专利名称：一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法
技术领域：
本发明属于电力工程结构安全领域，尤其涉及一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法。
背景技术：
高压、特高压输电塔线覆冰是一种严重的自然灾害，覆冰断线、断线冲击及振荡引起的输电塔倒塌等，严重威胁到电网的安全与稳定。因此，对覆冰频繁段输电塔线结构实施有效的监测，在监测的基础上能够对可能出现的输电线、输电塔结构失效进行预警十分必要。输电塔线覆冰监测的重点是覆冰状态下的应力特性和振动特性。利用结构静应用特性对输电塔线的监控研究已相对成熟，准确获取输电塔线在动态情况下的应力特性还存在一定难度。目前的技术手段仅能够准确获取输电塔线工作状态下的动力特征，比如频率、幅值等。然而，如何利用动力特征对输电塔线结构进行安全检测，特别是对覆冰输电线断线、输电塔倒塌等等问题进行预警尚缺乏有效的方法。
发明内容
针对背景技术中提到的对覆冰输电线断线、输电塔倒塌等等问题进行预警缺乏有效的方法的问题，本发明提出了一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法。一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法，其特征在于，所述方法具体步骤包括:步骤1:建立输电塔线的结构动力有限元模型；步骤2:建立输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的函数关系；步骤3:利用振动传感器获取输电塔在工作状态下的动力特征；步骤4:根据动力特征及步骤2中的函数关系，对覆冰致输电塔线结构失效问题进行预警。所述建立输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的函数关系的步骤包括:步骤201:应用屈曲分析确定输电塔的覆冰屈服极限载荷，获得输电塔的覆冰载荷-位移曲线；步骤202:以覆冰屈服极限载荷为基准划分载荷等级，应用有限元模态分析法计算不同等级下的动力特征，即应力和位移；计算所得动力特征值与不同载荷取比值，获得不同载荷下的动力特征变化率；步骤203:建立动力特征变化率与覆冰载荷间的函数关系，由于动力特征变化率主要由一阶模态变化率决定，所以以分级覆冰载荷的一阶模态变化率为自变量，覆冰载荷为因变量，应用多项式拟合为函数关系，以函数的形式表达输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的关系。
所述利用振动传感器获取输电塔在工作状态下的动力特征的步骤为:步骤301:在输电塔上安装振动传感器；步骤302:利用传感器测量输电塔工作状态下的动力特征。所述根据动力特征及步骤2中的函数关系，对覆冰致输电塔线结构失效问题进行预警的步骤包括:步骤401:根据动力特征计算得到动力特征变化率，并将动力特征变化率代入函数关系，求解输电塔所承受的总覆冰载荷；步骤402:将总覆冰载荷与输电塔钢材的覆冰极限屈服载荷进行比较；若达到覆冰极限屈服载荷的90%及以上时，则判定即将发生失效并发出失效预警。本发明的有益效果是，通过将将动力特性测试数据和输电塔结构有限元分析相结合，对工作状态下覆冰输电塔线结构失效问题进行预警；本发明利用传感器测试技术、结构动力有限元建模技术和模态识别技术，在覆冰输电塔线结构失效前准确地做出预警，避免了断线、倒塔等恶性事故的发生。
图1是本实发明实施例中运用杆、梁单元建立酒杯型输电塔的结构动力有限元模型；图2是本发明实例中结构的荷载-位移曲线图；图3是本发明实施例中动力特性变化率和覆冰载荷间的函数关系图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。本实施例以运用杆、梁单元建立酒杯型输电塔的结构动力有限元模型做具体的说明；步骤1:建立输电塔线的结构动力有限元模型，具体方法为:首先，本实施例中采用杆、梁单元结合的方法进行建模，如图1所示。其中输电塔的主材(包括横隔材)用BeamlSS梁单元，而斜材用IinkS杆单元。并根据输电塔线的结构动力有限元模型的计算模态阶次，模态振型及对应的模态频率，用于验证输电塔线的结构动力有限元模型；其次，利用振动传感器实测的动力特征数值，应用灵敏度法对所建立的输电塔线结构动力有限元模型进行修正，获取能反映实际动力特性的输电塔线动力学特性的有限元数值仿真模型。步骤2:建立输电塔线动力特征与覆冰载荷之间的函数关系，具体方法如下:首先，应用屈曲分析确定输电塔的覆冰极限载荷，获得输电塔结构的覆冰载荷-位移曲线如图2所示，可知其覆冰极限屈服载荷为120kN ；其次，以覆冰极限屈服载荷为上限，划分覆冰载荷等级为60kN、70kN、80kN、90kN、100kN、lIOkN和 120kN ；再次，计算各覆冰等级下的动力特征，建立动力特征变化率与覆冰载荷间的函数关系。由于动力特征变化率主要由一阶模态变化率决定，所以以分级覆冰载荷的一阶模态变化率为自变量，覆冰载荷为因变量，建立函数关系为y=0.006x3-0.1163x2+6.4598x+18.685，该函数关系曲线如图3所示。步骤3:利用振动传感器获取输电塔在工作状态下的动力特征首先，在输电塔上安装振动传感器；其次，利用传感器测量输电塔工作状态下的振动响应；再次，应用子空间法模态识别动力特征，本实施例中一阶模态变化率为4.5%。步骤4:根据实测动力特征数据及步骤2中的函数关系，对覆冰致输电塔线结构失效问题进行预警:首先，将测量所得一阶模态变化率代入函数关系，求解输电塔所承受的覆冰载荷，求得输电塔此刻承受总覆冰载荷为107kN ；其次，将求得的总覆冰载荷为107kN与覆冰极限屈服载荷为120kN进行比较，该载荷接近极限覆冰载荷，则发出失效预警。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法，其特征在于，所述方法具体步骤包括: 步骤1:建立输电塔线的结构动力有限元模型； 步骤2:建立输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的函数关系； 步骤3:利用振动传感器获取输电塔在工作状态下的动力特征； 步骤4:根据动力特征及步骤2中的函数关系，对覆冰致输电塔线结构失效问题进行预m目O
2.根据权利要求1所述的一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法，其特征在于，所述建立输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的函数关系的步骤包括: 步骤201:应用屈曲分析确定输电塔的覆冰屈服极限载荷，获得输电塔的覆冰载荷-位移曲线； 步骤202:以覆冰屈服极限载荷为基准划分载荷等级，应用有限元模态分析法计算不同等级下的动力特征，即应力和位移；计算所得动力特征值与不同载荷取比值，获得不同载荷下的动力特征变化率； 步骤203:建立动力特征变化率与覆冰载荷间的函数关系，由于动力特征变化率主要由一阶模态变化率决定，所以以分级覆冰载荷的一阶模态变化率为自变量，覆冰载荷为因变量，应用多项式拟合为函数关系，以函数的形式表达输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的关系。
3.根据权利要求1所述的一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法，其特征在于，所述利用振动传感器获取输电塔在工作状态下的动力特征的步骤为: 步骤301:在输电塔上安装振动传感器； 步骤302:利用传感器测量输电塔工作状态下的动力特征。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法，其特征在于，所述根据动力特征及步骤2中的函数关系，对覆冰致输电塔线结构失效问题进行预警的步骤包括: 步骤401:根据动力特征计算得到动力特征变化率,并将动力特征变化率代入函数关系，求解输电塔所承受的总覆冰载荷； 步骤402:将总覆冰载荷与输电塔钢材的覆冰极限屈服载荷进行比较；若达到覆冰极限屈服载荷的90%及以上时，则判定即将发生失效并发出失效预警。
全文摘要
本发明公开了电力工程结构安全领域的一种基于动力特性的覆冰致输电塔线结构失效的预警方法。其技术方案是1、建立输电塔线的结构动力有限元模型；2、建立输电塔线动力特性与覆冰载荷之间的函数关系；3、利用振动传感器获取输电塔在工作状态下的动力特征；4、根据实测动力特征数据及函数关系，对覆冰致输电塔线结构失效问题进行预警。本发明通过实测动力特征与结构仿真分析相结合，可以就覆冰致输电塔线结构失效发生前进行预警，避免输电线断线、输电塔倒塌等恶性事故的发生。
文档编号G06F17/50GK103105257SQ20131003540
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者周超, 芮晓明, 李林, 王达达, 陈云, 陈晓云, 张少泉, 邹荣敏, 彭庆军 申请人:华北电力大学, 云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院