基于安全裕度的杆塔覆冰灾害风险预测方法.pdf

本发明提出了一种基于安全裕度的杆塔覆冰灾害风险预测方法，该方法通过有限元数值仿真与数据回归分析相结合的方法，采用有限元法建立1:1架空输电线路杆塔耦合模型，全面的考虑各种静态条件下线路的主要受力因素，对覆冰线路模型各种运行工况进行仿真计算，并在此基础上利用安全裕度的概念，对仿真结果进行回归分析及数据拟合，得到输电塔线系统的安全裕度曲线，从而得到输电塔线系统的安全等级。本发明方法属于输电塔线系统安全评估领域，解决输电塔线系统的覆冰倒塔风险评估，实时的给出塔线系统的安全裕度范围，从而确定目前线路覆冰风险等级，为制定防覆冰改造方案提供依据，确定防覆冰改造方案的制定原则，提高其运行可靠性。

权利要求书一种基于安全裕度的覆冰塔线系统运行安全性评估方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一，构建杆塔耦合模型；
步骤二，获取杆塔耦合模型中杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度；
步骤三，对杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度进行回归分析、数据拟合和优化得到和杆塔安全裕度相关的回归预测模型y＝f(x)，其中，x为杆塔上的覆冰厚度，y为风速；
步骤四，根据杆塔回归预测模型和实时工况获取杆塔的实时安全裕度值
根据安全裕度值评估杆塔的覆冰灾害风险，其中，实时工况为：覆冰厚度为m，风速为a；n为y＝f（x）中y取a时的x值，t为y＝f（x）中y取0时的x值。
如权利要求1所述的基于安全裕度的覆冰塔线系统运行安全性评估方法，其特征在于：
所述的杆塔耦合模型是按照1：1的尺寸比例构建。
如权利要求1或2所述的基于安全裕度的覆冰塔线系统运行安全性评估方法，其特征在于：
所述的杆塔耦合模型是采用有限元方法构建。
如权利要求3所述的基于安全裕度的覆冰塔线系统运行安全性评估方法，其特征在于：
所述的采用有限元方法构建杆塔耦合模型的步骤具体为：
根据杆塔的电子结构图建立杆塔的三维有限元模型，并根据杆塔的实际线路和地理环境建立导线、地线及绝缘子的三维有限元模型，通过导线、地线及绝缘子模型将各杆塔连接起来得到杆塔耦合模型。
如权利要求1或2所述的基于安全裕度的覆冰塔线系统运行安全性评估方法，其特征在于：
所述的获取杆塔耦合模型中杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度的步骤具体为：
根据预设的一系列工况，采用有限元法分别对杆塔耦合模型中各节点进行风和覆冰循环加载，经分析得到不同工况下杆塔的受力情况，并根据杆塔的受力情况获得杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度。
如权利要求1或2所述的基于安全裕度的覆冰塔线系统运行安全性评估方法，其特征在于：
步骤三进一步包括以下子步骤：
1）通过对临界点进行回归分析和数据拟合建立杆塔回归预测模型，所述的临界点为杆塔临界工况下的风速和覆冰厚度；
2）采用全局优化法优化对所建立的杆塔回归预测模型进行迭代优化，判断临界点的拟合相关系数R是否满足预设的收敛条件，当R满足预设的收敛条件时停止迭代，即得到优化后的杆塔回归预测模型y＝f（x），其中，x为覆冰厚度，y为风速；若在是设定的迭代次数内拟合相关系数R无法收敛，则执行步骤3）；
3）取在设定迭代次数内拟合相关系数R最大的杆塔回归预测模型作为优化后的杆塔回归预测模型。

说明书基于安全裕度的杆塔覆冰灾害风险预测方法 
技术领域
本发明属于输电塔线系统安全评估领域，尤其涉及基于安全裕度的杆塔覆冰灾害风险预测方法。 
背景技术
覆冰是自然界常见的现象之一，而架空输电线路的导、地线和绝缘子覆冰都将对其安全稳定运行构成威胁，特别是覆冰所引起的倒塔事故，一旦发生会造成严重的经济损失及社会影响。随着我国的经济快速发展，伴随着电力超高压、特高压线路的大规模建设对电力系统的安全稳定性的要求越来越高，防止由覆冰所引起的一系列灾害事故的发生是电力行业急需解决的主要问题之一。 
我国的覆冰灾害是比较严重的，大面积的冰灾曾在我国多次发生，华中、西南、华北、西北和东北等地都发生过架空输电线路覆冰倒塔事故。2008年，一场特大的雨雪冰冻天气袭击我国许多地区，导致我国长江以南等地区大面积断电，对电网造成极其严重的破坏，是50年来最严重的一次覆冰危害事故。雨雪冰冻天气造成架空输电线路大部分覆冰，覆冰厚度从30毫米到80毫米不等。此次严重的覆冰事故共造成500kV交直流线路倒塔678基、停运119条，220kV线路倒塔杆1432基、停运343条，500kV变电站停运15座，220kV变电站停运86座。在冰冻期间，造成了大面积停电事故，使我国电网遭受了有史以来最严峻的威胁，造成多人死亡，直接经济损失数十亿元，给国民经济带来了巨大的经济损失，给人民生活带来了巨大的不便。 
从20世纪50年代以来，架空输电线路覆冰严重的俄罗斯、加拿大、美国、日本、英国、芬兰、冰岛等国家相继投入技术力量对架空输电线路覆冰进行观测和研究，探索架空输电线路覆冰机理、覆冰的形成条件、导线覆冰后冰风荷载的计算方法等等，并对导线覆冰进行长期观测和实验研究。但大多研究是基于覆冰形成机理以及相对应的危害；或对灾害时的气候进行统计分析，缺乏有效的计算数据验证。目前针对输电线路覆冰灾害事故预测方法的不足，无法全面反映各种运行条件下架空输电线路中杆塔结构安全状况。 
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于安全裕度的杆塔覆冰灾害风险预测方法，该方法能实时评估覆冰灾害风险，还可以对杆塔的覆冰灾害事故进行预测。 
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案： 
一种基于安全裕度的杆塔覆冰灾害风险预测方法，包括步骤： 
步骤一，构建杆塔耦合模型； 
步骤二，获取杆塔耦合模型中杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度； 
步骤三，对杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度进行回归分析、数据拟合和优化得到和杆塔安全裕度相关的回归预测模型y＝f(x)，其中，x为杆塔上的覆冰厚度，y为风速； 
步骤四，根据杆塔回归预测模型和实时工况获取杆塔的实时安全裕度值 根据安全裕度值评估杆塔的覆冰灾害风险，其中，实时工况为：覆冰厚度为m，风速为a；n为y＝f（x）中y取a时的x值，t为y＝f（x）中y取0时的x值。 
上述杆塔耦合模型是按照1：1的尺寸比例构建。 
上述杆塔耦合模型可采用有限元方法构建，构建方法具体为： 
根据杆塔的电子结构图建立杆塔的三维有限元模型，并根据杆塔的实际线路和地理环境建立导线、地线及绝缘子的三维有限元模型，通过导线、地线及绝缘子模型将各杆塔连接起来得到杆塔耦合模型。 
上述获取杆塔耦合模型中杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度的步骤具体为： 
根据预设的一系列工况，采用有限元法分别对杆塔耦合模型中各节点进行风和覆冰循环加载，经分析得到不同工况下杆塔的受力情况，并根据杆塔的受力情况获得杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度。 
上述得到和杆塔安全裕度相关的回归预测模型y＝f(x)具体为： 
1）通过对临界点进行回归分析和数据拟合建立杆塔回归预测模型，所述的临界点为杆塔临界工况下的风速和覆冰厚度； 
2）采用全局优化法优化对所建立的杆塔回归预测模型进行迭代优化，判断临界点的拟合相关系数R是否满足预设的收敛条件，当R满足预设的收敛条件时停止迭代，即得到优化后的杆塔回归预测模型y＝f（x），其中，x为覆冰厚度，y为风速；若在是设定的迭代次数内拟合相关系数R无法收敛，则执行步骤3）； 
3）取在设定迭代次数内拟合相关系数R最大的杆塔回归预测模型作为优化后的杆塔回归预测模型。 
与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果： 
1、本发明适用于架空输电线路，能够实时获取架空输电线路杆塔的安全裕度值，从而可 实时评估杆塔的覆冰灾害风险，可对杆塔的覆冰灾害事故进行预测，从而采取措施降低覆冰倒塔事故发生的几率；还可为制定杆塔防覆冰改造方案提供依据，确定防覆冰改造方案的制定原则，提高架空输电线路的运行可靠性。 
2、本发明实施简单，只需要知道实时工况，就可获得杆塔的安全裕度值，从而可以评估杆塔的覆冰灾害风险。 
附图说明
图1为本发明方法流程图； 
图2为具体实施中杆塔耦合模型示意图，其中，图（a）为多基杆塔耦合模型示意图，图（b）为单个杆塔耦合模型示意图； 
图3为杆塔的安全裕度曲线； 
图4为具体实施中某工况下杆塔安全裕度值示意图。 
具体实施方式
本发明方法将有限元数值仿真与数据回归分析相结合，采用有限元方法按1:1尺寸比例构建架空输电线路中杆塔耦合模型，全面考虑各种静态条件下线路的主要受力因素，对覆冰杆塔耦合模型各种运行工况进行受力仿真；在此基础上提出了安全裕度值的概念，对受力仿真结果进行回归分析及数据拟合，得到杆塔的安全裕度曲线，根据安全裕度曲线获取杆塔的实时安全裕度值，并基于安全裕度值实时判断杆塔的覆冰风险。本发明方法的流程图参见图1。 
图2为采用有限元法构建的杆塔耦合模型示意图。杆塔耦合模型包括按1:1尺寸比例构建的三维有限元杆塔模型，并通过导线、地线和绝缘子的三维有限元模型连接。图2所示模型中杆塔的主材型号为Q345钢，辅材型号为Q235钢，模拟杆塔的梁单元为BEAM188；导线型号为4×LGJ‑400/35，地线型号为GJ‑80。导线和地线是一种柔性构件，其特点是不能承受弯矩和压力，只能承受拉力，因此可以精确的按照单索结构进行处理，采用LINK10杆单元模拟导线和地线；绝缘子串和绝缘子串上金具的尺寸相比于杆塔、导线、地线十分小，对于塔线结构动力学分析的影响较小，可以采用LINK8杆单元，LINK8杆单元具有拉伸和压缩的刚度，常常用于模拟衍架、下垂电缆、连杆、弹簧等。 
建立了杆塔、导线、地线及绝缘子的有限元模型后，将组成各模型的单元进行耦合连接，杆塔模型由梁单元构建，各梁单元之间为刚性连接；绝缘子模型由杆单元构建，各杆单元之间为铰连；导线与地线模型也由杆单元构建，各杆单元之间也为铰连；绝缘子与杆塔悬挂点、绝缘子与导线处连接方式也为铰连，符合实际运行情况。将耦合连接后的杆塔、导线、地线及绝缘子模型组合为杆塔耦合模型。 
预设一系列不同工况，根据预设的不同工况，采用有限元法对杆塔耦合模型中各节点进 行循环风速和覆冰厚度加载以得到不同工况下杆塔的受力情况，分析不同工况下杆塔的受力情况获取杆塔在临界工况下的风速和覆冰厚度。在临界工况下的风速和覆冰厚度的基础上继续增大风速和覆冰厚度，杆塔会发生倒塌。 
表1不同工况的风速和覆冰厚度 

本具体实施中，首先根据表1提供的18种工况（即风速和覆冰厚度）分别对杆塔耦合模型中的导线、地线、绝缘子、杆塔模型进行风力和覆冰加载，加载方法可参见线路设计手册，具体为： 
(a)导线模型和地线模型的风荷载 
风作用于导线和地线上产生的风荷载，并非简单的风压与电线受风面积的乘积，还要考虑到与风速大小和电压等级有关的风载调整系数、与导线和地线平均高度相关的风速高度变化系数、风向与导线轴向间的夹角、与风速大小有关的风压不均匀系数、以及导、地线的体型系数等相关因素的影响。 
采用式（1）分别对导线和地线模型上各节点进行水平风加载： 
Wx＝0.625aμscβc(d+2δ)lH(Khv)2×sin2θ×10‑3＝gHlHβcsin2θ  （1） 
公式（1）中， 
Wx为垂直于导线和地线轴向的水平风荷载，单位：N； 
α为导线和地线的风压不均匀系数，其取值和基准高度的风速有关，具体取值可参考表2； 
μsc为导线和地线的体型系数，跟导线和地线外径、是否覆冰有关，在覆冰时，取1.2，具体取值可参考表3； 
βc为导线和地线作用于杆塔上的风载调整系数，其取值跟基准高度的风速有关，风速越大取值越大，随风速变化，在1.0～1.3范围内取值，表4给出了500kV线路电线作用于杆塔 上的风载调整系数值； 
v为线路中规定基准高hs处的风速，单位：m/s，该风速即为表1中所示的风速，是预先设计的一系列风速值； 
Kh为导线和地线平均高为h处的风速高度变化系数， hs为导线和地线的风速基准高度，β为与地面粗糙度有关的系数，一般陆地线路β按B类取0.16；宽水面跨越线路上空β按A类取0.12； 
d为导线和地线外径，单位：mm； 
δ为导线和地线表面覆冰厚度，单位：mm； 
lH为导线和地线水平档距，单位：m； 
θ为风向与导线和地线轴向间的夹角，单位：deg； 
gH为水平风产生的导线和地线单位风荷载；因为本申请中是将导线和地线离散成单元形式进行数值计算，因此对导线和地线的风荷载是采用单元荷载进行施加。当电线上有覆冰时，gH为公式（2）中的g1；当电线上无覆冰时，gH为公式（3）中的g2。 
导线和地线上覆冰时，水平风向产生的导线和地线单位风荷载g1为： 
g1=0.625αμsc(d+2δ)(Khv)2×10‑3    （2） 
导线和地线上无冰时，水平风向产生的导线和地线单位风荷载g2为： 
g2=0.625αμscd(Khv)2×10‑3    （3） 
其中，单位风荷载g1和g2的单位为N/m。 
表2电线风压不均匀系数α的取值 

表3电线的体型系μsc

表4500kV线路电线作用于杆塔上的风载调整系数βc 

由于本部分是对导线和地线模型上各节点进行水平方向风的加载，因此各节点上加载的水平风荷载均相等。 
由于地线位置较导线高，且地线不带电，还因为地线比导线细而更容易覆冰，因此在对导线和地线模型进行加载时地线覆冰厚度取值比导线覆冰厚度大。 
(b)绝缘子模型的风荷载 
采用式（4）对杆塔耦合模型中各串绝缘子模型进行风力加载：