CN105740548B - 一种随机风载荷下输电线路风振计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，包括以下步骤：步骤一：对塔线耦联体系有限元模型进行自重及平均风载荷下的找形；步骤二：脉动风速场仿真，得到的脉动风速时程；步骤三：风振响应计算：将步骤二得到的脉动风速时程转换为风载荷，施加到步骤一自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型上，进行瞬态求解；求解后提取位移、应力结果完成风振计算。本发明在输电线路风振计算中，将平均风速和脉动风速分开处理，将脉动风速施加到平均风载荷下找形完成的耦联模型上进行计算，解决了传统风振分析方法迭代次数多，不易收敛的问题，缩短了计算时间。
Description
技术领域
本发明涉及输电线路技术领域，特别涉及一种随机风载荷下输电线路风振计算方法。
背景技术
我国电力能源和用负荷分布不均，西部能源丰富而用电负荷却集中在东部，考虑到经济效益和环境效益，发电厂一般建在能源基地，由输电线路将发电厂发出的电能输送到负荷中心。输电线路的架设方式以架空线路为主，线路设备长期暴露在自然环境中，易受风、覆冰等各种气象条件的侵袭，出现故障的几率较高。风载荷是影响高压架空输电线路安全运行的重要因素，风载荷使架空线的应力增大，杆塔产生附加弯矩，会引起短线、倒塔事故。输电杆塔投资占输电线路总投资的40％，倒塔事故的发生造成巨大经济损失，严重威胁输电线路的安全可靠运行。因此，必须研究输电线路在随机风载荷下的动力学行为，避免因风致倒塔事故发生带来的经济损失和供电可靠性下降。
实际风场一般使用风速来表示，空间中任意点的风速可以分解为平均风速部分和脉动风速部分。平均风速常被认为是时不变常量，脉动风速部分常用一个标准的平稳随机过程来描述。对于随机风场的获取以数值模拟为主。传统风振分析方法在确定脉动风速后，叠加平均风速，转换为风载荷施加到有限元模型上，进行风振计算。输电线路在随机风载荷下的运动实际是在平均风载荷下的平衡位置附近波动的过程，传统的风振计算方法中有限元模型的初始位置为模型在自身重力平衡下的位形，而不是模型在自身重力及平均风载荷平衡下的位形，与风振响应下的平衡位置相差较大，因此计算迭代次数多，且易发生不收敛的情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，以解决现有随机风载荷分析方法所存在的技术问题。本发明在输电线路塔线耦联体系模型建立完成后，对耦联模型进行自重及平均风载荷下的初始位置找形，找形完成后将脉动风载荷施加到耦联模型上，进行瞬态动力计算，最终得到随机风载荷下的风振响应。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，包括以下步骤：
步骤一：对塔线耦联体系有限元模型进行自重及平均风载荷下的找形；
步骤二：脉动风速场仿真，得到的脉动风速时程；
步骤三：风振响应计算：将步骤二得到的脉动风速时程转换为风载荷，施加到步骤一自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型上，进行瞬态求解；求解后提取位移、应力结果完成风振计算。
进一步的，步骤一具体包括以下步骤：
第一步，建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；
第二步，计算平均风载荷
分为输电铁塔风载荷计算及导地线风载荷计算；将输电铁塔结构进行离散，将铁塔分成若干段进行处理，每一段以该段平均高度处风速为平均风速，根据伯努利方程计算出各段风压，结合该段杆件的迎风面积计算出各段平均风载荷；
第三步，将第二步计算得到的平均风载荷施加到第一步得到的输电线路塔线耦联体系有限元模型上，同时对整个模型施加重力加速度及边界约束，打开大变形开关和应力刚化开关，进行自重及平均风载荷下的求解；
第四步，求解完成后，根据计算得到的位移结果乘以系数更新整个有限元模型的坐标；
第五步，对更新坐标后的有限元模型再次进行求解；
第六步，在后处理器中查看节点位移与应力，计算相对误差，与预设收敛判据比较，到达收敛精度范围，则停止计算，找形结束，获得自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型；若未达到收敛精度，返回第四步，重新进行求解，重复上述过程，直至位移与应力达到收敛精度，找形完成，获得自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型。
进一步的，第四步中所述系数为1。
进一步的，步骤二具体包括：对目标功率谱Sv(n)进行傅里叶变换得到自相关函数和互相关函数，在此基础上求解AR模型的系数矩阵，最后得到脉动风速时程V(t)。
进一步的，步骤二中，
式中，Sv(n)为功率谱密度，K为地面粗糙度系数，n＝ω/2π为脉动风的频率。
本发明提供一种将平均风载荷和脉动风载荷分开处理的风振计算方法，首先建立输电线路塔线耦联体系模型，然后对耦联模型进行自重及平均风载荷下的初始位置找形。采用线性滤波法对脉动风速进行模拟，转换为风载荷施加到耦联模型上，进行风振计算。
与传统风振计算方法相比，本发明具有以下有益效果：
1、在输电线路风振计算中，将平均风速和脉动风速分开处理，将脉动风速施加到平均风载荷下找形完成的耦联模型上进行计算，解决了传统风振分析方法迭代次数多，不易收敛的问题，缩短了计算时间。
2、脉动风速场的仿真采用线性滤波法的自回归法(AR)模型进行模拟，计算量小，占有内存少，计算速度快。
附图说明
图1为塔线耦联体系平均风载荷下的找形流程图；
图2为输电铁塔分段图；
图3为塔线耦联体系在平均风载荷下找形完成后的位形图；
图4为铁塔代表位置2处的脉动风速曲线及功率谱对比图；
图5为脉动风速场下塔最高点的位移时程曲线。
具体实施方式
本发明一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，包括以下步骤：
步骤一：对塔线耦联体系有限元模型进行自重及平均风载荷下的找形，找形流程如图1所示，具体包括以下步骤：
第一步，建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；
第二步，计算平均风载荷
分为输电铁塔风载荷计算及导地线风载荷计算。将输电铁塔结构进行离散，将铁塔分成若干段进行处理，每一段以该段平均高度处风速为平均风速，根据伯努利方程计算出各段风压，结合该段杆件的迎风面积计算出各段平均风载荷。
第三步，在ANSYS软件中，将第二步计算得到的平均风载荷施加到第一步得到的输电线路塔线耦联体系有限元模型上，同时对整个模型施加重力加速度及边界约束，打开大变形开关和应力刚化开关，进行自重及平均风载荷下的求解。
第四步，求解完成后，根据计算得到的位移结果乘以一定的系数(优选为1)更新整个有限元模型的坐标。
第五步，对更新坐标后的有限元模型再次进行求解。
第六步，在后处理器中查看节点位移与应力，计算相对误差，与预设收敛判据比较，到达收敛精度范围，则停止计算，找形结束，获得自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型。若未达到收敛精度，返回第四步，重新进行求解，重复上述过程，直至位移与应力达到收敛精度，找形完成，获得自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型。
步骤二：脉动风速场仿真
采用线性滤波法生成脉动风速场，脉动风速场功率谱采用Davenport谱：
式中，Sv(n)为功率谱密度，K为地面粗糙度系数，n＝ω/2π为脉动风的频率。
具体步骤为对目标功率谱Sv(n)进行傅里叶变换得到自相关函数和互相关函数，在此基础上求解AR模型的系数矩阵，最后得到脉动风速时程V(t)。
步骤三：风振响应计算
在ANSYS软件中，将步骤二得到的脉动风速时程V(t)转换为风载荷，施加到步骤一自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型上，进行瞬态求解。在后处理器中提取位移、应力结果完成风振计算。
下面结合附图，以某电网220kV某甲乙线一段包含三基输电铁塔的耐张段为实施例对本发明进一步说明。
请参阅图1至图5所示，一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，包括以下步骤：
步骤一：对塔线耦联体系有限元模型进行自重及平均风载荷下的找形，找形流程如图1所示，具体包括以下步骤：
第一步，建立输电线路塔线耦联体系有限元模型
根据实际输电线路的参数，对输电杆塔、绝缘子、导地线进行建模。其中输电铁塔采用ANSYS Beam188进行模拟，绝缘子采用link8单元模拟，导地线采用Link10单元模拟。
第二步，计算平均风载荷
核心是平均风速的计算，平均风速与模拟位置高度有关，采用指数律理论描述平均风速，任意时刻z高度处的平均风速为：
式中，z为当前高度，为当前高度处平均风速，为10m高度处的平均风速，α为地面粗糙度。
将输电杆塔结构进行离散，根据塔身高度进行分段处理，分为11段处理，如图2所示。该输电线路的设计风速，即15m高度的平均风速为35m/s。根据指数律换算至10m高度处风速为32.8m/s。再将各段代表位置高度代入上式，可计算出不同高度处的平均风速如表1所示，每一段以该段平均高度处风速为平均风速。
表1输电塔不同位置的风速
铁塔的平均风载荷计算公式为
式中，_s为构件的体型系数，取2.5。V为风速，取表1中的数据；As为构件承受风压面积。
导地线以1m为一个单元，每单位长度风载荷计算公式为
式中，_sc为导线或地线的体型系数，分别取1.2和1.1。V为风速，取表1代表位置7、9中的数据作为上横担、中横担、下横担导线的平均风速，取表1代表位置11的数据作为地线的平均风速；d为导线或地线的外径，分别取0.0336m和0.0112m。
绝缘子风载荷计算公式为
式中，AI为绝缘子迎风面积，假设绝缘子迎风面宽度为0.3m，耐张串的绝缘子长度为3.811m，悬垂串的长度为2.971m。
将相关参数带入公式(2)、(3)、(4)即可计算得出铁塔、导地线、绝缘子的平均风载荷。
第三步，将第二步计算得到的平均风载荷施加到第一步得到的输电线路塔线耦联体系有限元模型上，同时对整个模型施加重力加速度及边界约束，打开大变形开关和应力刚化开关，进行自重及平均风载荷下的求解。
第四步，求解完成后，根据计算得到的位移结果乘以一定的系数更新整个有限元模型的坐标，该系数取1。
第五步，对更新坐标后的有限元模型再次进行求解。
第六步，在后处理器中查看节点位移与应力，计算相对误差，与预设收敛判据比较，到达收敛精度范围，则停止计算，找形结束。若未达到收敛精度，返回第四步，重新进行求解，重复上述过程，直至位移与应力达到收敛精度，找形完成。平均风载荷找形完成的模型如图3所示，可看出塔线耦联体系中导地线在平均风载荷下有较大的位移。
步骤二：脉动风速场仿真
采用线性滤波法生成脉动风速场，脉动风速场功率谱采用Davenport谱：
式中，Sv(n)为功率谱密度，K为地面粗糙度系数，取0.005，n＝ω/2π为脉动风的频率，取0.001-10，以0.001为一个步长。
该输电线路的设计风速，即15m高度的平均风速为35m/s。根据指数律换算至10m高度处风速为32.8m/s。具体步骤为对目标功率谱进行傅里叶变换得到自相关函数和互相关函数，在此基础上求解AR模型的系数矩阵，最后得到脉动风速时程V(t)，将风速时程代入公式(2)、(3)、(4)即可得到铁塔、导地线及绝缘子的风载荷时程曲线。
其中，输电铁塔代表位置2的脉动风速曲线以及功率谱对比曲线如图4所示。可看出该模拟方法得到的脉动风速谱与目标谱基本吻合，本发明所采用的风速仿真方法具有较高的精度。
步骤三：风振响应计算
将步骤二得到的脉动风速数据转换为风载荷，施加到步骤2自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型上，进行瞬态求解。在后处理器中提取位移、应力结果完成风振计算。图5为铁塔最高点的位移时程曲线，可看出铁塔最高点的位移是在平均风载荷下的平衡位置附近波动。计算时间减少一半以上。
Claims (4)
1.一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对塔线耦联体系有限元模型进行自重及平均风载荷下的找形；
步骤二：脉动风速场仿真，得到脉动风速时程；
步骤三：风振响应计算：将步骤二得到的脉动风速时程转换为风载荷，施加到步骤一自重及平均风载荷下找形完成的有限元模型上，进行瞬态求解；求解后提取位移、应力结果完成风振计算；
步骤一具体包括以下步骤：
第一步，建立输电线路塔线耦联体系有限元模型；
第二步，计算平均风载荷
分为输电铁塔风载荷计算及导地线风载荷计算；将输电铁塔结构进行离散，将铁塔分成若干段进行处理，每一段以该段平均高度处风速为平均风速，根据伯努利方程计算出各段风压，结合该段杆件的迎风面积计算出各段平均风载荷；
第三步，将第二步计算得到的平均风载荷施加到第一步得到的输电线路塔线耦联体系有限元模型上，同时对整个模型施加重力加速度及边界约束，打开大变形开关和应力刚化开关，进行自重及平均风载荷下的求解；
第四步，求解完成后，根据计算得到的位移结果乘以系数更新整个有限元模型的坐标；
第五步，对更新坐标后的有限元模型再次进行求解；
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2.根据权利要求1所述的一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，其特征在于，第四步中所述系数为1。
3.根据权利要求1所述的一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，其特征在于，步骤二具体包括：对目标功率谱Sv(n)进行傅里叶变换得到自相关函数和互相关函数，在此基础上求解AR模型的系数矩阵，最后得到脉动风速时程V(t)。
4.根据权利要求3所述的一种随机风载荷下输电线路风振计算方法，其特征在于，步骤二中，
式中，Sv(n)为功率谱密度，K为地面粗糙度系数，n＝ω/2π为脉动风的频率。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN103455686A (zh) * | 2013-09-17 | 2013-12-18 | 重庆大学 | 架空输电塔-线耦合体系有限元模型的建模方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 大跨越输电塔-线体系动力特征和风振控制研究;尹鹏;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20091115(第11期);第261-265页 |
| 输电线路多塔耦联体系的风致动力响应分析;张琳琳等;《防灾减灾工程学报》;20060915;第26卷(第3期);第51-52页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105740548A (zh) | 2016-07-06 |
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