高压架空输电线路覆冰情况下风险评估研究.pdf

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第44卷第l0期2016年5月16日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlV01.44NO.1OMayl6,20l6DOI:10.7667/PSPC151184高压架空输电线路覆冰情况下风险评估研究王燕,杜志叶,阮江军(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:对覆冰情况下的高压输电线路进行了风险评估研究,建立了有限元计算模型。该模型考虑材料非线性以及塔一线系统耦合特性,分析了不同覆冰厚度和风速情况下塔一线系统的失效情况。采用基于迭代修正的找形方法,准确地对导线弧垂进行了初始化设置,得到了导地线的初始形状和应力。提出杆塔受力安全裕度风险评估方法,采用回归分析方法得到杆塔的安全裕度曲线,该曲线直观地描述了杆塔力学失效度与覆冰厚度及风速的关系。计算得到某实际线路单塔失效安全裕度曲线,获取各基杆塔薄弱点位置,提出了杆塔的具体改进措施。通过安全裕度曲线对比证明所提出改进措施的正确性和有效性。关键词:高压输电线路{覆冰;塔一线系统;安全裕度;风险评估ReliabilityriskevaluationforthehighvoltageoverheadtransmissionlineundericingconditionWANGYan,DUZhiye,RUANJiangjun(SchoolofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Thispaperanalyzesthereliabilityriskevaluationmethodforthehighvoltageoverheadtransmissionlineunder—heavyicingcondition.Thefiniteelementcalculationmodelwhichconsidersnonlinearmaterialandcoupledcharacterofthetower-linesystemisbuilt.TheStressdistributionanddeformationofthetower-linesystemareanalyzedconsideringtheicethicknessandwindspeedpa—rameters.Basedoniterativecorrectionmethod,anewformfindingmethodisappliedtodeterminetheinitialstateofthesag,andthenboththeinitialstrainrangeandtheshapeofthegroundinglinearedetermined.Furthermore,towersafetymarginevaluationmethodisproposed.Onthebasisoffiniteelementcalculatedresultsoftower-linesystemundervariousicethicknessandwindspeedcondition,regressionanalysisisadoptedtoobtainthesafetymargincalveofthetower.Thesafetymargincurveintuitivelydescribestherelationshipbetweenicethickness,windspeedandthetowerfailurerateleve1.Thesafetymargincurveofthetowerofa500kVicingtransmissionlineiscalculatedandthevulnerableareaofthetowerisobtained.Comparativecurveofsafetymargindemonstratesthevalidityoftheimprovedcorrectiverecommendations.Keywords:hi曲voltageoverheadtransmissionline;icingcondition;tower-linesystem;safetyinterval;riskevaluation0引言覆冰是自然界常见的现象之一,而输电线路的导线、地线和绝缘子覆冰都将不同程度对输电线路的安全稳定运行造成不利影响。2008年我国部分省份出现的罕见冰冻灾害,对电网造成了大面积的损毁,诸多科研工作者和科研机构开始对覆冰情况下的输电线路设计标准进行了修订,电网运行单位也有‘针对性地开展了地区差异化的电网规划作L1。J。目前,对输电塔一线系统覆冰受力分析计算及风险评估的文献相对较少。文献【7]建立了恶劣天气情况下的电网稳定性模型,该模型主要用于研究在暴风雪和大风等恶劣天气情况下,瑞典部分区域输电线路和铁塔的失效特性;文献[8】提出了在风荷载下的塔线系统解析数值模型,应用该模型计算得到的数据用于分析塔线系统的动态特性和失效机理;文献『9]建立了多跨塔.线系统的二维有限元数值计算模型,分析了脱冰和断线等情况下,输电线路的铁塔和导线动力响应方面的问题。国内方面,文献[10】在总结中国输电线路典型覆冰事故的基础上,对中国输电线路覆冰事故特点、事故原因及防治技术措施进行了总结分析;文献[111通过对一例架空地线因覆冰滑动的事故,分析了在微地形、微气象区导地线覆冰后产生滑动的原因及危害,同时提出王燕,等高压架空输电线路覆冰情况下风险评估研究一85一了解决方案;文献[12]采用梁单元模拟覆冰输电线,研究了风速、档距长度对舞动幅值及导线舞动过程中张力的影响,为导线舞动的预防及减小舞动的幅值提供了依据。本文首先建立了输电线路塔.线系统力学分析模型,然后就覆冰塔一线系统安全裕度进行了分析,最后以实际线路为例计算了其杆塔在不同风速和覆冰厚度情况下的单元应力值,对杆塔安全裕度进行了分析并提出结构改进措施。1高压架空输电线路力学分析模型按照有限元力学分析建模要求,高压架空输电线路数值计算模型的建立需要选取正确的杆塔、导、地线单元精确模拟各部件结构特性,设定贴近实际的材料特性,建立精细的塔.线耦合仿真模型,进而通过力学有限元计算来分析高压架空输电线路塔.线结构系统受力情况【13-14]。1.1塔一线结构系统计算模型有限元模型建模所应用的力学单元如图1所示,其中:LINK10截面为四边形,用以模拟导地线的悬链线模型【15l;铁塔使用Q345和Q235两种“”型号角钢,钢截面为L形,采用BEAM188模拟L16l;覆冰时,利用梁单元BEAM188的ctube模型在导f地)线外包围一层厚度为15min的冰。.(a)BEAMI88模拟L形角钢(b)LINKIO模拟导线—嗣一(C)BEAMI88模拟柱形覆冰(d)导线外包覆冰图1力学单元应用示意图Fig.1Schematicdiagramofmechanicalelement根据构建塔.线系统的材料型号和特性选定相应单元,建立用于数值计算的塔.线耦合系统有限元计算模型。在塔建模过程中,为提高工作效率,考虑塔的平面对称特性,首先建立1/4塔模型,随即通过两次复制得到塔的整体模型引。1.2荷载的施加与计算将导线离散成单元形式进行数值计算,对导线风荷载采用单位荷载进行施加。导地线水平档距为fH时,其风荷载为Wx=0.625ogz(+26)lH(Kh1,)×sin0xr1、10~:gHfHsin0’对导线风荷载采用单位荷载进行施加,覆冰时,单位风荷载为g:0.625a',us。(d+2(l,)sin×10(2)式中:a为风压不均匀系数;。为体型系数;,8c为风载调整系数;v为设计风速;d为导地线外径;为覆冰厚度;0为风向与导地线轴向间夹角:lH为杆塔水平挡距;为导地线平均高为h处的风速高度变化系数。绝缘子的风荷载为1}2=4(3)1.U式中:为绝缘子串数;z为每串绝缘子的片数;。为绝缘子受风面积;也为风压高度变化系数。铁塔风荷载为:船y2式中:k为风载体形系数,取1.3;为风压高度变化系数;为风荷载调整系数;A。为铁塔杆件档风面积。导地线覆冰重力单位荷载为g=9.8x0.9 ̄fi(d+fi)x10一(5)式中:d为导、地线外径;为覆冰厚度。输电杆塔节点f上的覆冰荷载为=∑寺g(J[)(6)j=l-r式中:为构件数目;P为覆冰密度;h为覆冰直径随高度变化系数;为单个构件长度。1.3塔一线系统初始形态确定为在重力求解后能够真实模拟线路实际运行状态,同时要考虑塔线间的耦合作用,减小其它工况下(覆冰荷载、风荷载等)有限元计算的误差,必须6一线系统的初始形态进行确定I1。塔.线结构系统找形采用如图2所示迭代修正法,该方法以重力求解后的导地线应力与其年平均运行应力之差、初始弧垂加上位移之和与设计弧垂之差为判据,通过迭代法来修正导地线的初始应力和初始应变,从而使塔.线系统在重力求解后的状态与线路正常运行状态一致。迭代修正法采用线性静力求解,不仅避免了刚度矩阵的奇异性,还具有适用于曲线索单元和直线杆单元、求解控制简单、实现容易等特点。电力系统保护与控制图2迭代修正法计算流程图—Fig.2Flowdiagramofiterativecorrectionmethod2案例研究2.1塔一线系统建模针对我国西南地区某实际线路10mm冰区(易发生覆冰事故微气候段)的两个耐张段内4l基杆塔,建立1:1三维有限元模型。按前文所述方法对逐基杆塔进行循环加载计算,对导、地线及杆塔进行加载,并对导、地线端部及杆塔脚部施加约束,得到杆塔在不同风速和覆冰情况下的单元应力值。图3所示为冰厚10mm、风速12m/s时一塔两线系统应力分布计算结果示意图。羲;蓉图3塔一线系统有限元计算结果—Fig.3Finiteelementcalculatedresultsoftowerlinesystem2.2应力计算分析以某杆塔为例分析其在不同风速冰厚临界情况下的应力分布情况,如图4所示,随着荷载的增大——应力值逐步增大且在2060、380.510、750870及1150.1250四个塔头位置的单元应力均出现较大值,这四个位置对应于杆塔的塔头部分,说明钢构应力较大值不是单独出现,在一定范围内钢构的应力值均较大。1言邕0~1×lOsl83#塔临界处鹰力分布。Il姆胛.{l1I0500l0001500元编号(a)杆塔临界处应力分布图 ̄10t ̄183#;t ̄临界处应力分布局部放大圈单元编号fb杆塔临界处应力分布局部放大图图4杆塔应力分布计算结果Fig.4Stressdistributionofthetower杆塔失效并非一两个钢材超过其屈服强度就失效,而是大范围的钢材均超过屈服强度时杆塔才会失效。通过图5所示临界冰厚风速情况下部分单元应力变化可知,35和409号单元在冰厚为28mm,风速为14m/s时,其应力值最大,此部分最为薄弱;—12391241号单元在冰厚为12mm,风速为22m/s时应力值最大,此部分最为薄弱。杆塔最大屈服强度随覆冰和风速变化情况如图6所示,覆冰厚度在0~12mm之间杆塔的轴向应力基本保持不变即此时杆塔的稳定性较好;12 ̄16mm之间随着覆冰厚度的增加轴向应力上升较快且上升的曲率较大,在覆冰厚度为16mm时杆塔的轴向应力达到最大。虽然风速在20m/s和22rrds时最大轴向应力超过了钢材的屈服强度,但绝大部分钢材还王燕,等高压架空输电线路覆冰情况下风险评估研究一89.譬量募篓篙篆受3结论更大应力,从而更充分发挥高强度材料的作用。一H~‘;.““0。0。一丑L口j—I0一改进莳I\、、\\——‘一\。—~~———、卜个最薄弱单元图11改进前后杆塔薄弱单元应力比值对比Fig.11Comparativecurvediagramoftowervulnerableareaunitstressratio由图12可知,将薄弱处的钢材换成高强度的钢材后,在相同风速条件下,杆塔所能承受的极限冰厚值都有所提高,提高的范围在2~6mna不等,改善效果较为明显。鼍匿覆冰厚度/mm图12安全裕度曲线对比图Fig.12Comparativecurvediagramofsafetymargin(1)高压架空输电线路塔.线系统有限元计算模型结合基于迭代方法的塔一线系统找形分析方法,实现了多档距线路在冰载荷及风载荷作用下杆塔及线路的受力分布计算。(2)将安全预度概念引入杆塔风险分析中,通过安全预度函数以及安全预度曲线直观给出了杆塔在给定条件下的风险等级。(31以我国西南地区某500kV输电线路为研究对象,计算不同冰厚及风速情况下的杆塔应力值,通过回归分析方法,得出单塔失效安全裕度曲线数据。通过分析杆塔薄弱点位置受力情况,提出的杆塔改进措施切实可行,具有实际工程指导意义。参考文献[1]蒋兴良,常恒,胡琴,等.输电线路综合荷载等值覆冰厚度预测与试验研究[J].中国电机工程学报,2013,—33(10):177183.BANGXingliang,CHANGHeng,HUQin,eta1.Predictionandexperimentalstudyoncombinedloadequivalenticethicknessofoverheadtransmissionline[J].ProceedingsoftheCSEE,2013,33(10):177-183.[2]张勇,严承涌,谢强.覆冰特高压输电塔线耦联体系风致动力响应风洞试验[J].中国电机工程学报,2010,30(28):94-99.ZHANGYong,YANChengyong,XIEQiang.Windtunneltestonwind-induceddynamicresponsesoficingultrahigh—voltagetransmissiontowerlinecouplingsystem[J].—ProceedingsoftheCSEE,2010,30(28):9499.[3]赵大乐,姚秀平,纪冬梅,等.高压输电线路覆冰问题—研究[J].上海电力学院学报,2011,27(1):1924.ZHAODale,YAOXiuping,JIDongmei,eta1.Analysisofthestatusquoofstudyonicingonhighvoltagetransmissionline[J].JournalofShanghaiUniversityof—ElectricPower,2011,27(1):1924.C43刘赞,俞集辉,程鹏.基于电磁.热耦合场的架空输电线路载流量分析与计算【J].电力系统保护与控制,2015,43(9):28-34.LIUYun,YUJihui,CHENGPeng.Analysisandcalculationontheampacityofoverheadtransmissionlinesbasedonelectromagnetic-thermalcouplingfields[J].PowerSystemProtectionandControl,2015,43(9):28.34.[5]朱斌,潘玲玲,邹扬,等.考虑融冰因素的输电线路覆冰故障概率计算[J】.电力系统保护与控制,2015,43(10、:79-84..90一电力系统保护与控制ZHUBin,PANLingling,ZOUYang,eta1.Faultprobabilitycalculationoftransmissionlineconsideringicemeltingfactors[J].PowerSystemProtectionandControl,—2015.43(10):7984.[6]黄文焘,邰能灵,范春菊.基于杆塔结构力学测量的线路覆冰在线监测系统研究[J1.电力系统保护与控制,—2012,40(24):7183.HUANGWentao,TAINengling,FANChunju.Studyonicingmonitoringsystemofdifferenttoweroverheadtransmissionlinesbasedonmechanicsmeasurements[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(24):71.83.[7]BROSTROME,AHLBERGJ,SODERL.ModellingoficestormsandtheirimpactappliedtoapartoftheSwedishtransmissionnetwork[C]//IEEEPowerTech,—Lausanne,2007:15931598.[8]BATTISTARC,RODRIGUESRS,PFEILMS.Dynamicbehaviorandstabilityoftransmissionlinetowersunderwindforces[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2003(91):1051-1067.[9]MCCLUREGLAPOINTEM.Modelingthestructuraldynamicresponseofoverheadtransmissionlines[J].Computers&Structures,2003(81):825-834.[1O]王少华.输电线路典型覆冰事故及防治技术分析『J1.—高压电器,2010,46(10):8589.WANGShaohua.Analysisoftypicaliceaccidentsoftransmissionlinesandpresentingtechniques[J].High—VoltageApparatus,2010,46(10):8589.[11]杜涛,李志东.500kV输电线路重冰区地线覆冰滑动—分析及治理对策【J1.湖北电力,2010,34(5):1719.DUTao,L1Zhidong.Analysisandcountermeasuresoficeaccretedgroundwireslidingon500kVtransmissionlineinheavyiceareas[J].HubeiElectricPower,2010,34(5):l7-19.[12]郝淑英,周坤涛,刘君,等.考虑多种因素的覆冰输电线舞动的有限元分析【J].天津理工大学学报,2010,26(6):7-11.HAOShuying,ZHOUKuntao,LIUJun,eta1.Finiteelementanalysisoficedconductorgallopinginvolving—multifactors[J].JournalofTianjinUniversityofTechnology,2010,26(6):7-11.[13]杜志叶,张宇,阮江军,等.500kV架空输电线路覆冰失效有限元仿真分析[J】.高电压技术,2012,38(9):2430.2436.DUZhiye,ZHANGYu,RUANJiangjun,eta1.Failureanalysisof500kVicedoverheadtransmissionlinebyfiniteelementmethod[J].Hi曲VoltageEngineering,—2012,38(9):24302436.[14]刘纯,陆佳政,周卫华,等.倒V型绝缘子串载荷的有限元分析[J].高电压技术,2008,34(3):569.572.LIUChun,LUJiazheng,ZHOUWeihua,eta1.Load—analysisofbackwardVtypeinsulatorsbyFEM[J].High—VoltageEngineering,2008,34(3):569572.[15]彭迎,阮江军.模拟电荷法计算特高压架空线路3维—工频电场[J].高电压技术,2006,32(12):6974.PENGYing,RUANJiangjun.Calculationofthree-dimensionalharmonicelectricfieldaroundultrahighvoltageoverheadlinebasedonthechargesimulationmethod[J].HighVoltageEngineering,2006,32(12):—6974.[16]曹枚根,徐忠根.钢管组合大跨越输电塔导地线耦合—效应研究【J].中国电力,2006,39(12):3639.CAOMeigen,XUZhonggen.Researchoncablescoupledeffectofcombosteeltubetowerforlargecrossingtransmissionlines[J].ElectricPower,2006,—39(12):3639.[17]刘云,钱振东,夏开全,等.鼓型塔输电线路绝缘子破坏非线性动响应分析[J].振动工程学报,2009,22(1):6.13.LIUYun,QIANZhendong,XIAKaiquan,eta1.Transientresponseofhighvoltagetransmissionlineswithdrumtypetowersbasedoninsulatorrupture[J].JournalofVibrationEngineering,2009,22(1):6-13.[18]杜志明,范军政.安全裕度研究与应用进展[JJ.中国安全科学学报,2004,14(6):6-10.DUZhiming,FANJunzheng.Progressinstudyandapplicationofsafetymargin[J].ChinaSafetyScienceJournal,2004,14(6):6-10.—收稿日期:2015-0710;—修回日期:2015-0817作者简介:王燕(198卜),女,高级工程师,从事电磁场数值计—算、高电压与绝缘技术等方面的研究工作;Email:chenghuangfu@163.com杜志叶(1974一),男,博士,副教授,从事电磁场数值计算、高电压与绝缘技术、电磁无损检测等方面的研究工作;阮江军(1968一),男,博士,教授,博导,从事电磁场数值计算、高电压与绝缘技术、电磁兼容等方面的研究工作。(编辑张爱琴)
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