[发明专利]架空输电线路塔-线耦合体系抗冰能力的评估方法

摘要

一种架空输电线路塔-线耦合体系抗冰能力的评估方法，属于架空输电线路的自然灾害防御技术领域。本发明利用计算机，通过程序，经选出架空线路中易发生覆冰的微地形段、建立塔-线耦合体系有限元模型、计算塔-线耦合体系模型在均匀覆冰和风荷载作用下的薄弱环节及其抗冰能力、对易发生覆冰的微地形段进行不均匀覆冰载荷的修正，确定塔-线耦合体系的薄弱环节及其抗冰能力。本发明具有工作量小、真实性高以及精确度高，为架空输电线路的覆冰灾害预警等级和预警阈值提供了可靠依据，以便及时采取除冰措施，能有效预防覆冰灾害的发生，确保架空输电线路的安全可靠运行等特点。本发明可广泛应用于架空输电线路塔-线耦合体系抗冰能力的评估。

主权项

1.一种架空输电线路塔-线耦合体系抗冰能力的评估方法，利用计算机，通过程序进行分析计算，确定塔-线耦合体系的薄弱环节及其抗冰能力，其特征在于所述方法的具体步骤如下：（1）选出架空输电线路中易发生覆冰的微地形线段利用现有的 “KML，EXCEL相互转换加导航”程序，将架空输电线路GPS坐标转换为KML语言，导入现有的Google Earth 软件形成架空输电线路的三维地形特征路径图，然后，按架空输电线路的路径导航查看全线路地形特征，结合容易产生重覆冰和不均匀覆冰的地形进行分析，筛选出易形成覆冰的五种典型的微地形线段，微地形线段的选取要以耐张塔为边界塔，以提高塔-线耦合体系抗冰能力评估的真实性和精确度，典型的五种覆冰微地形分别为垭口型、高山分水岭型、水气增大型、地形抬升型、峡谷风道型；（2）建立塔-线耦合体系有限元模型第（1）步完成后，利用现有的ANSYS软件，对第（1）步选出的微地形线段按下列步骤建立塔-线耦合体系有限元模型，即：选取塔-线耦合体系的有限元根据架空输电线路中的主要构件是杆塔（1）和导线（2）及地线（3）构成，在架空输电线路的运行中，对导线（2）和地线（3）起支撑作用的杆塔（1）主要承受剪切应力和弯曲应力及轴向应力，用BEAM188梁单元模拟，传输电能的导线（2）通过绝缘子串和金具与所述的杆塔（1）铰链；接受和传输雷电流的地线（3）通过金具与所述的杆塔（1）铰链，并且所述的导线（2）和所述的地线（3）主要承受轴向应力 ，因此导线（2）和地线（3）有限元选取LINK10单元模拟，合理选取出塔-线耦合体系有限元确保输电塔-线耦合体系模拟的真实行；设置模拟有限元的参数第（2）—步完成后，对（2）—步选出的塔-线耦合体系有限元，分别输入架空输电线路的杆塔（1）和导线（2）及地线（3）参数，所述杆塔（1）的参数有：钢材即Q235或Q345或Q420三种钢材的杨氏模量、泊松比、密度、截面形状、屈服强度；所述导线（2）和地线（3）的参数有：等效截面积、杨氏模量、密度、泊松比及初始应变，对第（2）—步选出的塔-线耦合体系有限元设置参数，确保模拟输电塔-线耦合体系的准确性；建立塔-线耦合体系有限元模型第（2）—步完成后，利用现有ANSYS软件，在第（2）—步设置有参数的塔-线耦合体系有限元中，采用点、线连接方式，生成各杆塔（1）的结构有限元模型，根据架空输电线路中各杆塔（1）间的档距、高差及杆塔（1）的转角参数，定位各杆塔（1）的相对位置，然后，再生成带有绝缘子串金具和地线（3）的金具的有限元模型，最后，生成导线（2）和地线（3）的LINK10单元有限元模型，从而建立起以耐张塔为边界塔的塔-线耦合体系的有限元模型，用以评估架空输电线路的塔-线耦合体系的抗冰能力；（3）计算塔-线耦合体系有限元模型在均匀覆冰荷载和风荷载作用下的薄弱环节及其抗冰能力第（2）步完成后，对第（2）-步建立的塔-线耦合体系有限元模型，设置边界条件及施加荷载进行仿真分析，即：先设置边界条件及施加自重力荷载：边界条件是以每基杆塔（1）的塔脚的四个节点，以及导线（2）和地线（3）两端的节点，进行全自由度约束，来限定塔-线耦合体系有限元结构分析的边界条件；塔-线耦合体系的自重力荷载是指塔-线耦合体系在自身重力作用下所承受的荷载，自重力荷载的施加是通过程序，添加全局坐标系下的重力加速度实现的，其中重力加速度为9.806m/s2；后施加覆冰荷载进行计算：在塔-线耦合体系有限元模型中，计算导线（2）和地线（3）上的冰荷载，在工程应用中，将导线（2）或地线（3）上附着的各种类型及不同截面形状的覆冰均折算为导线（2）或地线（3）上密度为0.9×10³ kg/m³的空心圆形雨凇断面，该空心圆形雨凇断面的壁厚即为等值覆冰厚度h(mm)，当知道导线（2）或地线（3）的计算外径为D(mm)时，则单导线（2）或地线（3）的等值覆冰厚度为h(mm)时，单导线（2）或地线（3）的单位覆冰荷载L_i(N/m)的计算公式为:（1）     式中gb为重力加速度；对于2分裂的导线的单位覆冰荷载为2×Li , 对于4分裂的导线的单位覆冰荷载为4× Li ，以此类推，由此针对不同的导线（2）或地线（3）的型号和覆冰厚度可以计算出单位覆冰荷载，然后施加到导线（2）或地线（3）上，作为输电塔-线耦合体系的外加荷载，并分别施加0、5mm、10mm、15mm、20mm、30mm、40mm、50mm八种不同覆冰厚度的覆冰荷载进行计算，获取塔-线耦合体系在各种荷载作用下的应力值，及应力云图，再施加风荷载进行计算：根据风速方向与导线（2）或地线（3）延伸方向垂直时作用力最大，也是最危险的风荷载情况，所以本方法只考虑风速方向与导线（2）或地线（3）延伸方向垂直的风荷载情况；根据《110~500kV架空送点线路设计技术规程（DL/T 5092-1999）》相关规定规定，垂直于导线（2）或地线（3）轴向的单位水平风荷载的计算式为：无冰时的导线（2）或地线（3）上单位水平风荷载L_n (N/m)（2）有冰时的导线（2）或地线（3）上单位水平风荷载L_y (N/m)（3）式中：D（mm）为导线（2）或地线（3）的线径；h（mm）为覆冰厚度；α为风压不均匀系数；μ_SC为导线（2）或地线（3）体形系数；μ_Z为风压高度变化系数；μ_θ为风向与导线（2）或地线（3）轴线间的夹角引起的风压随风向的变化系数；V为风速大小，单位m/s，根据2分裂的导线（2）的两根子导线是上下排列，两根子导线同时受风荷载作用，因此2分裂的导线（2）的单位水平风荷载为2×L_n或 2×L_y ；根据4分裂的导线（2）的两根子导线是上下排列，另两根子导线并排排列，同样只有两根子导线同时受风荷载作用，因此4分裂的导线（2）的单位水平风荷载为2×L_n或2×L_y，在各不同厚度的覆冰荷载的基础上叠加10m/s和20m/s的风荷载进行计算，获取塔-线耦合体系在各种荷载作用下的应力值及应力云图；然后定位导线（2）、地线（3）及杆塔（1）的薄弱环节在塔-线耦合体系中，在极端覆冰天气情况下，导线（2）或地线（3）上的覆冰荷载过大，使作用于导线（2）或地线（3）上的应力超过了导线（2）或地线（3）的拉断力而发生断线事故，杆塔（1）承受的应力超过了杆塔（1）的构件的屈服强度，而发生倒塔事故，通过对第（3）步计算得到的均匀覆冰荷载及风荷载作用下的塔-线耦合体系的抗冰能力，依据线路设计特点利用程序分别绘制出导线（2）和地线（3）及杆塔（1）的应力云图，即当架空输电线路设计覆冰厚度为10mm时，则绘制20mm均匀覆冰荷载计算得到的应力云图；即当架空输电线路设计覆冰厚度为15mm时，则绘制30mm均匀覆冰荷载计算得到的应力云图；当架空输电线路设计覆冰厚度为20mm时，则绘制40mm均匀覆冰荷载计算得到的应力云图；当架空输电线路设计覆冰厚度为30mm时，则绘制50mm均匀覆冰荷载计算得到的应力云图，分析应力云图确定导线（2）和地线（3）及杆塔（1）的最大应力值的位置，即为导线（2）、地线（3）及杆塔（1）的薄弱环节；最后对导线（2）、地线（3）及杆塔（1）的薄弱环节进行抗冰能力分析在塔-线耦合体系中，要保证塔-线耦合体系的结构安全稳定的运行，必须要求覆冰荷载不超过塔-线耦合体系的抗冰能力，也就是说由于荷载引起的应力增加不超过塔-线耦合体系的破坏或屈服强度值；其中导线（2）和地线（3）在塔-线耦合体系中主要承受拉力的作用，当应力达到或超过导线（2）或地线（3）的拉断力后将导致导线（2）或地线（3）拉断事故的发生，当杆塔（1）的应力超过材料的屈服强度后杆塔（1）将发生较大的屈服变形而导致塔-线耦合体系的结构失稳，从而使得倒塔事故的发生，因此通过提取导线（2）、地线（3）及杆塔（1）的薄弱环节在八种荷载下的应力并通过数值拟合，结合拉断应力或屈服应力即可分别求解出导线（2）、地线（3）及杆塔（1）的抗冰能力；（4）对易发生覆冰段的不均匀覆冰荷载的修正第（3）步完成后，针对第（3）步均匀覆冰计算定位的薄弱环节的杆塔（1），以及根据第（1）步微地形分析中确定的容易形成两侧不均匀覆冰的杆塔（1）进行不均匀覆冰修正，不均匀覆冰荷载的修正方法为：先选出需要进行不均匀覆冰修正的杆塔（1），即根据第（3）步均匀覆冰计算定位的薄弱环节的杆塔（1），以及根据第（1）步微地形分析中确定的容易形成两侧不均匀覆冰的杆塔（1）；后根据微地形特点确定所述杆塔（1）的两侧中易形成重覆冰的档，施加厚度为h₁(mm)的覆冰荷载（根据第（3）步中公式（1）求得），在所述杆塔（1）的另一侧即轻覆冰档施加厚度为h₂(mm)的覆冰荷载（根据第（3）步中公式（1）求得），所述h₂为：式中k为不均匀系数，即：式中h₁为重覆冰侧的覆冰厚度，h₂为轻覆冰侧的覆冰厚度，当不均匀系数k=0时，为均匀覆冰;当不均匀系数1时，为杆塔（1）一侧覆冰，令一侧不覆冰的极端不均匀覆冰，当杆塔（1）一侧覆冰厚度为40mm时：当轻覆冰厚度为40mm时，则k=0，当轻覆冰厚度为20mm时，则k=0.5；当轻覆冰厚度为0mm时，则1，分析中选择k=0、k=0.5以及1三种覆冰不均匀系数表示均匀、不均匀以及极不均匀三种不均匀覆冰荷载进行仿真分析；具体荷载为根据第（3）步中计算所得到的各种不同覆冰厚度的导线（2）或地线（3）的单位覆冰荷载L_i(N/m)，在确定的重覆冰侧分别施加覆冰厚度为10mm、20mm、30mm和40mm的覆冰荷载，在轻覆冰侧施加不均匀系数分别为0和0.5及1的覆冰荷载，进行仿真分析，计算不均匀覆冰作用下塔-线耦合体系的抗冰能力；（5）确定塔-线耦合体系的薄弱环节及其抗冰能力第（4）步完成后，通过塔-线耦合体系的导线（2）、地线（3）以及杆塔（1）的抗冰能力分析后，通过对比确定塔-线耦合体系的薄弱环节，进而明确塔-线耦合体系抗冰能力。