CN110442899A - 一种输电线塔健康状况分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种输电线塔健康状况分析方法，所述分析方法包括，基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身老化程度建立输电线塔健康状况模型；确定老化修正系数、输电线塔的有效摧毁弯矩和有效老化量；依据所述输电线塔健康状况模型，判断输电线塔的健康状况。本发明的输电线塔健康状况分析方法通过基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身的结构、材料、外界环境变量、建成使用年龄和老化过程确定输电线塔健康状况模型，通过各个系数的确定，得出输电线塔的健康指数，进而判断出输电线塔的健康状况；有效确保输电线健康状况的有效性、全面性，便于输电线塔在不同风险前全面做好预防措施。

Description

一种输电线塔健康状况分析方法

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健康状况分析方法。

背景技术

输电线塔是支持高压或超高压架空送电线路的导线和避雷线的构筑物；按其形状一般分为：酒杯型、猫头型、上字型、干字型和桶型五种，按用途分有：耐张塔、直线塔、转角塔、换位塔、终端塔和跨越塔等。输电线塔是大柔性、小阻尼、风敏感结构；在日常使用中主要承受风荷载、冰荷载、线拉力、恒荷载、安装或检修时的人员及工具重以及断线、地震作用等荷载；其中风灾是输电线杆塔损失的主要成因。

为了准确的掌握输电线塔的健康状况，便于在不同的风险前做好防范措施，需要对输电线塔的健康状况进行分析；现有的输电线塔的健康状况分析存在着很多问题，比如无法根据输电线塔结构面弯矩以及输电线塔本身的老化程度进行分析；因而分析得出的健康状况存在很大的误差，在风险来临时可能会由于分析结果的误差造成较大的经济损失。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种输电线塔健康状况分析方法，所述分析方法包括，

基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身老化程度建立输电线塔健康状况模型；

确定老化修正系数、输电线塔的有效摧毁弯矩和有效老化量；

依据所述输电线塔健康状况模型，判断输电线塔的健康状况。

进一步地，所述输电线塔健康状况模型的表达式为：

式中参数t是输电线塔的使用时间，z是输电线塔任意一点的高度，M_eff(t)为有效摧毁弯矩；Age_eff(t)为有效老化方程；A和B为调整参数；rud表示冗余参数；M₁(z,t)表示结构截面的弯矩，所述M_R(z)表示结构截面的抗弯抗力。

进一步地，所述老化修正系数包括对输电线塔的有效摧毁弯矩造成老化和输电线塔所处环境造成老化结果进行修正。

进一步地，所述输电线塔的有效摧毁弯矩造成老化的修正系数表达公式为：

式中z是输电线塔任意一点的高度，M_fall(z)为风载荷F_fall下对应的塔截面弯矩；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，H为杆塔总高度；M_R(z)表示结构截面的抗弯抗力。

进一步地，所述输电线塔所处环境造成老化的修正系数的表达式为：

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；f(1，1，25，60％，7)为已知标准的输电线塔结构索引，标准的材料索引，空气温度，湿度，酸碱度形成的衰老函数。

进一步地，所述有效老化量的表达式为：

Age_eff(t)＝f(S_tructure,M_aterial,T_emperature,H_umidity,PH)

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；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，所述有效摧毁弯矩M_eff(t)的计算式为：

所述M_eff(t)为有效摧毁弯矩计算式如下式所示：

其中，上式中，M_eff(z，t)的计算式如下式所示：

式中，z是输电线塔任意一点的高度，t表示输电线塔使用的时间，H为杆塔总高度，M₁(z,t)表示结构截面的弯矩，所述M_R(z)表示结构截面的抗弯抗力。

进一步地，所述输电线塔的健康状况包括：

当TLTHI＝0％时，输电线塔的健康状况为极差，发生倒塌概率的可能性极高；

当0％<TLTHI≤60％时，输电线塔的健康状况为较差，发生倒塌概率的可能性较高；

当60％<TLTHI<100％时，输电线塔的健康状况为良好，发生倒塌概率的可能性低；

当TLTHI＝100％时，输电线塔的健康状况为优，发生倒塌概率的可能性极为0。

本发明的输电线塔健康状况分析方法通过基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身的结构、材料、外界环境变量、建成使用年龄和老化过程确定输电线塔健康状况模型，通过各个系数的确定，得出输电线塔的健康指数，进而判断出输电线塔的健康状况；有效确保输电线健康状况的有效性、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的分析方法的流程图。

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。

本发明提供一种输电线塔健康状况分析方法，图1示出了本发明实施例的分析方法流程图；示例性的，如图1所示，所述分析方法包括以下步骤：

步骤一：基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身老化程度建立输电线塔健康状况模型；

具体的，所述输电线塔健康状况模型由输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身老化程度决定，因此输电线塔健康状况的表达式为：

式(1)中TLTHI(Transmission Line Tower Health Index)为输电线塔健康指数，本发明中将健康指数模型确定为输电线塔的健康状况模型，式(1)中M_eff(t)为输电线塔有效摧毁弯矩，Age_eff(t)为输电线塔有效老化量，A为弯矩造成老化的修正系数，B为输电线塔环境造成老化的修正系数，rud表示冗余参数；M₁(z,t)表示风荷作用在输电线塔上结构截面的弯矩，M_R(z)表示输电线塔的弯矩作用下，结构截面的抗弯抗力。

具体的，A和B表示两种不同的机制造成的输电线杆塔老化结果，其中A表示的机制是输电线塔长期受外力作用造成老化的修正系数，B表示的机制是外部环境对输电线塔造成老化的修正系数；通过A、B两个系数，使计算的结果更加符合现实状态。

式(1)中，当M₁(z,t)＞rud M_R(z)时，表明杆塔受风载荷的影响至少在某一点其结构截面弯矩超出了包含冗余的额定设计值，即可认为输电线塔的健康状况差，倒塔情况极有可能发生，但却也并不是绝对会发生(示例性的，rud＝1.2时，即可认为不会发生倒塔现象)；但是，在这种情况下，即假设塔本身的健康现状已经为“0”，需要全面的检修、恢复。相反的，当M₁(z，t)＜rud·M_R(z)时，表明杆塔受风载荷的影响其结构截面弯矩均未超出包含冗余的额定设计值，即可认为倒塔情况发生的可能性较小；在M₁(z，t)＝rud·M_R(z)时，表明杆塔受风载荷的影响其结构截面弯矩等于冗余的额定设计值，即可认为倒塔情况极有可能发生，但不是绝对会发生。

步骤二：确定老化修正系数A和B、输电线塔的有效摧毁弯矩M_eff(t)和有效老化量Age_eff(t)；

具体的，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，且所述有效摧毁弯矩M_eff(t)由输电线塔的高度H、输电线塔的抗弯抗力M_R(z)以及输电线塔当前运行时间对应的抗弯抗力M₁(z,t)决定；示例性的，M_eff(t)的计算式为：

式(2)中，H为输电线塔高度，M_eff(z,t)为输电线塔任意高度处在当前运行时间下积累的有效摧毁弯矩。

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，M_eff(z,t)为风力的积累负荷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，说明此时风力的积累负荷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。

当输电线塔任意高度处积累的摧毁弯矩小于该高度处结构截面产生的抗弯抗力时，说明在输电线塔该高度处风力积累的负荷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。

式(2)中输电线塔任意高度处在当前运行时间下积累的有效摧毁弯矩M_eff(z,t)由输电线塔的抗弯抗力M_R(z)以及输电线塔当前运行时间对应的结构截面弯矩M₁(z,t)来决定，示例性的，所述M_eff(z,t)的表达式为：

式(3)中，M_R(z)为输电线塔的抗弯抗力，M₁(z,t)为输电线塔当前运行时间对应的结构截面的弯矩。

输电线塔有效老化(SMTHPt)量Age_eff(t)由输电线塔的结构、输电线塔的材料、所处环境中的温度、湿度和酸碱度决定，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，因此输电线塔有效老化量的表达式为：

Age_eff(t)＝f(S_tructure,M_aterial,T_emperature,H_umidity,PH) (4)

式(4)中，S_tucture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；T_emperature为空气温度；H_umidity为空气湿度；PH为空气酸碱度系数。

老化修正系数B的作用是对老化方程进行修正，进一步的，B为输电线塔所处环境造成老化的修正系数，因此老化修正系数B由理想状态下输电线塔的额定全生命设计周期T_total、输电线塔的有效老化量Age_eff(t)决定；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的生命周期内的老化程度进行归一化处理，老化修正系数B的公式为：

式(5)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对应的截面弯矩；Age_eff(t)为输电线塔有效老化量。

因此在确定的环境下，对于确定周期的输电线塔，由环境造成老化的修正系数B可求得确定的参数，具体的各环境数值可通过当地环境记录和实地检测得出。示例性的，以标准情况下计算修正系数，其中标准的输电线塔结构索引为1，标准的材料索引为1，空气温度25℃，湿度60％，酸碱度为中性PH＝7，则式(4)中可以表示为f(1，1，25，60％，7)，其为标准状况下的输电线塔结构索引、标准的材料索引、空气温度、湿度、酸碱度的参数已知，代入到函数中，在各个参数确定后，函数内只剩一个自变量t，因而函数是关于时间的函数，进而通过积分即可求出修正系数B，即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：

A为弯矩造成老化的修正系数，弯矩造成老化修正系数A由风荷载的截面弯矩M_fall(z)、输电线塔的高度H、输电线塔的抗弯抗力M_R(z)以及输电线塔的额定全生命设计周期T_total决定，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，弯矩遭罪老化的修正系数A的定义公式为：

在(7)式中，M_fall(z)为风载荷F_fall下对应的塔截面弯矩，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弯矩的倒塔现象。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。

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。因此，输电线塔身受设计风载荷产生的结构面弯矩效应由直接作用在输电线塔身的力和由输电线作用在塔身上的力共同组成。

风荷作用在输电线塔上的结构面弯矩由输电线塔塔身的等效设计风荷载的计算公式为如下式(8)所示，其中M₁(z,t)＝M₁(z₀)：

在式(8)中，z为输电线塔任意一点的高度；z₀为计算截面的高度；H为杆塔高度；F(z)为输电线塔塔身的等效设计风荷载，受高度变化的影响；其中M₁(z,t)＝M₁(z₀)是因为当t确定时，M₁(z,t)的值仅与高度有关，而当输电线塔任意一点的高度确定时，z定义为所需计算截面的高度z₀，则t时刻所需计算的z₀高度处的弯矩为M₁(z₀)。

在输电线塔的弯矩作用下，结构截面所需抗弯抗力随着输电线塔高度增加呈指数分布，输电线塔的抗弯抗力公式为：

M_R(z)＝αe^-βz+γ (9)

式(9)中，α、β、γ为待定系数，不同的输电线塔会有不同的特性，需要分别进行有限元分析，或者力学试验测试对待定系数进行拟合。

步骤三：依据所述输电线塔健康状况模型，判断输电线塔的健康状况。

具体的，所述输电线塔的健康状况包括，当TLTHI＝0％时，输电线塔的健康状况为极差，发生倒塌概率的可能性极高；因此需要对输电线塔进行全面的检测和维修，在风灾前及时做好预防措施。

当0％<TLTHI≤60％时，输电线塔的健康状况为较差，发生倒塌概率的可能性较高；需要对输电线塔进行检测和维修，在风灾前及时做好预防措施。

当60％<TLTHI<100％时，输电线塔的健康状况为良好，发生倒塌概率的可能性低；可对输电线塔进行检测，必要时进行局部维修，在风灾前及时做好预防措施。

当TLTHI＝100％时，输电线塔的健康状况为优，发生倒塌概率的可能性极为0，如无特殊情况，只需定时对输电线塔进行检测。

本发明的输电线塔健康状况分析方法通过基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身的结构、材料、外界环境变量、建成使用年龄和老化过程确定输电线塔健康状况模型，通过各个系数的确定，得出输电线塔的健康指数，进而判断出输电线塔的健康状况；有效确保输电线健康状况的有效性、全面性，便于输电线塔在不同风险前全面做好预防措施。

未经特别说明，全文中相同的符号代表相同的意思。

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 (8)

1.一种输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述分析方法包括，

基于输电线塔结构面弯矩关于时间的累积量、输电线塔本身老化程度建立输电线塔健康状况模型；

确定老化修正系数、输电线塔的有效摧毁弯矩和有效老化量；

依据所述输电线塔健康状况模型，判断输电线塔的健康状况。

2.根据权利要求1所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述输电线塔健康状况模型的表达式为：

式中参数t是输电线塔的使用时间，z是输电线塔任意一点的高度，M_eff(t)为有效摧毁弯矩；Age_eff(t)为有效老化方程；A和B为调整参数；rud表示冗余参数；M₁(z,t)表示结构截面的弯矩，所述M_R(z)表示结构截面的抗弯抗力。

3.根据权利要求2所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述老化修正系数包括对输电线塔的有效摧毁弯矩造成老化和输电线塔所处环境造成老化结果进行修正。

4.根据权利要求3所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述输电线塔的有效摧毁弯矩造成老化的修正系数的表达公式为：

式中z是输电线塔任意一点的高度，M_fall(z)为风载荷F_fall下对应的塔截面弯矩；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，H为杆塔总高度；M_R(z)表示结构截面的抗弯抗力。

5.根据权利要求3所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述输电线塔所处环境造成老化的修正系数的表达式为：

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；f(1，1，25，60％，7)为已知标准的输电线塔结构索引，标准的材料索引，空气温度，湿度，酸碱度形成的衰老函数。

6.根据权利要求5所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述有效老化量的表达式为：

Age_eff(t)＝f(S_tructure,M_aterial,T_emperature,H_umidity,PH)

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；T_emperature为空气温度；H_umidity为空气湿度；PH为空气酸碱度系数。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述有效摧毁弯矩M_eff(t)的计算式为：

所述M_eff(t)为有效摧毁弯矩计算式如下式所示：

其中，式中，M_eff(z，t)的计算式如下式所示：

式中，z是输电线塔任意一点的高度，t表示输电线塔使用的时间，H为杆塔总高度，M₁(z,t)表示结构截面的弯矩，所述M_R(z)表示结构截面的抗弯抗力。

8.根据权利要求2所述的输电线塔健康状况分析方法，其特征在于，所述输电线塔的健康状况包括：

当TLTHI＝0％时，输电线塔的健康状况为极差，发生倒塌概率的可能性极高；

当0％<TLTHI≤60％时，输电线塔的健康状况为较差，发生倒塌概率的可能性较高；

当60％<TLTHI<100％时，输电线塔的健康状况为良好，发生倒塌概率的可能性低；

当TLTHI＝100％时，输电线塔的健康状况为优，发生倒塌概率的可能性极为0。