CN113642221A - 一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，它包括：步骤1、选取同一电压等级下，不同高差和档距范围的同一塔型的“三塔两档”体系进行三维仿真模型构建；步骤2、对选定的“三塔两档”体系施加覆冰荷载和风荷载，模拟杆塔在不同荷载情况下的受力情况，进行有限元力学仿真分析，得到杆塔的力学特性；步骤3、根据杆塔的力学特性，统计出处于高风险状态的杆塔；以用于输电线路防冰减灾的预警当中，能针对高风险区域确定应重点关注的高差及档距范围内的杆塔，减少工作量，提高效率。
Description
技术领域
本发明属于覆冰输电塔监测技术，尤其涉及一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法。
背景技术
输电线路是电力系统的重要组成部分，承担着电能传输的重任，近年来输电线路频繁受到严寒和冰雪天气的袭击，重冰区的输电铁塔和导线覆冰现象严重，倒塔断线的现象时有发生，严重危害电力系统的安全运行；由于输电杆塔跨越的地段众多，在对输电塔线进行在线监测与力学分析的时候，往往无法对所有杆塔进行分析，且杆塔处于何种状态具有较高风险的特征难以统一描述，这时候，如何缩小监测与分析范围，确定需要重点关注的杆塔对象就显得十分重要；而现有技术没有一种可以确定高风险杆塔体系的方法，导致对输电杆塔进行监测和分析时存在工作量大，工作效率低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，以用于输电线路防冰减灾的预警当中，能针对高风险区域确定应重点关注的高差及档距范围内的杆塔，减少工作量，提高效率。
本发明的技术方案是：
一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，它包括：
步骤1、选取同一电压等级下，不同高差和档距范围的同一塔型的“三塔两档”体系进行三维仿真模型构建；
步骤2、对选定的“三塔两档”体系施加覆冰荷载和风荷载，模拟杆塔在不同荷载情况下的受力情况，进行有限元力学仿真分析，得到杆塔的力学特性；
步骤3、根据杆塔的力学特性，统计出处于高风险状态的杆塔。
步骤4、统计步骤3所得高风险状态的杆塔及对应的高差和档距范围，得出要关注的高差及档距范围内的杆塔。
所述“三塔两档”的三塔均由同一种类型的杆塔构成。
不同高差的选取方法为：将两相邻塔的悬点高差h与档距l之比h/l>0.1的线路设为大高差档距线路的区间划分标准，为了量化不同档距线路的高差，在此以h/l的比值为选择依据，设置不同的比值进行选取。
档距的选择方法为：将三塔两档体系中的两档距之比为依据，以l1/l2>2为档距差的划分标准，设置选择区间为l1/l2>2,2>l1/l2>1.5,l1/l2<1.5三个区间。
所述三维仿真模型构建方法为：首先定义杆塔、导地线和绝缘子的单元类型并设置力学仿真所需参数，然后根据实际输电线路中塔线的实际结构，按照1:1的比例画出塔线的几何模型，并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，然后划分成网格单元。
所述有限元力学仿真分析的方法为：在搭建“三塔两档”塔线有限元仿真模型后，设置边界条件，自重荷载和施加外界荷载；完成荷载计算之后，在施加荷载之前，通过迭代修正的方法完成导、地线在自重作用下初始形态的分析；然后对杆塔施加风荷载、重力荷载，对导、地线施加覆冰荷载与风荷载，依据不同覆冰与风速的组合工况，施加不同工况下的外界荷载，仿真求解结果，得到杆塔的力学特性。
自重荷载的计算方法为：
对于每基杆塔的四个节点，均采用全自由度约束，自重荷载的重力加速度取标准重力加速度gb＝9.80665m/s2；
外界荷载的计算方法为：
对于导线覆冰的单位荷载，若已知导地线覆冰厚度为b，导地线的计算外径为D，则单位冰荷载Li的计算公式为：
垂直于导、地线轴向的单位水平风荷载的计算式为：
导线无覆冰时单位水平风荷载Ln:
Ln＝W0Dαβcμscμzμθ×10-3
导线有覆冰时单位水平风荷载Ln:
Ln＝W0(D+2b)αβcμscμzμθ×10-3
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110k V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。
所述杆塔的力学特性包括：杆塔在各种工况下的节点位移与轴向应力，记录每次仿真轴向应力和节点位移最大的位置，以此判断杆塔的薄弱构件位置。
所述处于高风险状态的杆塔的判断方法为：所述处于高风险状态的杆塔是指：将杆塔在外界荷载作用下的风险程度分为安全、危险和破坏三种状态；
表1
表1是对各个构件风险判断的依据，分别以应力比和节点位移作为判断杆塔是否失效的量化参数；其中ξ是杆塔构件应力的比值，y为节点位移，h为杆塔总高度。
本发明有益效果：
本发明利用有限元力学分析方法，通过力学仿真和统计分析，以轴向应力与节点位移为依据确定杆塔的薄弱构件位置，统计出处于高风险状态的杆塔。并根据所得杆塔对应的高差和档距范围，总结出需要重点关注的高差及档距范围内的杆塔。通过本发明所述方法，能准确得知杆塔的薄弱构件，获取具有高风险的杆塔，依据高风险杆塔的特点以及其对应的高差和档距范围，能够有效针对当前冰区输电塔线对象过多，在线监测与分析的效率较低的问题，可以用于输电线路防冰减灾的预警当中，能以高差和档距为基准确定高风险区域，进而确定应重点关注的杆塔对象，减少监测与分析的工作量，提前获取杆塔所处风险状态，并且能为电网部门何时采取融冰提供参考价值，提高效率。
附图说明
图1本发明流程示意图。
具体实施方式
本发明技术方案具体步骤如下：
步骤1，选取同一电压等级下，不同高差、档距范围的同一塔型的“三塔两档”体系进行三维仿真模型构建。
上述步骤1所述的选取同一塔型的杆塔体系为：“三塔两档”中的三塔均由同一种类型的杆塔构成。
步骤1多种高差选择方法为：将两相邻塔的悬点高差h与档距l之比h/l>0.1的线路设为大高差档距线路的区间划分标准，为了量化不同档距线路的高差，在此以h/l的比值为选择依据，设置不同的比值进行选取。如：根据上述定义，可设置选择区间为h/l>0.1,0.05<h/l<0.1,h/l<0.05三个区间。
步骤1所述多种档距选择方法为：将三塔两档体系中的两档距之比为依据，本发明以l1/l2>2为档距差的划分标准，根据上述定义，可设置选择区间为l1/l2>2,2>l1/l2>1.5,l1/l2<1.5三个区间。通过上述两种比值定义的方法作为划分标准，能迅速将杆塔的高差与档距范围进行划分归类。
步骤1所述三维仿真模型搭建过程为：首先定义杆塔、导地线和绝缘子等的单元类型并设置力学仿真所需参数，然后根据实际输电线路中塔线的实际结构，按照1:1的比例画出塔线的几何模型，并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，然后划分网格单元。
步骤2，对步骤一选定的“三塔两档”施加覆冰荷载和风荷载，模拟杆塔在不同荷载情况下的受力情况，进行有限元力学仿真分析。
步骤2所述的有限元仿真方法为：在搭建“三塔两档”塔线有限元仿真模型后，需设置边界条件，自重荷载和施加外界荷载。完成上述步骤的荷载计算之后，在施加荷载之前，通过迭代修正的方法完成导、地线在自重作用下初始形态的分析。然后对杆塔施加风荷载、重力荷载，对导、地线施加覆冰荷载与风荷载，由于杆塔在不同工况下的力学特性表现不同，具有的风险程度也因此不同，为了更好地分析杆塔的薄弱程度，依据多种覆冰与风速的组合工况，施加不同工况下的外界荷载，仿真求解结果，得到杆塔的力学特性。
步骤2所述的荷载计算方法为
①计算自重荷载
对于每基杆塔的四个节点，均采用全自由度约束，自重荷载的重力加速度取我国标准重力加速度gb＝9.80665m/s2。
②计算外界荷载。
对于导线覆冰的单位荷载，若已知导地线覆冰厚度为b(mm)，导地线的计算外径为D(mm)，则单位冰荷载Li(N/m)的计算公式为：
对于导、地线水平风荷载，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、地线轴向的单位水平风荷载的计算式为：
导线无覆冰时单位水平风荷载Ln(N/m):
Ln＝W0Dαβcμscμzμθ×10-3
导线有覆冰时单位水平风荷载Ln(N/m):
Ln＝W0(D+2b)αβcμscμzμθ×10-3
W0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110k V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。
步骤2所述的力学特性主要包括：杆塔在多种工况下的节点位移与轴向应力，记录每次仿真轴向应力和节点位移最大的位置，以此判断杆塔的薄弱构件位置。
步骤3，根据求得的每种荷载下的力学仿真结果，统计出处于高风险状态的杆塔。
步骤3所述的高风险状态的杆塔的定义为：薄弱构件出现密集且薄弱程度较大的杆塔。本发明对杆塔在外界荷载作用下的风险程度分为安全、危险和破坏三种状态。表1是对关键构件风险判断的依据，分别以应力比和节点位移作为判断杆塔是否失效的量化参数。其中ξ是杆塔构件应力的比值，y为节点位移，h为杆塔总高度。
表1
根据力学仿真结果，可以确定杆塔中节点位移或轴向应力较大的构件，当处于安全领域时，表明此时杆塔所承受的外界荷载在所能承受的范围之内；当位于危险领域时，表示关键构件承受的荷载超过所能承受的极限值，而杆塔的部分构件处于正常荷载范围之内，此时有一定的概率发生杆塔构件的损坏；而位于破坏领域时，关键构件将失效，此时杆塔大部分构件承受的荷载超出其所能承受的范围，此时杆塔有大概率发生倒塔等事故。
步骤4，统计步骤3所得杆塔对应的高差和档距范围，得出需要重点关注的高差及档距范围内的杆塔。
步骤4具体为：根据前述获取的所有处于薄弱状态的杆塔，得出薄弱杆塔对应的高差与档距范围，即可将此高差与档距范围作为选择基准，得出该范围内的杆塔，将得出的杆塔视为存在高风险的杆塔，进行监测与分析，为杆塔的安全性分析缩小目标范围。
Claims (10)
1.一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，它包括：
步骤1、选取同一电压等级下，不同高差和档距范围的同一塔型的“三塔两档”体系进行三维仿真模型构建；
步骤2、对选定的“三塔两档”体系施加覆冰荷载和风荷载，模拟杆塔在不同荷载情况下的受力情况，进行有限元力学仿真分析，得到杆塔的力学特性；
步骤3、根据杆塔的力学特性，统计出处于高风险状态的杆塔。
2.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：步骤4、统计步骤3所得高风险状态的杆塔及对应的高差和档距范围，得出要关注的高差及档距范围内的杆塔。
3.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：所述“三塔两档”的三塔均由同一种类型的杆塔构成。
4.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：不同高差的选取方法为：将两相邻塔的悬点高差h与档距l之比h/l>0.1的线路设为大高差档距线路的区间划分标准，为了量化不同档距线路的高差，在此以h/l的比值为选择依据，设置不同的比值进行选取。
5.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：档距的选择方法为：将三塔两档体系中的两档距之比为依据，以l1/l2>2为档距差的划分标准，设置选择区间为l1/l2>2,2>l1/l2>1.5,l1/l2<1.5三个区间。
6.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：所述三维仿真模型构建方法为：首先定义杆塔、导地线和绝缘子的单元类型并设置力学仿真所需参数，然后根据实际输电线路中塔线的实际结构，按照1:1的比例画出塔线的几何模型，并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，然后划分成网格单元。
7.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：所述有限元力学仿真分析的方法为：在搭建“三塔两档”塔线有限元仿真模型后，设置边界条件，自重荷载和施加外界荷载；完成荷载计算之后，在施加荷载之前，通过迭代修正的方法完成导、地线在自重作用下初始形态的分析；然后对杆塔施加风荷载、重力荷载，对导、地线施加覆冰荷载与风荷载，依据不同覆冰与风速的组合工况，施加不同工况下的外界荷载，仿真求解结果，得到杆塔的力学特性。
8.根据权利要求7所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：自重荷载的计算方法为：
对于每基杆塔的四个节点，均采用全自由度约束，自重荷载的重力加速度取标准重力加速度gb＝9.80665m/s2；
外界荷载的计算方法为：
对于导线覆冰的单位荷载，若已知导地线覆冰厚度为b，导地线的计算外径为D，则单位冰荷载Li的计算公式为：
垂直于导、地线轴向的单位水平风荷载的计算式为：
导线无覆冰时单位水平风荷载Ln:
Ln＝W0Dαβcμscμzμθ×10-3
导线有覆冰时单位水平风荷载Ln:
Ln＝W0(D+2b)αβcμscμzμθ×10-3
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110k V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。
9.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：所述杆塔的力学特性包括：杆塔在各种工况下的节点位移与轴向应力，记录每次仿真轴向应力和节点位移最大的位置，以此判断杆塔的薄弱构件位置。
10.根据权利要求1所述的一种根据高差、档距确定高风险杆塔体系的方法，其特征在于：所述处于高风险状态的杆塔的判断方法为：所述处于高风险状态的杆塔是指：将杆塔在外界荷载作用下的风险程度分为安全、危险和破坏三种状态；
表1
表1是对各个构件风险判断的依据，分别以应力比和节点位移作为判断杆塔是否失效的量化参数；其中ξ是杆塔构件应力的比值，y为节点位移，h为杆塔总高度。
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