CN110442897B - 一种输电线塔倒塔情况分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种输电线塔倒塔情况分析方法，所述分析方法包括：基于输电线塔健康指数与强风下倒塔的概率，建立输电线塔倒塔概率模型，确定所述输电线塔倒塔概率模型中的参数模型，获取所需测试风速，确定输电线塔倒塔概率模型的参数值，得出倒塔概率值；能够对输电线塔在不同风速下的倒塔概率全面分析，有效确保输电线塔倒塔概率的有效性、全面性，便于输电线塔在不同风险前全面做好预防措施。

Description

一种输电线塔倒塔情况分析方法

技术领域

本发明属于输电线塔领域，特别涉及一种输电线塔倒塔情况分析方法。

背景技术

输电线塔是大柔性、小阻尼、风敏感结构，风灾是输电线杆塔损失的主要成因，尤其是需要架设在一定海拔高度上的输电线塔。设置在山间或高处的输电线塔，在设计是不仅需要考虑地形的影响，还需要考虑由地形造成局部风对输电线塔长久的作用力。

在狂风作用下，输电线塔受到风速、风向、塔应力和导向的拉力几个方面的作用力，现有技术对较高海拔的单个输电线塔受上述因素影响产生的振动进行了研究，或者建立了仅考虑风速风向对输电线路塔影响的模型。这些研究难以适用于大多输电线塔所处的环境，也难以全面的得出输电线塔的健康状况，导致输电线倒塔情况难以把握，导致无法及时稳固或者替换破损的输电线塔，造成更大的电力损失。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种输电线塔倒塔情况分析方法。

一种输电线塔倒塔情况分析方法，所述分析方法包括：

基于输电线塔健康指数与强风下倒塔概率，建立输电线塔倒塔概率模型；

确定所述输电线塔倒塔概率模型中的调整参数、输电线塔健康指数和强风下倒塔概率的模型；

获取所需测试风速，确定所述输电线塔倒塔概率模型各参数值，得出所述风速下的倒塔概率值；

依据所述倒塔概率值，判断输电线塔倒塔情况。

进一步地，所述输电线塔倒塔概率模型为：

(1)式中，TLTHI为输电线塔健康指数，P_{fall_hw}(ω)为强风下倒塔的概率，a₁为调整参数，ω为风速，z为输电线塔任意点的高度，t为时间，M_R(z)为输电线塔任意高度处结构截面的抗弯抗力，M₁(z,t)为t时刻输电线塔z高度处的截面弯矩，rud表示冗余参数，z为输电线塔任意点的高度。

进一步地，所述输电线塔健康指数通过有效老化方程、老化系数、有效摧毁弯矩和弯矩系数确定:

(2)式中，M_eff(t)为有效摧毁弯矩，Age_eff(t)为有效老化方程，A和B为老化参数，M_R(z)为输电线塔任意高度处结构截面的抗弯抗力，M₁(z,t)为t时刻输电线塔z高度处的截面弯矩，rud表示冗余参数，z为输电线塔任意点的高度，t为时间。

进一步地，所述有效摧毁弯矩M_eff(t)：

在(3)式中，H为输电线塔高度，M_eff(z,t)为t时刻输电线塔z高度处的有效摧毁弯矩，z为输电线塔任意点的高度，t为时间。

进一步地，所述有效老化方程Age_eff(t)：

Age_gff(t)＝f(S_tructure，M_aterial，T_emperature，H_umidity′PH) (5)，

(5)式中，S_tructure为结构索引，M_aterial为材料索引，T_emperature为空气温度，H_umidity为空气湿度，PH为空气酸碱度系数。

进一步地，所述调整参数a₁与所述输电线塔的老化程度、所处环境和所测试风速相关。

进一步地，所述强风下倒塔的概率为无老化因素影响的理论倒塔概率。

进一步地，所述测试风速可通过历史气象信息和/或气象预测信息获取。

进一步地，所述测试风速包括多个风向上和多个高度上的风速。

进一步地，所述输电线塔倒塔情况包括：当所述输电线塔倒塔概率P_fall(ω)＝0时，所述输电线塔倒塔情况判断为不危；

当所述输电线塔倒塔概率为0<P_fall(ω)≤0.5时，所述输电线塔倒塔情况判断为易危；

当所述输电线塔倒塔概率为0.5<P_fall(ω)<1时，所述输电线塔倒塔情况判断为极危；

当所述输电线塔倒塔概率P_fall(ω)＝1时，所述输电线塔倒塔情况判断为危险。

本发明的输电输电线塔倒塔情况分析方法通过输电线塔健康指数与强风下倒塔的概率建立输电线塔倒塔概率模型，能够对输电线塔在不同风速下的倒塔概率全面分析，有效确保输电线塔倒塔概率的有效性、全面性，便于输电线塔在不同风险前全面做好预防措施。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明实施例输电线塔倒塔情况分析方法的流程图；

图2示出了根据现有技术计算的不同风速下倒塔概率曲线；

图3示出了根据本发明实施例计算的不同风速下倒塔概率曲线。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，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。

一种输电线塔倒塔情况分析方法，包括如下步骤：

步骤一：基于输电线塔健康指数与强风下倒塔的概率，建立输电线塔倒塔概率模型。

由于输电线塔为多层钢结构建筑，该种结构对不同应力型灾害的响应和倒塌概率具有统一性。现有技术中建立了单个建筑物的关于地震表现的评估模型(FEMA.SeismicPerformance Assessment of Buildings)，基于该评估模型中关于建筑物结构的部分，建立了在不同风负载下的输电线塔倒塔概率(Power System Resilience to ExtremeWeather:Fragility Modeling,Probabilistic Impact Assessment,and AdaptationMeasures)，但是该种概率模型没有考虑到：随着时间累积，钢结构的结构疲劳、锈蚀以及其他负面健康效应，导致自然灾害的破坏概率和破坏程度上升的情况。

在本发明实施例将钢结构的结构疲劳、锈蚀、高低温、运行后各种载荷的长期作用等其他负面影响，归纳于对输电线塔的健康指数(TLTHI)当中。随着运行时间的延长，输电线塔的健康指数TLTHI会逐渐下降。将健康指数TLTHI与现有倒塔概率模型相结合，得到本发明实施例的倒塔概率模型为：

在(1)式中，TLTHI为输电线塔健康指数，P_{fall_hw}(ω)为强风下倒塔的概率，a₁为调整参数，ω为风速，z为输电线塔任意点的高度，t为时间，M_R(z)为输电线塔任意高度处结构截面的抗弯抗力，M₁(z,t)为t时刻输电线塔z高度处的截面弯矩，rud表示冗余参数，z为输电线塔任意点的高度。

当M₁(z,t)＜M_R(z)发生时，表明在t时刻输电线塔z高度处受风载荷的影响在输电线塔z高度处结构截面的抗弯抗力之内，风载荷不会造成输电线塔任一处结构发生损害。因此，在该范围内的风载荷不会造成倒塔情况，倒塔概率为0。

当M₁(z,t)＞rudM_R(z)发生时，表明在t时刻输电线塔受风载荷的影响至少在输电线塔z高度处的截面弯矩超出了包含冗余的额定设计值，倒塔情况极有可能发生，在这种情况下，假设塔本身的健康状况已经为“0％”。

当M₁(z,t)位于M_R(z)和rudM_R(z)时间，则说明输电线塔有倒塔的风险。

步骤二：确定所述输电线塔倒塔概率模型中的调整参数、输电线塔健康指数和强风下倒塔概率的模型。

健康指数TLTHI(Transmission Line Tower Health Index)受输电线塔受力时间、输电线塔使用时间、输电线塔结构、输电线塔使用材料、输电线塔所处的环境变量、老化过程等因素的影响。

现有输电线塔的健康状况是通过输电线塔杆的损害程度进行估计，输电线塔杆的损害程度具体为：通过许多结构工程试验的分析，得出材料强度特性满足自然对数分布；在给定的灾害强度所造成的相应工程参数S_d下，达到或超过损害程度ds时的概率如下式所示：

在上式中，

是达到损害程度，ds边界条件时相应工程参数的中值，β_ds是相同条件下相应工程参数自然对数的标准差，Φ是标准正态分布概率密度函数。但该式涉及参数单一，难以精确得出风灾损害时间的累积导致输电线塔健康状况的变化。

在本实施例中，根据影响因素健康指数TLTHI主要由两个方面组成：一方面为环境造成输电线塔的老化程度，另一方面为风力作用在输电线塔上的形成的累积作用。

输电线塔在初始状态即建造后还未立即投入使用时，健康指数为100％，随着输电线塔使用时间的推移，输电线塔结构逐渐老化，健康指数会逐渐下降。当输电线塔各处结构面的受力在所设计的冗余受力范围内，健康指数虽然受到风力和老化的影响，但输电线塔能够继续运行。而当输电线塔某处结构面的受力超过所设计的输电线结构面冗余受力范围，则说明倒塔情况极有可能发生；此时即可将输电线塔本身的健康状况视为“0”，需要对输电线塔进行更换。

因此，可将输电线塔健康指数分为在冗余受力范围内和超出冗余受力范围两种情况，具体的健康指数公式为：

在(2)式中，M_eff(t)为有效摧毁弯矩，Age_eff(t)为有效老化方程，A和B为老化参数，M_R(z)为输电线塔任意高度处结构截面的抗弯抗力，M₁(z,t)为t时刻输电线塔z高度处的截面弯矩，rud表示冗余参数，z为输电线塔任意点的高度，t为时间。

当M₁(z,t)＞rudM_R(z)发生时，表明在t时刻杆塔受风载荷的影响至少在某一高度处其截面弯矩超出了包含冗余的额定设计值，倒塔情况极有可能发生，在这种情况下，假设塔本身的健康状况已经为“0％”。

有效摧毁弯矩M_eff(t)是指输电线塔整体的有效摧毁弯矩，是对输电线塔不同高度处的有效摧毁弯矩进行归一化处理：

在(3)式中，H为输电线塔总高度，M_eff(z,t)为t时刻输电线塔z高度处受风载荷作用产生的有效摧毁弯矩。

有效摧毁弯矩具体为：当风力作用在输电线塔某一高度处的负荷大于该处结构面能够产生的抗弯抗力时，说明此时风力的荷载能够对处结构造成一定的损害作用，具体的损害效果可由M_eff(z,t)值来体现。M_eff(z,t)为t时刻风力的荷载与该高度处产生的抗弯抗力之差除以该高度处产生的抗弯抗力。

t时刻，当输电线塔任意高度处的摧毁弯矩小于该高度处结构截面产生的抗弯抗力时，说明该时刻输电线塔该高度处风力的荷载作用并未超过该处的抗弯抗力，不会对该处结构造成任何损害，即可认为该种情形下的M_eff(z,t)为0。

M_eff(z，t)的表达式为：

在(4)式中，M_R(z)为输电线塔任意高度处的抗弯抗力，M₁(z,t)为t时刻输电线塔z高度处的截面弯矩。

输电线塔受风力作用时，存在输电线塔和输电线之间的震动相互影响，而输电线塔和输电线之间的影响构成了一个相互耦联的非线性体系。将直接作用在输电线塔身的力和输电线作用在塔身上的力共同设计为风载荷在输电线塔身上产生的结构面弯矩效应。

在风载荷造成输电线塔产生的弯矩作用下，z高度处输电线塔截面所需的抗弯抗力随着输电线塔高度增加呈指数分布，z高度处输电线塔的抗弯抗力公式为：

M_R(Z)＝αe^-βz+γ (5)

在(5)式中，α、β、γ为待定参数，不同的输电杆塔会有不同的特性，需要分别进行有限元分析，或者力学试验测试对待定参数进行拟合，即可得出该抗弯抗力。

当时刻t确定时，M₁(z,t)的值仅与高度有关，而当输电线塔高度z确定时，z定义为所需计算截面的高度z₀，则t时刻所求z₀高度处受风荷载作用产生的弯矩可定义为M₁(z₀)，M₁(z₀)具体如下式表示：

在(6)式中，z为高度；z₀为计算截面的高度，H为杆塔总高度，F(z)为输电线塔塔身的等效设计风荷载，受高度变化。示例性的，所述F(z)可由下式进行示例性说明：

上式中，ρ_air为空气密度，ω_max(z)为输电线塔z高度处的最大基本风速，C_flg为空气动力体型系数，C_dyn为动力响应因子，A_f为杆塔的迎风面积。

SMTHPt有效老化方程Age_eff(t)与输电线塔的结构，输电线塔的材料，所处环境中的温度、湿度和酸碱度相关，在这些因素的影响下，随着时间积累会产生不同的输电线塔老化效果，因此SMTHPt的表达式为：

Age_eff(t)＝f(S_tructure，M_atgrial，T_emperature，H_umidity′PH) (7)

(7)式中，S_tructure为结构索引；M_aterial为材料索引；两个索引参数定位不同设计标准下的输电线塔特性；M_aterial为空气温度；H_umidity为空气湿度；PH为空气酸碱度系数。

老化系数B的作用是对老化方程进行修正，随着输电线塔的运行时间越接近所设计的生命周期，环境因素作用输电线塔上的作用越强，因此需要对输电线塔生命周期内的老化程度进行归一化处理，老化系数B的定义公式为：

(8)式中，T_total为理想环境和静止风条件下输电线塔额定全生命设计周期，即此时间后，由于结构老化和疲劳的作用，输电线塔已经不能支撑额定风荷载造成的截面弯矩。

因此在确定的环境下，对于确定周期的输电线塔，老化系数B可求为确定的参数，具体的各环境数值可由通过当地环境记录和实地检测得出。

示例性的，在标准输电线塔结构，标准输电线塔材料，理想的老化环境：空气温度25℃，湿度60％，酸碱度为中性PH＝7下，B可被定义为：

老化系数A与输电线塔的有效摧毁弯矩和输电线塔的抗弯抗力有关，随着输电线塔的运行时间越接近所设计的生命周期，风载荷的压力对输电线塔的压力也越明显，有效摧毁弯矩随着运行时间的延长会升高，同样需要对弯矩系数进行归一化处理，老化系数A的定义公式为：

在(9)式中，M_fall(z)为风载荷F_fall下输电线塔z高度处对应的塔截面弯矩，为常数；F_fall在输电线塔全生命周期内均匀的通过一个水平方向施加于塔身，并恰好在塔设计寿命结束的那一刻T_total，导致某一横截面不能支撑实时风荷载作用造成输电线塔弯矩，而造成倒塔现象。此过程的力F_fall可以通过多物理量耦合有限元分析获得，从而得出A的数值解。

综上所述，对于确定的输电线塔，其高度已知，所处环境已知，所设计的生命周期已知。在运行一段时间后，可以得出该输电线塔在不同风速下的倒塔概率。

调整参数a₁：调整参数a₁与输电线塔的老化程度、所处环境和所测试风速相关。

明确调整参数a₁范围：在输电线塔投运第一年依据本发明实施例的输电线塔倒塔概率模型确定最低a₁值。模拟输电线塔生命周期最后一年，依据输电线塔倒塔概率模型确定最高a₁值。

再依据输电线塔的运行时间，在理想a₁值与最高a₁值内选取所需值。示例性的，调整参数a₁的取值范围为0～2中任意不为0的数值，若通过历史气候、气象预测结果良好，而输电线塔当前使用时间为2两年，结构损耗较少，则调整参数可选小于1的值，用于降低现有模型计算的强风下倒塔概率值；若通过历史气候、气象预测结果为恶劣，且输电线塔的使用时间为10年，则调整参数选用大于1的值，用于提高现有模型计算的强风下倒塔概率值，提升输电线塔的防护等级。

强风下倒塔的概率P_{fall_hw}(ω)：P_{fall_hw}(ω)通过现有不同风负载下的输电线塔倒塔概率模型得出。

步骤三：获取所需测试风速，将所述测试风速带入所述输电线塔倒塔概率模型中，得出倒塔概率值。

所需的测试风速可依据输电线塔所在地的历史气象信息和气象预测信息获取。

不同地形所形成的风速均有不同，为了对输电线塔的风载负荷进行准确把握，历史气象信息和气象预测信息均需要获取，综合考虑。

通过预测风速值，获取输电线塔不同高度处的截面弯矩，再通过归一化处理得出输电线塔整体所遭受的有效摧毁弯矩，既而得出该预测风速值和该工作时间下输电线塔的健康指数，获得对应输电线塔的倒塔概率。

步骤四，依据所计算的倒塔概率值，判断输电线塔倒塔情况。

将倒塔概率值进行等级分类，依据不同等级的输电线塔倒塔概率，判断输电线倒塔情况，对输电线倒塔情况对应处理。

倒塔概率值进行等级分类具体为：当所述输电线塔倒塔概率P_fall(ω)为0时，所述输电线塔倒塔情况判断为不危；

当所述输电线塔倒塔概率为0<P_fall(ω)≤0.5时，所述输电线塔倒塔情况判断为易危；

当所述输电线塔倒塔概率为0.5<P_fall(ω)<1时，所述输电线塔倒塔情况判断为极危；

当所述输电线塔倒塔概率P_fall(ω)为1时，所述输电线塔倒塔情况判断为危险。

当所述输电线塔倒塔情况判断为不危时，则不作任何处理，仅对输电线塔进行监测观察；

当所述输电线塔倒塔情况判断为易危时，在大风来临前，对输电线塔进行全面检查，对脆弱点进行加固；

当所述输电线塔倒塔情况判断为极危时，在大风来临前，对输电线塔进行全面检查，对脆弱点进行加固后，对输电线塔四周采用支撑装置进行支撑，并实时监测输电线塔状况；

当所述输电线塔倒塔情况判断为危险时，对输电线进行替换处理。

通过本发明实施例输电线倒塔情况分析方法，较为准确的在大风来临前对输电线倒塔概率进行计算，有效分析了不同风险下输电线倒塔情况。

示例性的，若输电线塔为标准输电线塔结构、标准输电线塔材料且在理想的老化环境：空气温度25℃，湿度60％，酸碱度为中性pH＝7下，输电线塔高为15米时，输电线塔的最大设计年限为20年，当输电线塔建成投运后的第8年时，分析该输电线塔在不同风速下的倒塔概率。

通过本实施例输电线倒塔概率模型得出该输电线塔在不同风速下的倒塔概率如图2所示，有该输电线塔在当前环境下：风速小于40m/s，则该输电线塔处于不危状态；当风速为40-64m/s时，则该输电线塔处于易危状态；当风速为64-100m/s时，则该输电线塔处于极危状态；当风速超过100m/s时，则该输电线塔处于危险状态。

示例性的，选择安装高度在海拔400m处，四季温差较大的临河输电线塔进行倒塔情况分析，对该输电线塔进行分析后，得出该输电线塔为标准输电线塔结构，标准输电线塔材料，输电线塔高为20米，当前所处的老化环境：空气温度31℃左右，湿度45％左右，酸碱度为pH＝7.6左右，输电线塔的最大设计年限为20年，此时该输电线塔建成投运后的第13年，分析该输电线塔在不同风速下的倒塔概率。分析结果如图3所示：当输电线塔位于投运第一年时，输电线塔的倒塔概率如图中右侧曲线所示，输电线塔位于最大设计年限时，输电线塔的倒塔概率如图中左侧曲线所示。依据当前输电线塔的老化程度、所处环境和所测试风速相关调整参数a₁在该输电线塔的倒塔概率模型取值为1.2，从而确定该输电线塔的倒塔概率模型仅与使用时间和风速相关。

当输电线塔建成投运后的第13年时，该输电线塔的倒塔概率仅与风速相关。当获知所面临风险的平均风速为20m/s时，该输电线塔的倒塔概率为0.79，判断该输电线塔在本次风险中为极危情况。需要仔细检测，做加固支撑处理，并实时监测输电线塔的状态。从而有效实现利用本发明的倒塔概率模型对输电线塔倒塔情况的准确分析。

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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种输电线塔倒塔情况分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：

基于输电线塔健康指数与强风下倒塔概率，建立输电线塔倒塔概率模型；

确定所述输电线塔倒塔概率模型中的调整参数、输电线塔健康指数和强风下倒塔概率的模型；

获取所需测试风速，确定所述输电线塔倒塔概率模型各参数值，得出所述风速下的倒塔概率值；

依据所述倒塔概率值，判断输电线塔倒塔情况；

其中，所述输电线塔倒塔概率模型为：

（1），

（1）式中，TLTHI为输电线塔健康指数，

为强风下倒塔的概率，

为调整参数，

为风速，z为输电线塔任意点的高度，t为时间，

为输电线塔任意高度处结构截面 的抗弯抗力，

为t时刻输电线塔z高度处的截面弯矩，

表示冗余参数，z为输电 线塔任意点的高度；

其中，所述输电线塔健康指数通过有效老化方程、老化系数、有效摧毁弯矩和弯矩系数确定:

（2），（2） 式中，

为有效摧毁弯矩，

为有效老化方程，A和B为老化参数；

其中，所述有效摧毁弯矩

：

（3），在（3）式中，H为输电线塔高度，

为t时刻输 电线塔z高度处的有效摧毁弯矩；

其中，所述有效老化方程

：

（5），

（5）式中，

为结构索引，

为材料索引，

为空气温度，

为空气 湿度，

为空气酸碱度系数；

其中，B的公式为：

式中，

为理想环境和静止风条件下输电线塔额定全生命设计周期；

其中，A的公式为：

式中，

为风载荷

下对应的塔截面弯矩，为常数。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述调整参数

与所述输电线塔的老 化程度、所处环境和所测试风速相关。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述强风下倒塔的概率为无老化因素影响的理论倒塔概率。

4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述测试风速可通过历史气象信息和/或气象预测信息获取。

5.根据权利要求1或3所述的分析方法，其特征在于，所述测试风速包括多个风向上和多个高度上的风速。

6.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述输电线塔倒塔情况包括：当所述 输电线塔倒塔概率

时，所述输电线塔倒塔情况判断为不危；

当所述输电线塔倒塔概率为

时，所述输电线塔倒塔情况判断为易危；

当所述输电线塔倒塔概率为

时，所述输电线塔倒塔情况判断为极危；

当所述输电线塔倒塔概率

时，所述输电线塔倒塔情况判断为危险。

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