專利名稱：架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于架空輸電線路的自然災(zāi)害防御技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法。
背景技術(shù)：
我國電力系統(tǒng)的架空輸電線路，廣泛分布在中華大地的曠野中，大多經(jīng)過丘陵、高山，跨過峽谷、河流，長期暴露在自然界中，極易遭受覆冰等自然災(zāi)害的襲擊。我國是架空輸電線路覆冰較嚴(yán)重的國家之一，大面積的冰災(zāi)事故在我國屢有發(fā)生，如2008年我國華中、華東部分地區(qū)出現(xiàn)長時間持續(xù)的大強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣，導(dǎo)致湖南、江西、浙江、安徽、湖北、貴州、重慶等地區(qū)的架空輸電線路斷線、倒塔、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害事故，給人民生活及國民經(jīng)濟造成了巨大的災(zāi)難和損失，僅國家電網(wǎng)公司的直接財產(chǎn)損失達(dá)104. 5億 元。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，防止覆冰災(zāi)害的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)安全、可靠運行是急切需要解決的課題?，F(xiàn)有架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法，如《電網(wǎng)技術(shù)》2009年10月第23卷第18期的“農(nóng)網(wǎng)典型導(dǎo)線及桿塔抗冰能力分析” 一文，公開的分析方法是選取農(nóng)網(wǎng)中應(yīng)用較多的3種型號的導(dǎo)線及4種典型桿塔為分析對象，采用道亨鐵塔設(shè)計軟件和ANSYS有限元分析軟件對導(dǎo)線、桿塔在不同檔距、不同程度覆冰條件下的抗冰能力進行計算分析，為今后農(nóng)網(wǎng)線路的抗冰能力設(shè)計提供參考。該分析方法的主要缺點是X人工選取農(nóng)網(wǎng)運行中的3種型號的導(dǎo)線及4種典型桿塔為分析對象，沒有包含超高壓以及特高壓線路，不全面，不能滿足今后電網(wǎng)發(fā)展的要求。1利用ANSYS有限元分析軟件，分別對導(dǎo)線有限元模型和桿塔有限元模型在不同厚度覆冰條件下進行計算與分析，沒有考慮導(dǎo)線和地線與桿塔之間的相互影響，從而導(dǎo)致計算分析的精確度差，只能作為今后農(nóng)網(wǎng)線路的抗冰設(shè)計提供參考，不能作為農(nóng)網(wǎng)線路抗冰能力的依據(jù)；:1桿塔的抗冰能力分析，沒有進行不均勻覆冰修正驗算，據(jù)統(tǒng)計不均勻覆冰為造成覆冰倒塔事故的主要原因，從而導(dǎo)致評估的真實性差；:.S導(dǎo)線及桿塔的抗冰能力分析考慮了檔距的影響，但沒有考慮地形(高差)的影響，同樣導(dǎo)致計算模型精度不足，和真實性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法的不足，提供一種架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法，針對實際運行線路進行分析，具有真實性高、工作量相對較小、精確度高等優(yōu)點，為架空輸電線路監(jiān)測冰害裝置提供預(yù)警閾值，以便及時采取除冰措施，有效預(yù)防覆冰對架空輸電線路造成的災(zāi)害，保證架空輸電線路的安全可靠運行，保證人民生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可靠供電。實現(xiàn)本發(fā)明目的之技術(shù)方案是一種架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法，利用計算機通過程序，先選出易發(fā)生覆冰的微地形段，后建立塔-線耦合體系有限元模型，再計算塔-線耦合體系模型在均勻覆冰荷載和風(fēng)荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力；然后再對易發(fā)生覆冰的微地形段進行不均勻覆冰荷載的修正；確定架空輸電線路塔-線耦合體系的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力。所述方法的具體步驟如下
(I)選出架空輸電線路中易發(fā)生覆冰的微地形線段
利用現(xiàn)有的“KML，EXCEL相互轉(zhuǎn)換加導(dǎo)航”程序，將架空輸電線路GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為KML語言，導(dǎo)入現(xiàn)有的Google Earth軟件(由美國Google公司開發(fā)的一款虛擬地球儀軟件,它把衛(wèi)星照片、航空照相和GIS布置在一個地球的三維模型上，從而建立起的數(shù)字化地球平臺)形成架空輸電線路的三維地形特征路徑圖。然后，按架空輸電線路的路徑導(dǎo)航查看全線路地形特征，結(jié)合容易產(chǎn)生重覆冰和不均勻覆冰的地形進行分析，篩選出易形成覆冰的五種典型的微地形線段，微地形線段的選取要以耐張塔為邊界塔，以提高塔-線耦合體系抗冰能力評估的真實性和精確度。典型的五種覆冰微地形為 X.埡口型為綿延的山脈所形成的埡口，是氣流集中加速之處，架空輸電線路處于埡口或橫跨埡口時，導(dǎo)致風(fēng)速增大或覆冰量增加，易發(fā)生嚴(yán)重覆冰。%高山分水嶺型架空輸電線路翻越分水嶺，地形空曠開闊，容易出現(xiàn)強風(fēng)及嚴(yán)重覆冰情況，尤其在山頂及迎風(fēng)坡側(cè)，因為含有過冷卻水滴的氣團在風(fēng)力作用下，沿山坡強制上升而絕熱膨脹，使得過冷卻水滴含量增大，導(dǎo)致導(dǎo)線和地線覆冰增強，易發(fā)生嚴(yán)重覆冰。I水氣增大型架空輸電線路臨近較大的江湖水體，使空氣中水汽增大，當(dāng)寒潮人侵，氣溫下降至0°c以下時，由于空氣濕度大，容易出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰。1地形抬升型架空輸電線路在平原或丘陵中拔地而起的突峰或盆地中一側(cè)較低另一側(cè)較高的臺地及陡崖，因盆地水汽充足，濕度較大的冷空氣容易沿山坡上升，在頂部或臺地上形成云霧，當(dāng)冬季寒潮人侵時便會出現(xiàn)嚴(yán)重覆冰。⑩峽谷風(fēng)道型架空輸電線路橫跨峽谷，兩岸很高很陡，通過狹管效應(yīng)產(chǎn)生較大的風(fēng)速，將導(dǎo)致架空輸電線路風(fēng)荷載的大幅度增加，增加覆冰危害的嚴(yán)重程度。(2)建立塔-線耦合體系有限元模型
第(I)步完成后，利用現(xiàn)有的ANSYS軟件(即根據(jù)有限元理論，以高質(zhì)量高效率完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析計算的大型通用軟件)，對第(I)步選出的微地形線段按下列步驟建立塔-線耦合體系有限元模型。即
①選取塔-線耦合體系的有限元
根據(jù)架空輸電線路中的主要構(gòu)件是桿塔和導(dǎo)線及地線構(gòu)成。在架空輸電線路的運行中，對導(dǎo)線和地線起支撐作用的桿塔主要承受剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力及軸向應(yīng)力，用BEAM188梁單元(該梁單元是ANSYS軟件設(shè)定的一種單元模型，該單元支持彈性、蠕變及塑性模型以及自定義梁截面形狀)模擬。傳輸電能的導(dǎo)線通過絕緣子串和金具與所述的桿塔鉸鏈；接受和傳輸雷電流的地線通過金具與所述的桿塔鉸鏈，并且所述的導(dǎo)線和所述的地線主要承受軸向應(yīng)力，因此導(dǎo)線和地線有限元選取LINKlO單元(該梁單元是ANSYS軟件設(shè)定的一種單元模型，是獨一無二的雙線性剛度矩陣特性使其成為一個軸向僅受拉或僅受壓的桿單元，且具有應(yīng)力剛化和大變形功能)模擬，合理選取出塔-線耦合體系有限元確保輸電塔-線耦合體系模擬的真實行。
Φ設(shè)置模擬有限元的參數(shù)
第(2) — S:步完成后，對(2) —.I步選出的塔-線耦合體系有限元，分別輸入架空輸電線路的桿塔和導(dǎo)線及地線參數(shù)。所述桿塔的參數(shù)有鋼材即Q235或Q345或Q420三種鋼材的楊氏模量、泊松比、密度、截面形狀、屈服強度；所述導(dǎo)線和地線的參數(shù)有等效截面積、楊氏模量、密度、泊松比及初始應(yīng)變。對第(2) —I步選出的塔-線耦合體系有限元設(shè)置參數(shù)，確保模擬輸電塔-線耦合體系的準(zhǔn)確性。@建立塔-線耦合體系有限元模型
第(2)—f步完成后，利用現(xiàn)有ANSYS軟件，在第(2)— f:步設(shè)置有參數(shù)的塔-線耦合體系有限元中，采用點、線連接方式，生成各桿塔的結(jié)構(gòu)有限元模型。根據(jù)架空輸電線路中各桿塔間的檔距、高差及桿塔轉(zhuǎn)角參數(shù)，定位各桿塔的相對位置。然后，再生成帶有導(dǎo)線絕緣子串金具和地線金具的有限元模型。最后，生成導(dǎo)線和地線的LINKlO單元有限元模型， 從而建立起以耐張塔為邊界塔的塔-線耦合體系的有限元模型，用以評估架空輸電線路的塔-線耦合體系的抗冰能力。(3)計算塔-線耦合體系有限元模型在均勻覆冰荷載和風(fēng)荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力
第(2)步完成后，對第(2) - f步建立的塔-線耦合體系有限元模型，設(shè)置邊界條件及施加荷載進行仿真分析，根據(jù)在覆冰條件下溫度變化的范圍小，對塔-線耦合體系的結(jié)構(gòu)影響很小，而忽略，即
先設(shè)置邊界條件及施加自重力荷載
邊界條件是以每基桿塔的塔腳的四個節(jié)點，以及導(dǎo)線和地線兩端的節(jié)點，進行全自由度約束，來限定塔-線耦合體系有限元結(jié)構(gòu)分析的邊界條件。塔-線耦合體系的自重力荷載是指塔-線耦合體系在自身重力作用下所承受的荷載，自重力荷載的施加是通過程序，添加全局坐標(biāo)系下的重力加速度實現(xiàn)的，其中重力加速度為9. 806m/s2。后施加覆冰荷載進行計算
在塔-線耦合體系有限元模型中，根據(jù)絕緣子串和桿塔的覆冰荷載相對其自重力荷載較小，而忽略不計，只計算導(dǎo)線和地線上的冰荷載。在工程應(yīng)用中，將導(dǎo)線或地線上附著的各種類型及不同截面形狀的覆冰均折算為導(dǎo)線或地線上密度為O. 9X IO3 kg/m3的空心圓形雨凇斷面，該空心圓形雨凇斷面的壁厚即為等值覆冰厚度A (mm)。當(dāng)知道導(dǎo)線或地線的計算外徑為D(mm)，和單導(dǎo)線或地線的等值覆冰厚度為A (mm)時，單導(dǎo)線或地線的單位的覆冰荷載乙(N/m)的計算公式為
O 9Ti7--V -
L =[(D - Ihy - !>*] XI CF:(ι)
式中辦為重力加速度。對于2分裂的導(dǎo)線的單位覆冰荷載為2XZ,.，對于4分裂的導(dǎo)線的單位覆冰荷載為4X 4.，以此類推。由此針對不同的導(dǎo)線或地線型號和覆冰厚度可以計算出單位覆冰荷載，然后施加到導(dǎo)地線上，作為輸電塔-線耦合體系的外加荷載，并分別施加0、5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm、50mm八種不同覆冰厚度的覆冰荷載進行計算,獲取塔_線稱合體系在各種荷載作用下的應(yīng)力值，及應(yīng)力云圖。
再施加風(fēng)荷載進行計算
根據(jù)風(fēng)速方向與導(dǎo)線或地線延伸方向垂直時作用力最大，也是最危險的風(fēng)荷載情況，因此為了減少計算工作量，本方法只考慮風(fēng)速方向與導(dǎo)線或地線延伸方向垂直的風(fēng)荷載情況。根據(jù)《ll(T500kV架空送點線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程(DL/T 5092-1999)》相關(guān)規(guī)定規(guī)定，垂直于導(dǎo)線或地線延伸方的單位水平風(fēng)荷載的計算式為
無冰時的導(dǎo)線或地線上單位水平風(fēng)荷載4(N/m)
權(quán)利要求
1.一種架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法，利用計算機，通過程序進行分析計算，確定塔-線耦合體系的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力，其特征在于所述方法的具體步驟如下 (1)選出架空輸電線路中易發(fā)生覆冰的微地形線段 利用現(xiàn)有的“KML，EXCEL相互轉(zhuǎn)換加導(dǎo)航”程序，將架空輸電線路GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為KML語言，導(dǎo)入現(xiàn)有的Google Earth軟件形成架空輸電線路的三維地形特征路徑圖，然后，按架空輸電線路的路徑導(dǎo)航查看全線路地形特征，結(jié)合容易產(chǎn)生重覆冰和不均勻覆冰的地形進行分析，篩選出易形成覆冰的五種典型的微地形線段，微地形線段的選取要以耐張塔為邊界塔，以提高塔-線耦合體系抗冰能力評估的真實性和精確度，典型的五種覆冰微地形分別為埡口型、高山分水嶺型、水氣增大型、地形抬升型、峽谷風(fēng)道型； (2)建立塔-線耦合體系有限元模型 第(I)步完成后，利用現(xiàn)有的ANSYS軟件，對第(I)步選出的微地形線段按下列步驟建立塔-線耦合體系有限元模型，即 X選取塔-線耦合體系的有限元 根據(jù)架空輸電線路中的主要構(gòu)件是桿塔(I)和導(dǎo)線(2)及地線(3)構(gòu)成，在架空輸電線路的運行中，對導(dǎo)線(2)和地線(3)起支撐作用的桿塔(I)主要承受剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力及軸向應(yīng)力，用BEAM188梁單元模擬，傳輸電能的導(dǎo)線(2)通過絕緣子串和金具與所述的桿塔(1)鉸鏈；接受和傳輸雷電流的地線(3)通過金具與所述的桿塔(I)鉸鏈，并且所述的導(dǎo)線(2)和所述的地線(3)主要承受軸向應(yīng)力，因此導(dǎo)線(2)和地線(3)有限元選取LINKlO單元模擬，合理選取出塔-線耦合體系有限元確保輸電塔-線耦合體系模擬的真實行； I設(shè)置模擬有限元的參數(shù) 第(2) —.I:步完成后，對(2) — X步選出的塔-線耦合體系有限元，分別輸入架空輸電線路的桿塔(I)和導(dǎo)線(2)及地線(3)參數(shù)，所述桿塔(I)的參數(shù)有鋼材即Q235或Q345或Q420三種鋼材的楊氏模量、泊松比、密度、截面形狀、屈服強度；所述導(dǎo)線(2)和地線(3)的參數(shù)有等效截面積、楊氏模量、密度、泊松比及初始應(yīng)變，對第(2) —I步選出的塔-線耦合體系有限元設(shè)置參數(shù)，確保模擬輸電塔-線耦合體系的準(zhǔn)確性； .3+建立塔-線耦合體系有限元模型 第(2 ) —2步完成后，利用現(xiàn)有ANSYS軟件，在第(2 ) —%步設(shè)置有參數(shù)的塔-線耦合體系有限元中，采用點、線連接方式，生成各桿塔(I)的結(jié)構(gòu)有限元模型，根據(jù)架空輸電線路中各桿塔(I)間的檔距、高差及桿塔(I)的轉(zhuǎn)角參數(shù)，定位各桿塔(I)的相對位置，然后，再生成帶有絕緣子串金具和地線(3)的金具的有限元模型，最后，生成導(dǎo)線(2)和地線(3)的LINKlO單元有限元模型，從而建立起以耐張塔為邊界塔的塔-線耦合體系的有限元模型，用以評估架空輸電線路的塔-線耦合體系的抗冰能力； (3)計算塔-線耦合體系有限元模型在均勻覆冰荷載和風(fēng)荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力 第(2)步完成后，對第(2) - I步建立的塔-線耦合體系有限元模型，設(shè)置邊界條件及施加荷載進行仿真分析，即先設(shè)置邊界條件及施加自重力荷載 邊界條件是以每基桿塔(I)的塔腳的四個節(jié)點，以及導(dǎo)線(2)和地線(3)兩端的節(jié)點，進行全自由度約束，來限定塔-線耦合體系有限元結(jié)構(gòu)分析的邊界條件；塔-線耦合體系的自重力荷載是指塔-線耦合體系在自身重力作用下所承受的荷載，自重力荷載的施加是通過程序，添加全局坐標(biāo)系下的重力加速度實現(xiàn)的，其中重力加速度為9. 806m/s2 ； 后施加覆冰荷載進行計算 在塔-線耦合體系有限元模型中，計算導(dǎo)線(2 )和地線(3 )上的冰荷載，在工程應(yīng)用中，將導(dǎo)線(2)或地線(3)上附著的各種類型及不同截面形狀的覆冰均折算為導(dǎo)線(2)或地線(3)上密度為0.9X103 kg/m3的空心圓形雨凇斷面，該空心圓形雨凇斷面的壁厚即為等值覆冰厚度A(mm)，當(dāng)知道導(dǎo)線(2)或地線(3)的計算外徑為D(mm)時，則單導(dǎo)線(2)或地線(3)的等值覆冰厚度為A (mm)時，單導(dǎo)線(2)或地線(3)的單位覆冰荷載Zi(NAi)的計算公式為
全文摘要
一種架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估方法，屬于架空輸電線路的自然災(zāi)害防御技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用計算機，通過程序，經(jīng)選出架空線路中易發(fā)生覆冰的微地形段、建立塔-線耦合體系有限元模型、計算塔-線耦合體系模型在均勻覆冰和風(fēng)荷載作用下的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力、對易發(fā)生覆冰的微地形段進行不均勻覆冰載荷的修正，確定塔-線耦合體系的薄弱環(huán)節(jié)及其抗冰能力。本發(fā)明具有工作量小、真實性高以及精確度高，為架空輸電線路的覆冰災(zāi)害預(yù)警等級和預(yù)警閾值提供了可靠依據(jù)，以便及時采取除冰措施，能有效預(yù)防覆冰災(zāi)害的發(fā)生，確保架空輸電線路的安全可靠運行等特點。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于架空輸電線路塔-線耦合體系抗冰能力的評估。
文檔編號G06F17/50GK102663215SQ201210147719
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者姚陳果, 左周, 張磊, 李宇, 李成祥, 米彥 申請人:重慶大學(xué)