CN109063393A - 直线塔受力风险的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种直线塔受力风险的评估方法，其中包括：建模步骤，对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得塔线耦合体系的三维几何模型；计算步骤，分别计算不同覆冰厚度及不同风速下，直线塔的多种外界荷载；仿真步骤，基于所述塔线耦合体系的三维几何模型，通过施加所述多种外界荷载进行仿真，获得多个仿真结果；评估步骤，根据所述多个仿真结果，得到受力风险的评估结果。本发明可判断直线塔在覆冰时的风险程度，进而获得直线塔在覆冰灾害发生时受外界荷载作用下的力学特性，为电力运行部门何时采取融冰提供重要的参考价值，解决了现有技术中采用分值分析过程较为困难的问题。
Description
技术领域
本发明涉及直线塔有限元分析的技术领域，具体涉及一种直线塔受力风险的评估方法。
背景技术
输电塔是架空输电线路的重要组成部分，随着电网建设的快速发展，对输电塔的安全性要求越来越高。近年来极端天气出现情况增多，输电线大面积覆冰事件频发，导致的输电线路断线、导线舞动、倒塔、绝缘子闪络等事故，造成巨大的经济财产损失。
到目前为止，关于在多种均匀覆冰和风速共同作用下的输电塔线耦合体系，存在着采用分值分析过程较为困难的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直线塔受力风险的评估方法，从三个主要特征判断直线塔在覆冰时的风险程度，进而获得直线塔在覆冰灾害发生时受外界荷载作用下的力学特性，为电力运行部门何时采取融冰提供重要的参考价值，解决了现有技术中采用分值分析过程较为困难的问题。
第一方面，本发明的目的在于提供一种直线塔受力风险的评估方法，包括以下步骤：
建模步骤，对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，包括直线塔与杆塔单元、导地线单元、绝缘子单元的连接方式，线路结构的参数设置，几何模型的建立，网格单元的划分，得到塔线耦合体系的三维几何模型；
计算步骤，分别计算在不同覆冰厚度及不同风速下，直线塔的多种外界荷载，其中外界荷载包括单位冰荷载计算、导线有无覆冰时单位水平风荷载；
仿真步骤，基于塔线耦合体系的三维几何模型，通过设置多种覆冰与风俗的组合工况，施加不同工况下的外界荷载，对模型进行仿真，获得不同荷载下的仿真结果；
评估步骤，根据所述多个仿真结果，得到直线塔受力风险的评估结果。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，建模步骤包括：
使用ANSYS对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得“三塔两档”塔线体系有限元模型。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，计算步骤包括：
设置边界条件、自重力荷载和施加外界荷载；
分别计算导线覆冰的单位荷载、无覆冰时单位水平风荷载、有覆冰时的单位水平风荷载。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，导线覆冰的单位荷载通过以下算式计算：
算式中b为导线覆冰厚度，D为导地线的计算外径，π为标准圆周率，gb为重力加速度。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，导线无覆冰时单位水平风荷载通过以下算式计算：
Ln＝W0Dαβcμscμzμθ×10-3
算式中，W0为设计标准风速下标准风压值；α为风压不均匀系数；βc为110kV线路导地线风荷载调整系数；μsc为导地线体形系数；μz为风压高度变化系数；μθ为风向与导地线轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，导线有覆冰时单位水平风荷载通过以下算式计算：
Ln＝W0(D+2b)αβcμscμzμθ×10-3
算式中，W0为设计标准风速下标准风压值；b为导线覆冰厚度；D为导地线的计算外径；α为风压不均匀系数；βc为110kV线路导地线风荷载调整系数；μsc为导地线体形系数；μz为风压高度变化系数；μθ为风向与导地线轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，重力加速度为标准重力加速度gb＝9.80665m/s2。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，在仿真步骤之前，还包括：
初始化步骤，通过迭代修正的方法，计算导线和电线在自重作用下初始形态的参数。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，仿真结果，包括：
不同冰厚下轴向应力与风速的关系、节点位移与风速的关系、杆塔薄弱部分的分布或薄弱部位最大轴向应力。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，评估步骤，包括：
根据多个仿真结果得到直线塔最大轴向应力的大小和位置，与参照值进行对比评估，得到受力风险的评估结果。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明提供一种直线塔受力风险的评估方法，包括以下步骤：建模步骤，对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得塔线耦合体系的三维几何模型；计算步骤，分别计算不同覆冰厚度及不同风速下，直线塔的多种外界荷载；仿真步骤，基于所述塔线耦合体系的三维几何模型，通过所述多种外界荷载进行仿真，获得多个仿真结果；评估步骤，根据所述多个仿真结果，得到受力风险的评估结果。本发明采用有限元分析方法对输电线路杆塔受力特性进行评估，有效的减少了工作量，适用架空线路直线塔在覆冰荷载与风速荷载作用下的受力分析，为电力运行部门何时采取融冰操作提供重要的参考价值。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种覆冰时直线塔受力风险的评估方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种50#酒杯型直线塔有限元模型；
图3为本发明实施例提供的一种“三塔两档”塔线体系有限元模型。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
输电塔是架空输电线路的重要组成部分，随着电网建设的快速发展，对输电塔的安全性要求越来越高。我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家之一，覆冰事故已严重威胁了我国电力系统的安全运行，并造成了巨大的经济损失。华中的湖北、湖南、江西、河南等省及三峡地区，西南的云南、贵州、四川、华为的河北、山西及京津唐地区，西北的青海、宁夏等省区都发生过严重的输电线路覆冰事故。2008年春节前夕的持续雨雪天气造成了南方13个省电网的覆冰事故，造成了湖南和贵州发生了大面积停电，造成了国家电网公司直接经济损失上百亿元。输电线路覆冰事故主要有以下形式：严重覆冰引起过荷载导致的倒塔事故、不均匀覆冰或不同期脱冰引起的张力差导致的断线事故、绝缘子覆冰之后绝缘强度下降引起的闪烁事故、不均匀覆冰造成的导线舞动。到目前为止，关于在多种均匀覆冰和风速共同作用下的输电塔线耦合体系，存在着力学特性研究和风险评估的方法较少的问题，还存在着采用分值分析过程较为困难的问题。有鉴于此，本发明的目的在于提供一种直线塔受力风险的评估方法，得到杆塔的受力严重程度，进而获得输电杆塔在外界灾害作用下的力学性能，为电力运行部门提供重要的参考价值。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种覆冰时直线塔受力风险的评估方法进行详细介绍。
实施例：
参见图1所示的一种覆冰时直线塔受力风险的评估方法的流程图，该方法包括以下步骤：
S100：建模步骤，对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得塔线耦合体系的三维几何模型。
具体的，在S100中，采用ANSYS有限元分析软件进行建模，建立的塔线耦合体系三维几何有限元模型为“三塔两档”塔线体系有限元模型，“三塔两档”塔线体系有限元模型中包含三个50#酒杯型直线塔，直线塔之间的两个档距之间通过导、地线相互连接。其中建模过程还包括以下步骤：
定义单元类型，其中，直线塔中杆塔单元的各个杆件使用Beam188单元进行模拟，Beam188单元截面和形状均为自定义；导线地线单元使用Link10单元进行模拟；绝缘子单元使用Link8单元进行模拟。
参数设置，定义单元类型完成后，对杆塔单元、导线地线单元、绝缘子单元进行参数设置，其中：杆塔单元需要设置的参数有杆塔的主材、副材、斜材的截面积、截面形状、弹性模量、泊松比、密度；导地线单元需要设置的参数有等效截面、弹性模量、泊松比、密度、初应变；绝缘子串单元需要设置的参数有等效截面积、弹性模量、密度。
建立几何模型，参数设置完成后，根据输电线路中直线塔的实际结构，按照1:1的比例画出塔线的几何模型，直线塔为50#酒杯型，所述50#酒杯型直线塔与导线地线、绝缘子的连接方式如图2所示。
划分网格，建立几何模型后，对于塔线体系结构中各个构件赋予实际的材料属性和几何形状划分出网格单元，得到“三塔两档”塔线体系有限元模型，如图3所示。
S200：计算步骤，分别计算不同覆冰厚度及不同风速下，直线塔的多种外界荷载。
S2001：设置边界条件、自重力荷载和施加外界荷载；
S2002：分别计算导线覆冰的单位荷载、无覆冰时的单位水平风荷载、有覆冰时的单位水平风荷载。
具体的，在S200中，对于“三塔两档”塔线体系有限元模型中50#酒杯型直线塔的四个节点，均采用全自由度约束，自重荷载的重力加速度为标准重力加速度gb＝9.80665m/s2。
单位冰荷载，为导线覆冰时的单位荷载，通过以下算式进行计算：
算式中，b为导线覆冰厚度，单位为mm；D为导地线的计算外径；单位为mm；π为标准圆周率；gb为重力加速度。
无覆冰风荷载，为导线在无覆冰时的单位水平风荷载Ln，单位为N/m，通过以下算式进行计算：
Ln＝W0Dαβcμscμzμθ×10-3
算式中，W0为设计标准风速下标准风压值，单位为N/m2；α为风压不均匀系数；βc为110kV线路导地线风荷载调整系数；μsc为导地线体形系数；μz为风压高度变化系数；μθ为风向与导地线轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数。
有覆冰风荷载，为导线在有覆冰时的单位水平风荷载Ln，单位为N/m，通过以下算式进行计算：
Ln＝W0(D+2b)αβcμscμzμθ×10-3
算式中，W0为设计标准风速下标准风压值，单位为N/m2；b为导线覆冰厚度，单位为mm；D为导地线的计算外径，单位为mm；α为风压不均匀系数；βc为110kV线路导地线风荷载调整系数；μsc为导地线体形系数；μz为风压高度变化系数；μθ为风向与导地线轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数。
上述无覆冰风荷载和有覆冰风荷载中对于导、地线的单位水平风荷载算式，按照《110～500kV架空送电线路设计技术规程(DL/T5092-1999)》规定，垂直于导、地线的轴向。
完成S200之后即可进行仿真步骤，作为一个优选方案，在仿真之前还可以包括初始化步骤，通过迭代修正的方法，计算导线和电线在自重作用下初始形态的参数。
S300：仿真步骤，基于塔线耦合体系的三维几何模型，通过施加多种外界荷载进行仿真，获得多个仿真结果。
具体的，在S100建立的“三塔两档”塔线体系有限元模型中施加S200中计算得到的多种外界荷载，进行仿真求解，得到50#酒杯型直线塔在不同覆冰厚度及不同风速工况下的多种仿真结果，包括：
轴向应力与风速的关系，统计每一种不同覆冰厚度及不同风速工况下，50#酒杯型直线塔的节点位移和轴向应力；
覆冰关系曲线，根据每一种不同覆冰厚度及不同风速工况下的仿真结果，得到50#酒杯型直线塔在不同覆冰厚度下轴向应力与风速的关系曲线和节点位移与风速的关系曲线；
薄弱位置分布，记录每一种不同覆冰厚度及不同风速工况下的仿真过程中，轴向应力和节点位移最大的位置，综合判断50#酒杯型直线塔的薄弱位置的分布。
S400：风险评估步骤，根据多个仿真结果，得到受力风险的评估结果。
具体的，通过S300得到的在不同覆冰厚度及不同风速工况下50#酒杯型直线塔的轴向应力与风速的关系、覆冰关系曲线、薄弱位置分布三个方面综合判断50#酒杯型直线塔受力风险最大的部位，然后计算该部分的最大轴向应力，并与参照值进行对比，判断50#酒杯型直线塔受力风险的严重程度。本发明采用有限元分析方法对输电线路直线塔的受力特性进行评估，有效的减少了工作量，适用架空线路直线塔在覆冰荷载与风速荷载作用下的受力分析。
本发明实施例提供的一种直线塔受力风险的评估方法，包括以下步骤：建模步骤，对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得塔线耦合体系的三维几何模型；计算步骤，分别计算不同覆冰厚度及不同风速下，直线塔的多种外界荷载；仿真步骤，基于所述塔线耦合体系的三维几何模型，通过所述多种外界荷载进行仿真，获得多个仿真结果；评估步骤，根据所述多个仿真结果，得到受力风险的评估结果。本发明采用有限元分析方法对输电线路杆塔受力特性进行评估，有效的减少了工作量，适用架空线路直线塔在覆冰荷载与风速荷载作用下的受力分析，为电力运行部门何时采取融冰操作提供重要的参考价值。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
建模步骤，对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得塔线耦合体系的三维几何模型；
计算步骤，分别计算不同覆冰厚度及不同风速下，直线塔的多种外界荷载；
仿真步骤，基于所述塔线耦合体系的三维几何模型，通过施加所述多种外界荷载进行仿真，获得多个仿真结果；
评估步骤，根据所述多个仿真结果，得到受力风险的评估结果。
2.根据权利要求1所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述建模步骤，包括：使用ANSYS对输电线路的直线塔进行有限元力学建模，获得“三塔两档”塔线体系有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述计算步骤，包括：
设置边界条件、自重力荷载和施加外界荷载；
分别计算导线覆冰的单位荷载、无覆冰时的单位水平风荷载、有覆冰时的单位水平风荷载。
4.根据权利要求3所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述导线覆冰的单位荷载通过以下算式计算：
其中b为导线覆冰厚度，D为导地线的计算外径，π为标准圆周率，gb为重力加速度。
5.根据权利要求3所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述导线无覆冰时单位水平风荷载通过以下算式计算：
Ln＝W0Dαβcμscμzμθ×10-3
其中，W0为设计标准风速下标准风压值；α为风压不均匀系数；βc为110kV线路导地线风荷载调整系数；μsc为导地线体形系数；μz为风压高度变化系数；μθ为风向与导地线轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数。
6.根据权利要求3所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述导线有覆冰时单位水平风荷载通过以下算式计算：
Ln＝W0(D+2b)αβcμscμzμθ×10-3
其中，W0为设计标准风速下标准风压值；b为导线覆冰厚度；D为导地线的计算外径；α为风压不均匀系数；βc为110kV线路导地线风荷载调整系数；μsc为导地线体形系数；μz为风压高度变化系数；μθ为风向与导地线轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数。
7.根据权利要求4所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述重力加速度为标准重力加速度gb＝9.80665m/s2。
8.根据权利要求1所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，在所述仿真步骤之前还包括初始化步骤，通过迭代修正的方法计算导线和电线在自重作用下初始形态的参数。
9.根据权利要求1所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述仿真结果，包括：
不同冰厚下，轴向应力与风速的关系、节点位移与风速的关系、直线塔薄弱部分的分布或薄弱部位最大轴向应力。
10.根据权利要求1所述的一种直线塔受力风险的评估方法，其特征在于，所述评估步骤，包括：
根据所述多个仿真结果得到直线塔最大轴向应力的大小和位置，与参照值进行对比评估，得到受力风险的评估结果。
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