔结构的杆件轴力时程，根据DL/T5154—2012《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》计算杆件最大应力比，分别按照强度和稳定进行计算并校核受压杆件的应力比。

5.评估破坏模式对相邻输电线路安全性能的影响

(1)采用步骤2所列方法，判断平均风速为V的强风作用下杆塔横担的螺栓节点是否会发生松脱。平均风速为V时，横担螺栓节点发生松脱的振动次数临界值为N_V-lim，判断螺栓节点是否发生松脱的标准为：若N≤N_V-lim，横担螺栓节点不会发生松脱；若N>N_V-lim，横担螺栓节点发生松脱。

若螺栓发生松脱，强风作用会导致横担损坏或掉落，此类破坏一般不引起塔身结构整体倒塌，不会对相邻输电线路的安全性产生影响。

(2)采用步骤3所列方法，根据杆件应力比分布确定杆塔在强风作用下首先发生破坏的位置，分析杆塔的倒塌方向和倒塌模式。分析强风作用下高度为H的杆塔应力比分布，得到首先发生破坏的节段即截断点距地面的高度H₁，定义杆塔的有效倒塌高度即截断点距塔顶的高度H_e＝H－H₁。相邻输电线路几何边界距离为L，判断杆塔倒塌对相邻输电线路安全性影响的标准是：若H_e≤L，杆塔倒塌对相邻输电线路安全性无影响；若H_e>L，杆塔倒塌对相邻输电线路安全性有影响。

实施例

现应用具体实例介绍采用上述方法进行强风作用下输电线路安全性能的评估的过程。

以±800kV单回路和500kV双回路通过同一断面的输电线路段为例，两条相邻输电线路几何边界距离为L＝70m，±800kV单回路杆塔总高度H＝81m，杆塔节段高度分布见附图1，应力比最大、首先发生破坏的节段1处与地面的相对高度H₁为10m。

首先按照步骤1建立如图2所示的±800kV单回路耐张段塔线体系有限元模型，建立地线2、导线3、悬垂串4、杆塔5的模型；通过傅里叶变换和MATLAB程序的仿真生成平均风速V＝30m/s时的脉动风风速时程曲线，该曲线图如附图3所示；然后根据式(a)计算风压及风荷载，将导线、地线、杆塔和绝缘子风荷载时程曲线以集中荷载的形式施加在相应节点上。

按照步骤3的方法，采用步骤1建立的重要通道输电线路塔线体系有限元模型，通过模态分析确定杆塔横担的一阶振动频率f₁＝2.0Hz，脉动风荷载的频率f＝max(f₁，f_r)＝max(2.0，0.04)＝2.0Hz。一次平均风速为30m/s的强风过程的持续时间T＝2天，横担螺栓节点的振动次数为：

N＝T×24×3600×f＝2×24×3600×2.0＝34.56万次

按照步骤4的方法，采用步骤1建立的输电线路塔线体系有限元模型，采用隐式动力分析方法，通过瞬态动力分析确定附图1所示杆塔杆件应力比分布，塔腿以上第2节段斜材的应力比最大，在强风在作用下会首先发生破坏，倒塌方向为垂直线路方向。

按照步骤5的方法，根据步骤2所列方法判定横担螺栓节点是否会发生松脱：平均风速为V＝30m/s时，横担螺栓节点发生松脱的振动次数临界值为N_V-lim＝30万次，因为N>N_V-lim，杆塔横担螺栓节点发生松脱。平均风速为V的强风作用下杆塔横担的螺栓节点会发生松脱，进而导致横担掉落，但不会引起塔身结构整体倒塌，并对相邻输电线路的安全性产生影响。

采用步骤3所列方法，附图1中杆塔截断点距地面的高度H₁＝10m，杆塔的有效倒塌高度即截断点距塔顶的高度H_e＝H－H₁＝81－10＝71m；相邻输电线路几何边界距离为L＝70m，H_e>L，即可评估出在此实施例中，杆塔倒塌对相邻输电线路安全性有影响。

根据以上评估方法，本发明实施例在重要通道输电线路设计及运行维护时可参考意见，减小建设后因环境因素的影响带来的经济损失，保证建设效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强风作用下输电线路安全性能的评估方法，其特征在于，所述评估方法包括以下步骤：

(1)建立输电线路塔线体系有限元模型；

(2)确定杆塔螺栓节点的松脱位置；

(3)确定杆塔螺栓节点的风振次数；

(4)分析杆塔杆件的应力特征；

(5)评估破坏模式对相邻输电线路安全性能的影响。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(1)中，根据输电线路断面图和杆塔司令图，生成的导线、地线和杆塔的节点空间坐标建立有限元模型。

3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(2)包括，按下式计算杆塔、导线和地线承受的风压，确定杆塔螺栓节点的松脱位置：

$p=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\[{\stackrel{\‾}{v}}^2+(2\stackrel{\‾}{v}u+u^2)\]$

其中，ρ表示空气密度，表示平均风风速，u表示脉动风风速。

4.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于，所述脉动风的载荷的确定包括：

(1)进行傅立叶变换，确定与达文波特风谱对应的随机傅立叶谱函数表达式；

(2)编制MATLAB数值分析程序，生成不同高程的脉动风风速时程曲线；

(3)确定不同高度处杆塔和导线、地线的脉动风荷载时程。

5.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，步骤(3)包括，根据下式确定所述螺栓节点风振次数：

N＝T×24×3600×f

其中，V为平均风速，T为强风过程持续时间，单位为天；脉动风荷载的频率为f＝max(f₁，f_r)，一阶振动频率f₁通过模态分析确定，f_r＝0.04Hz为达文波特环境风谱的卓越频率。

6.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(4)包括，通过瞬态动力分析确定强风作用下杆塔结构的杆件轴力时程，并按照受压杆件的强度和受压稳定计算并校核杆件最大应力比。

7.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(5)中，判断步骤(2)的计算方法中螺栓节点是否会发生松脱；若螺栓发生松脱导致横担损坏或掉落，不会对相邻输电线路的安全性产生影响。

8.根据权利要求7所述的评估方法，其特征在于，所述判断螺栓节点是否发生松脱的标准为：平均风速为V时，横担螺栓节点发生松脱的振动次数临界值为N_V-lim，若N≤N_V-lim，螺栓节点不会发生松脱；若N>N_V-lim，螺栓节点发生松脱。

9.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述步骤(5)中，按下式计算杆塔的截断点距塔顶的高度H_e：

H_e＝H－H₁

其中，H₁为截断点距地面的高度，H为杆塔高度；

根据杆塔截断点距塔顶的高度H_e，判断相邻输电线路间距离为L情况下，杆塔倒塌的影响。

10.根据权利要求9所述的评估方法，其特征在于，根据截断点距塔顶的高度H_e与相邻输电线路间距离L的关系判断杆塔倒塌对相邻输电线路安全性的影响。