一种可抗强/特异风的喷气式输电塔抗风装置及方法

本发明涉及输电塔抗风加固领域，具体涉及一种可抗强/特异风的喷气式输电塔抗风装置及方法。

背景技术：

1、在输电塔线体系中，输电塔是架设线路重要的支撑节点。输电塔的高度不断增长，其风敏感性愈发突出，极易在强/特异风的袭击下发生倒塔等破坏，影响电力传输系统的供电稳定。

2、特异风包括下击暴流、龙卷风以及飑线风等局地强对流天气。需要对强/特异风多发区的输电塔结构采取一定的抗风加固措施。

3、输电塔抗风加固方法主要有加装阻尼器、加固主材构件与斜撑以及加装缆风绳或改进基座等，但现有的加固方式大多只考虑了输电塔在常遇风速下的响应情况，且多为被动控制，难以针对不同的风场情况进行调整，存在成本高、安装困难以及通用性差等特点。

4、相较于良态风场，特异风具有非平稳性强、平均风速大以及突发性强等特点，普通的加固方法无法确保输电塔在强/特异风袭击时的抗风稳定性。

技术实现思路

1、技术目的：针对上述技术问题，本发明提出一种可抗强/特异风的喷气式输电塔抗风装置及方法，以保证在强/特异风作用下输电塔的抗风稳定性。通过传感器对输电塔现场风场环境以及主材受力情况进行监测，同时控制单元对采集数据进行分析计算，预测得到未来6小时的阵风风速时程。当输电塔场地最大风速、风压或主材应力应变数据超过阈值时，启动自动控制子系统，各喷气单元根据计算得到的最优控制方案调整至最佳喷射角度，喷出特定速度的气体，以平衡输电塔受到的强/特异风荷载，保证输电塔在强/特异风作用下的抗风稳定性。

2、一种可抗强/特异风的喷气式输电塔抗风装置，包括：

3、风速风向传感器，用于监测输电塔现场的实时风速风向数据；

4、风压传感器，用于监测作用于输电塔主材上的风压分布情况；

5、应力应变传感器，用于监测作用于输电塔主材截面的应力应变实时数据；

6、无线传输设备，用于将所采集的数据传输至控制单元；

7、所述输电塔主材上设有旋转喷气组件，所述旋转喷气组件能够接收所述控制单元的信号，用于在输电塔受到强/特异风袭击时以一定喷气方向、喷气速度喷出气体，以平衡输电塔主材关键节点的受力情况，提高输电塔的抗强/特异风性能。

8、所述旋转喷气组件包括多组可调节喷气单元，每根所述输电塔主材上安装有一组所述可调节喷气单元，每组所述可调节喷气单元中包括：

9、两个半环形固定组件，相对连接以套接固定于输电塔主材外壁上，所述半环形固定组件的上下两端分别设有弧形轨道槽；

10、两个半环形旋转组件，上、下两端设有弧形滑动支撑部，所述弧形滑动支撑部能够滑动支撑于所述弧形轨道槽中；

11、所述半环形旋转组件的弧形滑动支撑部上设有牵引沉槽，所述牵引沉槽的两端分别固定连接有一个锚接件，每个所述锚接件上与一揽绳一端固定连接，牵引索另一端与固定在所述弧形轨道槽上部的旋转驱动单元连接；

12、喷气装置，固定在所述半环形旋转组件上，可随所述半环形旋转组件旋转，以调节喷气方向；

13、供电单元，为所述旋转驱动单元、喷气装置提供电能。

14、所述风速风向传感器安装于塔顶高于结构最高点3-5m处，且采用抗电磁场干扰的三维超声风速仪；

15、所述风压传感器以及应力应变传感器的安装位置根据输电塔在强/特异风作用下的响应分析结果确定，选取输电塔中上部10-20个关键部位进行风压与应力应变的监测。

16、所述喷气装置包括底座与喷射口两部分，底座的四面开有四个矩形入流口，底部安装有大功率蓄电池以及旋转电机，喷射口包括两级加速风扇和两个空气加速段；喷气装置启动时旋转电机驱动两级风扇转动，将气流加速喷出。

17、所述两级加速风扇有各自的旋转电机，通过调整两级旋转电机的转速，从而控制第一级加速风扇与第二级加速风扇以各自指定的转速对气体进行两段加速，最后通过喷嘴喷出所需速度的气体。

18、所述供电单元为太阳能供电单元。

19、所述控制单元包括：

20、风速风压监测与预测模块，用于分析采集到的风速风向数据以及风压数据，并对输电塔现场风速进行实时预测；

21、主材应力应变监测分析模块，用于监控输电塔主材关键节点部位的受力情况；

22、最优抗风方案计算模块，用于计算当前最不利工况下各喷气单元的最优喷气方向和喷气速度。

23、本发明进一步公开了所述可抗强/特异风的喷气式输电塔抗风装置的运行方法，包括以下步骤：

24、s1、根据输电塔设计图纸建立输电塔结构的有限元模型，计算分析常遇风速、强风和特异风作用下输电塔的风振响应，选取输电塔中上部响应较大的10-20个关键部位进行综合比选，确定最终的喷气单元布设方案；

25、s2、确定喷气单元布设方案后，在塔顶处安装所述风速风向传感器，并在风振响应的关键部位安装所述风压传感器、应力应变传感器以及所述旋转喷气组件，最后在投入运行前完成数据无线传输以及算法调试；

26、s3、在输电塔抗风装置运行过程中，风速风向传感器采集到的实时风速风向数据、风压传感器采集到的风压数据以及应力应变传感器采集到的主材应力应变数据传输至控制单元，控制单元中的风速风压监测与预测模块、主材应力应变监测分析模块同时对采集数据进行异常数据处理以及部分数据重构；

27、在完成数据的处理后，风速预测算法利用不断采集到的风速数据进行预测模型的训练与校正，并实时进行未来n个小时的阵风风速预测，提取时间段内的最大风速生成第一个判断指标；

28、风压转化算法通过风压数据计算得到主材受到的实时风荷载，形成第二个判断指标；

29、全局监测算法对所有关键截面的所述主材应力应变数据进行分析对比，形成输电塔整体的受力分析结果，提取最大应力应变作为第三个判断指标；

30、s4、当三个指标中任一指标超过所设定的阈值时，最优抗风方案计算模块开始运行；根据超限的指标数据，对该最不利工况下输电塔的受力情况进行计算分析，并根据各关键部位的响应情况由大到小逐步引入喷气单元进行重复分析，直至三个指标都小于设定阈值后输出最终方案；最后对各方案进行比选，以功耗最小作为目标函数进行方案优化，得到最优的抗风方案，即最优喷气风向和最优喷气速度；

31、s5、控制单元得到最优抗风方案后，发送信号给所述旋转喷气组件，给输电塔主材施加一个反力，使杆件结构的受力平衡；

32、同时在旋转喷气过程中，风速风向传感器、风压传感器以及应力应变传感器持续将实时数据传输至控制单元，当三个判断指标均小于设定阈值后旋转喷气组件停止工作，从而保证输电塔在强/特异风作用下的抗风稳定性。

33、所述n为不小于6的正整数。

34、有益效果：本发明提出了一种可抗强/特异风的喷气式输电塔抗风装置及方法，可保证输电塔在强/特异风作用下的受力平衡，提高其抗强/特异风的稳定性。抗风系统中的传感器子系统可以长期实时监测输电塔场地的风速风向数据、主材风压数据以及应力应变数据，为现场风环境的重构和预测以及输电塔受力性能的实时分析提供了海量监测数据，保障的后续计算的精确性。

35、控制单元采用智能数据处理算法，可对所采集到的数据进行异常数据诊断和数据重构，进一步保证实测数据的可靠性。同时采用集成学习方法，基于海量风速风向数据对预测模型进行迭代训练，使其可以准确预测出场地内未来6小时的阵风风速。此外，通过分析实测风压数据以及应力应变数据，得到输电塔整体的所受风荷载分布以及应力应变情况，结合预测风速形成三类判断指标，可从多层级评估输电塔是否处于安全状态。当判断指标超过阈值时，控制单元可在最不利工况下对输电塔的受力情况进行计算分析，并根据各关键部位的响应情况由大到小逐步引入喷气单元进行重复分析，得到所有的喷气抗风方案，并以功率最小作为目标函数进行优化比选，以得到最为稳定节能的抗强/特异风加固方案。

36、自动控制子系统中的多个喷气式单元可根据计算结果实时自动调节喷口方向和喷气速率，具有智能化、抗风效率高等优点。喷气单元的固定装置采用螺栓连接，可夹固于角钢杆件和钢管杆件上，适用于多种不同型号的输电塔，同时可增大杆件的抗弯刚度，进一步提升输电塔的承载力。此外，每个喷气单元配有一个大功率蓄电池和两块太阳能板，无需外接电源为其提供动力，大幅度减小了抗风系统的运营成本。