CN107368650B - 正交分析制定塔线系统融冰策略的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正交分析制定塔线系统融冰策略的方法，包括：步骤1，构建塔线系统的三维有限元模型；步骤2，确定多因素两水平正交表，并编制多因素两水平正交试验方案，并定义杆塔力学失效的指标；步骤3，根据多因素两水平正交试验方案，采用有限元法，对各导线绝缘子悬挂处和各地线悬挂处分别施加设计的风荷载和冰荷载，模拟不同荷载下各杆塔的受力情况，并获得杆塔角钢单元的最大轴向应力比值和危险单元数；步骤4，分别针对各指标，计算各因素各水平的指标平均值，根据指标平均值获得最严重覆冰工况，从而获得最优融冰顺序。本发明可在给定覆冰、风速、档距等参数的情况下，评估最严重的覆冰工况，并给出塔线系统的最佳融冰顺序。

Description

正交分析制定塔线系统融冰策略的方法

技术领域

本发明属于输电线路的融冰技术领域，尤其涉及一种正交分析制定塔线系统融冰策略的方法。

背景技术

输电线路承担着传输电能的重任，冬季杆塔及导线、地线出现覆冰引起的倒塔事故对电力系统的安全稳定运行构成威胁。然而导线、地线全覆冰不一定是引起冰害事故最严重的运行工况；导线、地线不均匀覆冰，从而导致杆塔受不平衡张力影响过大，甚至比全覆冰工况更有可能导致杆塔力学失效。

国内外对线路覆冰的研究已考虑到不均匀覆冰、不平衡张力的影响，对杆塔左右两档导地线不同覆冰厚度和风速情况进行了仿真分析，可以计算塔身的应力分布。目前研究工作集中于通过比较杆塔所受应力和承受极限应力来判断塔材薄弱点，从而判断倒塔事故可能发生的范围，有针对性的采取优化线路路径、改变塔型、使用高强度钢材、进行除冰、不均匀覆冰控制等等预防性方法。但是对于覆冰后的融冰策略没有涉及。

由于融冰时各相线路覆冰情况不同，导地线覆冰厚度存在差异，很难做到每相导线、导地线之间同时融冰。这样，融冰时就不可避免会出现相间、导地线间不均匀覆冰的情况。融冰策略不当所引起的导地线不均匀覆冰，会加重塔身所受应力，造成倒塔。而传统融冰方案并未考虑每相导线、地线的融冰顺序，另外，随档距、海拔、风向、高差的不同，最佳的融冰顺序也会变化，因此，有必要提出一种基于正交分析制定塔线系统融冰策略的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种正交分析制定塔线系统融冰策略的方法。

本发明可在给定覆冰、风速、档距等参数的情况下，评估最严重的覆冰工况，并给出塔线系统的最佳融冰顺序。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种正交分析制定塔线系统融冰策略的方法，包括：

步骤1，利用Ansys构建塔线系统的三维有限元模型，根据导线和地线的实际参数，构建导线悬链线模型、地线悬链线模型及绝缘子三维有限元模型；

步骤2，以各导线段和各地线段作为因素，根据导线段和地线段的数量确定多因素两水平正交表，并编制多因素两水平正交试验方案，并定义杆塔力学失效的指标；

所述两水平包括有冰覆盖和无冰覆盖，多因素两水平正交试验方案中每种试验代表导线段和地线段的一种覆冰组合；

所述指标包括杆塔角钢单元的最大轴向应力比值和危险单元数，所述轴向应力比值为杆塔角钢单元的轴向应力值与其屈服极限应力的比值，选出轴向应力值大于预设值的杆塔角钢单元及轴向应力比值最大的杆塔角钢单元，即危险单元；

步骤3，根据多因素两水平正交试验方案，采用有限元法，对各导线绝缘子悬挂处和各地线悬挂处分别施加设计的风荷载和冰荷载，模拟不同荷载下各杆塔的受力情况，并获得杆塔角钢单元的最大轴向应力比值和危险单元数；

步骤4，分别针对各指标，计算各因素各水平的指标平均值，根据指标平均值获得最严重覆冰工况，从而获得最优融冰顺序。

进一步的，步骤1具体为：

根据杆塔结构图纸构建塔线系统的三维有限元模型，再根据杆塔的实际线路、地理位置和海拔高度构建导线悬链线模型、地线悬链线模型及绝缘子三维有限元模型。

所述导线悬链线模型和地线悬链线模型是根据导线和地线实际的参数，按照1:1的比例尺寸构建，其中，特高压、超高压输电线路易出现导线多分裂的情况，这种情况将一组分裂导线等效为一根，需要保证施加在杆塔上的荷载等效。其中采用Ansys有限元软件中的BEAM188梁单元模拟杆塔钢构，采用刚性LINK10索单元模拟导、地线，该单元具有非线性、应力刚化、大变形功能，模拟输电线路导、地线是比较理想的；忽略绝缘子和连接金具的重力荷载影响，用刚性连接杆单元LINK8模拟绝缘子串，最终得到整体塔线系统的三维实体模型。

进一步的，步骤2具体为：

对导线段和地线段统一编号，以各导线段和各地线段作为因素，两水平包括有冰覆盖和无冰覆盖，其中，有冰覆盖记为水平1，无冰覆盖记为水平0；选择对应的多因素两水平正交表，并根据多因素两水平正交表编制多因素两水平正交试验方案。

本发明定义杆塔力学失效的指标，所述指标为杆塔角钢单元轴向最大应力比值和危险单元数目，所述轴向应力比值为构件的轴向应力值与其屈服极限应力的比值，选出轴向应力比值大于0.8的杆塔角钢单元及轴向应力比值最大的杆塔角钢单元，即危险单元。

进一步的，步骤3具体为：

采用有限元法，对三维有限元模型中各导线绝缘子悬挂处和各地线悬挂处分别施加风载荷和冰载荷的循环加载，同时约束塔脚和两端耐张塔的导地线绝缘子挂点的所有自由度，模拟不同荷载下杆塔的受力情况。

由于塔线体系中两端的耐张塔更坚固，倒塔主要发生于直线塔，假设两端的耐张塔的导线绝缘子挂点和地线挂点固定，另一方面，在实际冰灾发生时，杆塔塔脚被认为是始终不动的，因此，首先对杆塔模型中塔脚和两端耐张塔的导地线绝缘子挂点施加约束条件，使其所有的自由度值为0，包括三个平动自由度和三个转动自由度。然后打开应力钢化，通过Anysy进行加载求解。

进一步的，步骤4具体为：

4.1分别针对各指标，利用极差分析法计算多因素两水平正交表每一列中各因素各水平的指标平均值k₁和k₂，其中，k₁和k₂分别表示有冰覆盖水平和无冰覆盖水平下的指标平均值；比较各因素的k₁和k₂，若k₁更大，该因素取有冰覆盖水平；否则，取无冰覆盖水平，所有因素的水平即最严重覆冰工况；

各因素各水平的指标平均值k₁和k₂的计算如下：

K_i(第j列)＝第j列中数字“i”对应的指标总和

式中，K_i(第j列)表示第j个因素的i水平下的指标之总和，i为0或1，分别对应无冰覆盖和有冰覆盖；k_i(第j列)表示第j个因素的i水平下的指标之平均值；第j列中“i”的重复次数表示两水平正交表中第j个因素下水平i出现的次数。

4.2分别针对各指标，利用方差分析法计算多因素两水平正交表每一列中各因素的方差比，根据方差比分布表获得各因素的置信度水平和影响程度；选取方差比大于5.54的因素，记为待融冰因素，按照影响程度从大到小对所述待融冰因素排序，将所述待融冰因素和严重覆冰工况比对，找出各所述待融冰因素所对应的水平，舍弃无冰覆盖水平对应的因素，即获得最佳融冰顺序。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

(1)填补了线路融冰领域的空白，提出了一种简单易行的正交分析方法，可以得到最优的融冰策略，防止由于线路融冰造成杆塔承受不平衡张力加大而发生倒塔事故的可能。

(2)可找到塔线系统最严重的覆冰工况，作为线路融冰作业时的参考。

附图说明

图1为本发明的具体流程图；

图2为实施例中两塔三线系统的建模示意图；

图3为导线段和地线段的编号示意图。

图4为实施例中单元最大应力比值指标下的最严重覆冰工况示意图；

图5为实施例中危险单元数目指标下的最严重覆冰工况示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

以某±800kV直流输电线路的两塔三线系统的覆冰情况正交分析为例，进一步说明如何制定融冰策略。选取该线路的单回线路394～397号杆塔为研究对象。

图1为本实施例的具体流程示意图，图2所示为本实施例的两塔三线系统的建模示意图。根据杆塔实际情况预定义不同材料属性和横截面积等材料参数，以满足对杆塔进行按1:1尺寸比例建模的需要。由于杆塔自身是一个左右对称的结构体，为提高建模效率，可先根据杆塔实际结构建立二分之一杆塔的三维有限元模型；再经左右镜像从而得到杆塔完整的三维有限元模型。建立好两直线塔后，定义绝缘子串和导地线参数，根据悬链线方程生成导地线和绝缘子串。其中采用Ansys有限元软件中的BEAM188梁单元模拟杆塔钢构，采用刚性LINK10索单元模拟导、地线，该单元具有非线性、应力刚化、大变形功能，模拟输电线路导、地线是比较理想的；忽略绝缘子和连接金具的重力荷载影响，用刚性连接杆单元LINK8模拟绝缘子串，最终得到整体塔线系统的三维实体模型。

施加荷载时，杆塔和导地线除受固有荷载(即自身重力荷载)的作用外，还要承受附加荷载的作用，所述附加荷载包括冰荷载和风荷载。荷载均以集中力的形式加载到塔线系统的节点上。导线是六分裂导线，且导线覆冰厚度和地线覆冰厚度通常不同，导线和地线的型号也不同，所以导线和地线的荷载值是不一样的；由于认为耐张塔通常不会倒塌，所以只建立其绝缘子串并施加约束固定；可以认为塔脚是始终不动的，所以在建模完成后要对杆塔的四个塔脚处节点施加约束条件，约束其所有的自由度，包括3个平动自由度和3个转动自由度。

接下来设计多因素两水平正交试验方案，具体包括确定指标、因素和水平；选择正交表，设计表头；编制多因素两水平正交试验方案，进行仿真试验获得结果；对试验结果统计分析，获得因素主次顺序、最优融冰方案等信息。

图3所示为导线段和地线段的编号示意图，对导线段和地线段进行如下编号，导线段编号为1到6，见图3中导线1～6；地线段编号为7到12，见图3中地线7～12。以每根导线和每根地线为1个因素，共计12因素。覆冰情况为水平1，没有覆冰情况为水平0。由于现只有15因素2水平的正交表，因此取其前12列，成为设计的12因素2水平正交表。设计共需要进行16次仿真试验，多因素两水平正交试验方案见表1。

表1多因素两水平正交试验方案

试验组别	覆冰情况	试验组别	覆冰情况
				1	111111111111	9	010101010101
2	111111100000	10	010101001010
				3	111000011110	11	010010110100
4	111000000001	12	010010101011
				5	100110011001	13	001100110011
6	100110000110	14	001100101100
				7	100001111000	15	001011010010
8	100001100111	16	001011001101

实际气象条件变化，正交试验中风速和覆冰值的变化对试验结果是有影响的，最恶劣情况可能依风速和覆冰的不同而有细微变化，故本发明取风速30m/s，覆冰50mm为准，考察其对正交试验结果的影响。

本发明定义并选取杆塔力学失效的指标为杆塔角钢单元的轴向最大应力比值和危险单元数目。通过Ansys有限元方法计算得到各杆塔角钢单元的实际应力大小，把杆塔角钢单元所受应力与标准屈服强度规定的承受极限应力的比值作为杆塔失效单元判据，该比值大于1表示钢构有很大概率失效。该比值的最大值定义为单元最大应力比值，比值大于0.8的单元定义为危险单元。

对于角钢单元最大应力比值指标，分解计算各因素在两种水平下的k₁、k₂值，见表2。

表2 k₁和k₂值

	k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>		k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>
						因素1	1.56495	1.4970875	因素7	1.5259875	1.53605
因素2	1.5374125	1.524625	因素8	1.5043625	1.557675
						因素3	1.569825	1.4922125	因素9	1.579225	1.4828125
因素4	1.522725	1.5393125	因素10	1.5990125	1.463025
						因素5	1.5413875	1.52065	因素11	1.534475	1.5275625
因素6	1.529925	1.5321125	因素12	1.535225	1.5268125

通过比较各因素对应的k₁和k₂值，得到单元最大应力比值指标下的最严重覆冰工况为：111010001111，见图4，图中导线1、导线2、导线3、导线5、地线9、地线10、地线11、地线12表示覆冰，其余为无冰，见图中虚线所表示的导地线。

方差比F计算见表3。

表3方差比F值

	因素10	因素9	因素3	因素1	因素8	因素5
							F	19411.6190	9757.3182	6323.0574	4834.1869	2983.4714	451.4156
	因素4	因素2	因素7	因素12	因素11	因素6
							F	288.8189	171.6465	106.2859	74.2872	50.15729	5.0230

对于指标2角钢危险单元数目，得到各因素对于两种水平下的k₁、k₂值，如表4所示：

表4 k₁、k₂值

	k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>		k<sub>1</sub>	k<sub>2</sub>
						因素1	13.5	15.125	因素7	14.875	13.75
因素2	15.25	13.375	因素8	15	13.625
						因素3	17.625	11	因素9	15.625	13
因素4	12.875	15.75	因素10	15.125	13.5
						因素5	17.25	11.375	因素11	15.25	13.375
因素6	15	13.625	因素12	14	14.625

通过比较各因素对应的k₁和k₂值，得到危险单元数目指标下的最严重覆冰工况为：011011111110，见图5，图中导线2、导线3、导线5、导线6、地线7、地线8、地线9、地线10、地线11表示覆冰，其余导地线无冰，见图中虚线所表示的导地线。

得到的方差比F计算如表5所示：

表5方差比F值

	因素3	因素5	因素4	因素9	因素11	因素2
							F	64.328244	50.587786	12.114504	10.099237	5.1526718	5.1526718
	因素1	因素10	因素6	因素8	因素7	因素12
							F	3.8702290	3.8702290	2.7709924	2.7709924	1.8549618	0.5725191

根据自由度和F值，查F分布表，认为F值大于10.13的因素有95％以上的可靠度，F值大于5.54的因素有90％的可靠度，F值越大表明因素对试验指标的影响程度越大，取90％可靠度，因此综合上述两指标下的分析结果，认为因素3、4、5、9和10对杆塔应力失效的影响程度较大。其他因素可靠度较低，是否融冰对杆塔失效的影响不大。

如果考虑风速和覆冰共同对杆塔力学失效的影响，选取其他三种气象条件进行正交试验，分别为风速22m/s，覆冰50mm、风速26m/s，覆冰50mm和风速30m/s，覆冰30mm，经过与上述相同的正交试验分析，发现始终是因素3、4、5、9和10的F值较大，因此导线3、4、5和地线9、10覆冰情况对杆塔失效影响最严重。综合对各指标的F值大小进行排序，这几个因素的影响程度从大到小依次为3、5、9、10和4。但是与最严重覆冰工况进行比较，发现因素4为水平0，说明融冰可能导致杆塔受不平衡张力增大，应当舍弃该因素。因此制定最优融冰策略为依次对导线3、5，地线9、10进行融冰处理，对于其他导/地线的覆冰，可以在之后进行融冰处理。这样的融冰方式既不会增加杆塔由于融冰不当导致不平衡张力过大而倒塔，同时能优先处理掉最危险的覆冰段，显著减小杆塔力学失效的风险。

在其他气象条件下，得到的F值较大的因素可能不同，排列顺序可能也不同。那么在需要融冰时，应当根据实测当地当时的气象情况设计正交试验，进行仿真分析，从而选择符合该气象条件下的最优融冰策略进行融冰。

Claims (4)

1.正交分析制定塔线系统融冰策略的方法，其特征是，包括：

步骤1，利用Ansys构建塔线系统的三维有限元模型，根据导线和地线的实际参数，构建导线悬链线模型、地线悬链线模型及绝缘子三维有限元模型；

步骤2，以各导线段和各地线段作为因素，根据导线段和地线段的数量确定多因素两水平正交表，并编制多因素两水平正交试验方案，并定义杆塔力学失效的指标；

所述两水平包括有冰覆盖和无冰覆盖，多因素两水平正交试验方案中每种试验代表导线段和地线段的一种覆冰组合；

所述指标包括杆塔角钢单元的最大轴向应力比值和危险单元数，所述轴向应力比值为杆塔角钢单元的轴向应力值与其屈服极限应力的比值，选出轴向应力值大于预设值的杆塔角钢单元及轴向应力比值最大的杆塔角钢单元，即危险单元；

步骤3，根据多因素两水平正交试验方案，采用有限元法，对各导线绝缘子悬挂处和各地线悬挂处分别施加设计的风荷载和冰荷载，模拟不同荷载下各杆塔的受力情况，并获得杆塔角钢单元的最大轴向应力比值和危险单元数；

步骤4，分别针对各指标，计算各因素各水平的指标平均值，根据指标平均值获得最严重覆冰工况，从而获得最优融冰顺序；

步骤4进一步包括：

4.1分别针对各指标，利用极差分析法计算多因素两水平正交表每一列中各因素各水平的指标平均值k₁和k₂，其中，k₁和k₂分别表示有冰覆盖水平和无冰覆盖水平下的指标平均值；比较各因素的k₁和k₂，若k₁更大，该因素取有冰覆盖水平；否则，取无冰覆盖水平，所有因素的水平即最严重覆冰工况；

4.2分别针对各指标，利用方差分析法计算多因素两水平正交表每一列中各因素的方差比，根据方差比分布表获得各因素的置信度水平和影响程度；选取方差比大于5.54的因素，记为待融冰因素，按照影响程度从大到小对所述待融冰因素排序，将所述待融冰因素和严重覆冰工况比对，找出各所述待融冰因素所对应的水平，舍弃无冰覆盖水平对应的因素，即获得最佳融冰顺序。

2.如权利要求1所述的正交分析制定塔线系统融冰策略的方法，其特征是：

步骤1具体为：

根据杆塔结构图纸构建塔线系统的三维有限元模型，再根据杆塔的实际线路、地理位置和海拔高度构建导线悬链线模型、地线悬链线模型及绝缘子三维有限元模型。

3.如权利要求1所述的正交分析制定塔线系统融冰策略的方法，其特征是：

步骤2具体为：

对导线段和地线段统一编号，以各导线段和各地线段作为因素，两水平包括有冰覆盖和无冰覆盖，其中，有冰覆盖记为水平1，无冰覆盖记为水平0；选择对应的多因素两水平正交表，并根据多因素两水平正交表编制多因素两水平正交试验方案。

4.如权利要求1所述的正交分析制定塔线系统融冰策略的方法，其特征是：

步骤3具体为：

采用有限元法，对三维有限元模型中各导线绝缘子悬挂处和各地线悬挂处分别施加风载荷和冰载荷的循环加载，同时约束塔脚和两端耐张塔的导地线绝缘子挂点的所有自由度，模拟不同荷载下杆塔的受力情况。