CN111859767A - 一种输电线路覆冰风险模拟评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路覆冰风险模拟评估方法及装置，其中方法包括，获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。本发明根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，实现了对覆冰情况下输电线路安全状态的评估，本发明方法能够应用于不同档距、高差、导地线型号和不同脱冰率等场景的输电线路安全状态评估，为在役钢绞线的维修和更换提供科学依据。

Description

一种输电线路覆冰风险模拟评估方法及装置

技术领域

本发明涉及输电线路覆冰风险评估技术领域，特别是一种输电线路覆冰风险模拟评估方法及装置。

背景技术

在特定的温度和风等自然条件下，输电线上会形成不同厚度的覆冰，在升温和除冰等一定作用下覆冰会融化脱落，从而引起电线的上下振动和横向摆动。输电线覆冰脱落可能引起闪络、跳闸和烧伤电线等电气事故，甚至导致绝缘子串损坏、断线、杆塔折损和倒塔等机械事故，严重影响输电线路的安全运行。因此对输电线路服役环境下导线覆冰、脱冰的风险评估方法的研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

目前，架空输电线路在服役环境下的风险评估方法主要通过人工巡线的方式进行检测，这种方式存在检测效率低，巡线周期长和评价标准主观等问题，给输电线路的安全运行留下巨大的安全隐患。另一方面，由于输电线路构件很多，结构比较复杂，对于服役过程中输电线路各构件的应力状态并没有理论解，而对输电线路真型线路进行实验，分析线路在各工况下的安全状态的成本过高。

发明内容

有鉴于此建立一种高效、价格低廉，适合架空输电线路在覆冰、脱冰过程中的风险评估方法，得到可量化评价输电线路安全状态的科学参数极为必要，由此本发明的目的就是提供一种输电线路覆冰风险模拟评估方法及装置。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种输电线路覆冰风险模拟评估方法，包括如下步骤：

获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力；

根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。

可选的，预先建立塔线耦合体系有限元模型，包括：

根据在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型。

可选的，根据在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型，包括：

根据不同档距、不同高差、不同导地线、不同杆塔型号以及不同服役环境的在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型。

可选的，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，包括：

改变所述导地线的密度以模拟不同的覆冰静荷载；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力以及所述导地线的密度确定塔线耦合体系的应力状态；

将所述应力状态与对应的许用应力进行对比，以确定塔线耦合体系的安全状态。

可选的，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，还包括：

基于所述覆冰静荷载设定重力加速度；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力、所述导地线的密度以及所述重力加速度确定塔线耦合体系不脱冰状态下的应力状态；

根据不脱冰状态下的应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

可选的，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，还包括：

根据预设的脱冰等级基于所述导地线的密度确定等效密度，并根据重力加速度确定等效惯性加速度；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力、所述等效密度以及所述等效惯性加速度确定不同脱冰工况下塔线耦合体系的位移状态和应力状态；

根据所述位移状态对比导地线的脱冰跳跃高度与导地线的绝缘间隙，以及，根据所述应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

可选的，所述等效密度，满足：

其中，ρ″表示等效密度，W₁表示导地线自重，W₂表示覆冰重量，β表示脱冰率，A为导地线的截面积；

所述等效惯性加速度，满足：

其中，g′表示等效惯性加速度，g表示重力加速度。

本发明的目的之二是通过这样的技术方案实现的，一种输电线路覆冰风险模拟评估装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力；

数据处理单元，用于根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明根据线路自重以及不同覆冰厚度情况下，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，实现了对覆冰情况下输电线路安全状态的评估，本发明方法能够应用于不同档距、高差、导地线型号和不同脱冰率等场景的输电线路安全状态评估，为在役钢绞线的维修和更换提供科学依据。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明第一实施例流程图；

图2为本发明第一实施例塔线耦合体系整体有限元模型；

图3为本发明第一实施例塔线耦合体系整体有限元模型局部放大图；

图4为本发明第一实施例脱冰档导线最大冰跳高度时程曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一

本发明第一实施例提出一种输电线路覆冰风险模拟评估方法，如图1所示，包括如下步骤：

S10、获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力；

S20、根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。

本发明根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及水平初始张力进行数值模拟以确定塔线耦合体系的安全状态，实现了对覆冰情况下输电线路安全状态的评估，本发明方法能够应用于不同档距、高差、导地线型号和不同脱冰率等场景的输电线路安全状态评估，为在役钢绞线的维修和更换提供科学依据。

可选的，预先建立塔线耦合体系有限元模型，包括：

根据在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型。

可选的，根据在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型，包括：

根据不同档距、不同高差、不同导地线、不同杆塔型号以及不同服役环境的在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型。

具体地说，在本实施例中，可以选取典型线路，然后确定典型线路的导地线、绝缘子串、间隔棒和杆塔型号等，整理线路结构参数，其中线路结构参数可以包括档距、高差、弧垂、覆冰厚度、脱冰率和脱冰方式等，基于上述结构参数运用有限元ABAQUS建立导地线有限元模型、间隔棒有限元模型、绝缘子串简化模型和杆梁混合输电铁塔有限元模型，根据各个构件之间的真实连接情况，通过beam、join-rotation、tie和coupling等连接方式模拟各个构件之间的连接关系形成输电线路塔线耦合体系有限元模型，具体的在本实施例中，如图2和图3所示，本实施例提供了典型输电线路三档一塔的塔线耦合体系有限元模型，包括输电线路的两个耐张段，一个耐张塔，若干导地线，绝缘子串和间隔棒等。

可选的，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，包括：

改变所述导地线的密度以模拟不同的覆冰静荷载；

本发明中，在数值模拟过程中可以通过增加导地线的密度来模拟作用在电线上的覆冰荷载，数值模型中不改变导地线的截面积，在计算导地线覆冰后的平衡状态时，通过赋予电线单元等效密度来模拟覆冰静荷载。

导地线覆冰后的静态等效密度可以由下式计算：

式中W₁为导地线自重(kg/m)，W₂为覆冰重量(kg/m)，A为导地线的截面积，ρ₁表示导地线密度，ρ₂表示覆冰密度，ρ′表示静态等效密度。

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力以及所述导地线的密度确定塔线耦合体系的应力状态；

将所述应力状态与对应的许用应力进行对比，以确定塔线耦合体系的安全状态。

具体的，根据所选典型线路建立的输电线路塔线耦合体系有限元建模，确定导地线在无覆冰状态下的水平初始张力，根据水平初始张力计算塔线耦合体系在自重以及10mm、20mm、30mm和40mm等几种覆冰厚度情况下的应力状态。对比各构件的许用应力分析导地线、杆塔、间隔棒和绝缘子串的安全状态。

可选的，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，还包括：

基于所述覆冰静荷载设定重力加速度；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力、所述导地线的密度以及所述重力加速度确定塔线耦合体系不脱冰状态下的应力状态；

根据不脱冰状态下的应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

基于前述10mm、20mm、30mm和40mm等几种覆冰厚度情况下的计算模型所确定的静态等效密度，在本实施例中，进一步进行数值模拟输电线脱冰振动过程时，对于不脱冰的情况，在前述确定的静态等效密度的基础上给定重力加速度，根据水平初始张力、导地线的密度以及重力加速度确定塔线耦合体系不脱冰状态下的应力状态，根据不脱冰状态下的应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

可选的，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，还包括：

根据预设的脱冰等级基于所述导地线的密度确定等效密度，并根据重力加速度确定等效惯性加速度；

可选的，所述等效密度，满足：

其中，ρ″表示等效密度，W₁表示导地线自重，W₂表示覆冰重量，β表示脱冰率，A为导地线的截面积；

所述等效惯性加速度，满足：

其中，g′表示等效惯性加速度，g表示重力加速度。

具体地说，本实施例中，针对脱冰的情况，由于覆冰的输电线路脱冰会导致输电线路振动幅度加大，同时冰脱落也会降低等效密度，基于此，在本实施例中，针对脱冰的情况，等效密度，满足：

其中，ρ″表示等效密度，W₁表示导地线自重，W₂表示覆冰重量，β表示脱冰率，A为导地线的截面积；

所述等效惯性加速度，满足：

其中，g′表示等效惯性加速度，g表示重力加速度。

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力、所述等效密度以及所述等效惯性加速度确定不同脱冰工况下塔线耦合体系的位移状态和应力状态；

根据所述位移状态对比导地线的脱冰跳跃高度与导地线的绝缘间隙，以及，根据所述应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

在脱冰的状态下，根据g-g′确定输电线路塔线耦合体系有限元模型在不同覆冰、脱冰工况下的位移状态和应力状态，具体的不同覆冰、脱冰工况可以根据实际需要设定，例如可以是10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％等不同脱冰率。

根据所述位移状态和应力状态，对比导地线的脱冰跳跃高度与导地线的绝缘间隙，如图4所示，分析导地线的安全状态，对比各部件的许用应力分析导地线、杆塔、间隔棒和绝缘子串的安全状态。

综上所述，本实施例对覆冰、脱冰作用下的安全状态分析，可以根据确定的位移状态计算出脱冰档脱冰后不同相导线之间以及导地线之间的剩余间距，与不同相导线之间和导地线之间的绝缘间隙对比分析导地线的安全状态；将计算出的应力状态与各个构件的许用应力进行对比分析，分析塔线耦合体系的安全状态，找出容易破坏的区域，为输电线路的设计以及线路运行后的巡护人员提供参考。

重复上述步骤，可以获取不同输电线路(不同导地线型号，不同杆塔型号，不同档距、高差、档数等)在不同覆冰、脱冰工况下的安全状态，据此对输电线路的覆冰、脱冰风险进行评估。

综上所述，本发明方法具有如下优点：

(1)适用范围广，本发明可以针对不同服役环境下的不同输电线路开展不同覆冰厚度的覆冰、脱冰风险(导地线冰跳高度、不平衡张力以及杆塔应力)评估。

(2)成本低、效率高，可以针对不同输电线路进行大规模的覆冰、脱冰风险评估，为输电线路的设计、制造、安装以及在运行过程中的巡视和检测提供参考。

(3)可以高效的分析输电线路覆冰、脱冰事故原因。对于发生事故的输电线路，将事故现场的环境参数导入模型中，与事故现场输电线路破坏情况对比验证分析事故原因。

实施例二

本发明第二实施例提出一种输电线路覆冰风险模拟评估装置，包括：

采集单元，用于获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力；

数据处理单元，用于根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。

本发明根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，实现了对覆冰情况下输电线路安全状态的评估，能够为在役钢绞线的维修和更换提供科学依据。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力；

根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。

2.如权利要求1所述的输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，预先建立塔线耦合体系有限元模型，包括：

根据在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型。

3.如权利要求2所述的输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，根据在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型，包括：

根据不同档距、不同高差、不同导地线、不同杆塔型号以及不同服役环境的在役输电线路建立相应输电线路的塔线耦合体系各个构件的有限元模型。

4.如权利要求1所述的输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，包括：

改变所述导地线的密度以模拟不同的覆冰静荷载；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力以及所述导地线的密度确定塔线耦合体系的应力状态；

将所述应力状态与对应的许用应力进行对比，以确定塔线耦合体系的安全状态。

5.如权利要求4所述的输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，还包括：

基于所述覆冰静荷载设定重力加速度；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力、所述导地线的密度以及所述重力加速度确定塔线耦合体系不脱冰状态下的应力状态；

根据不脱冰状态下的应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

6.如权利要求4所述的输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态，还包括：

根据预设的脱冰等级基于所述导地线的密度确定等效密度，并根据重力加速度确定等效惯性加速度；

基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型根据所述水平初始张力、所述等效密度以及所述等效惯性加速度确定不同脱冰工况下塔线耦合体系的位移状态和应力状态；

根据所述位移状态对比导地线的脱冰跳跃高度与导地线的绝缘间隙，以及，根据所述应力状态对比对应的许用应力，以确定塔线耦合体系的安全状态。

7.如权利要求6所述的输电线路覆冰风险模拟评估方法，其特征在于，所述等效密度，满足：

其中，ρ″表示等效密度，W₁表示导地线自重，W₂表示覆冰重量，β表示脱冰率，A为导地线的截面积；

所述等效惯性加速度，满足：

其中，g′表示等效惯性加速度，g表示重力加速度。

8.一种输电线路覆冰风险模拟评估装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于获取导地线在无覆冰状态下的水平初始张力；

数据处理单元，用于根据线路自重以及不同的覆冰厚度，基于预先建立的塔线耦合体系有限元模型以及所述水平初始张力确定塔线耦合体系的安全状态。

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