塔线系统不均匀覆冰最严重情况的寻优方法与流程

本发明属于输电线路防冰灾减冰灾
技术领域：
，更具体地涉及一种塔线系统不均匀覆冰最严重情况的寻优方法。
背景技术：
：输电线路是电力系统中不可或缺的部分，承担着电能传输的重任。经过长期的分析与观察表明，输电线路既是电网系统极其关键的设施，也是电网安全可靠运行的大动脉。输电杆塔对导、地线起着重要的支撑作用。然而杆塔经常在严重覆冰、大风等恶劣运行环境下发生破坏甚至倒塔，导致重大的电网瘫痪事故。由于杆塔构件经常承受覆冰荷载、风荷载、塔基沉降及导线舞动等不同工况下的作用，对输电线路塔线体系进行极其准确的分析是极其困难的。由于我国幅员辽阔，输电线路网络遍布全国各地，具有点多、线长、面广等特点，大部分输电线路位于荒郊野外，这些区域地形地貌差异很大，天气变化多端，环境恶劣，自然灾害严重，因此输电线路覆冰工况在我国是经常发生而且极其严重的现象，而且线路冰灾事故在某些地区经常发生，比如华中地区的河南、湖北等省，西南地区的云南、贵州，华北地区的内蒙及京津唐地区，西北地区的青海，东北地区的辽宁等都发生过输电线路覆冰倒塔等事故，事故的发生不但危害输电线路工况模型的安全运行，而且给社会造成了巨大的经济损失。以往对于输电塔线体系力学特性分析的结果表明，杆塔覆冰工况下不一定是各段线路都覆盖有冰时应力分布最严重，造成输电杆塔倒塌的主要原因是杆塔过载荷和不平衡张力的共同作用，在一些特定的档距部分导、地线覆冰，其他导、地线不覆冰的不均匀覆冰情况会加重其不平衡张力，导致该段塔线体系更易出现应力分布超过限值的情况。但是目前国际、国内对于塔线体系力学特性研究缺乏较好的寻找其不平衡张力严重情况的方法，现有研究针对不均匀覆冰情况研究较少，现有研究仅有针对不同档距侧的不同覆冰状态进行研究，并未区分开来各档距内的每条导/地线分别覆冰所导致的不平衡张力过大，从而引起杆塔力学失效。杆塔设计和塔线系统的安全评估需考虑最严重最恶劣情况，在最恶劣情况下给出失效曲线，才能最可靠，保证不会漏判杆塔失效。但是不均匀覆冰的情况很难分析，比如两塔三线体系，共有12段导、地线，若按照每段导、地线是否覆冰分类讨论，就有212种情况，工作量异常巨大。本发明能够给出一种具有普遍共性和广泛适用性的方法，对于寻找塔线体系不平衡张力严重情况是非常有帮助的。技术实现要素：本发明的目的是提供一种基于有限元力学分析和正交试验设计的塔线系统不均匀覆冰最严重情况的寻优方法。本发明提供的塔线系统不均匀覆冰最严重情况的寻优方法，包括步骤：步骤1，根据杆塔的设计图纸、实际结构和实际地形构建杆塔三维仿真模型；步骤2，根据导线和地线的实际参数，构建导线和地线的悬链线模型，并对导线段和地线段进行编号；步骤3，以各导线段和各地线段是否覆冰作为因素，根据塔线系统中导线段和地线段的数量确定两水平正交表，并设计各导线段和地线段的试验条件；所述两水平包括有冰覆盖和无冰覆盖，两水平正交表中每种试验代表导线段和地线段的一种覆冰组合；所述的试验条件包括冰荷载和风荷载，同一试验条件下，所有导线段和地线段的风荷载均相同；步骤4，根据各试验条件分别对导线段和地线段的悬链线模型施加冰荷载和风荷载，模拟各试验条件下杆塔的受力情况；所述的受力情况包括构件的轴向应力比值，所述轴向应力比值为构件的轴向应力值与其屈服极限应力的比值；所述的模拟各试验条件下杆塔的受力情况，具体为：固定杆塔脚部、耐张塔的导线和地线挂点、以及绝缘子串挂点，打开应力钢化，进行加载求解，对塔线系统中杆塔各构件进行有限元力学分析，获取各构件的轴向应力比值，根据轴向应力比值判断各构件的薄弱程度；同时，选出轴向应力比值大于1的构件及轴向应力比值最大的构件，即危险单元；步骤5，以各组试验条件下轴向应力比值最大值作为首要指标，以危险单元数作为次要指标，通过综合平衡法分析正交试验结果，确定各导线段、各地线段上覆冰分布的最恶劣情况。步骤5进一步包括：5.1分别分析首要指标和次要指标的指标值，确定主要因素；所述分别分析各因素下首要指标和次要指标的指标值，确定主要因素，进一步包括：对首要指标和次要指标分别进行单指标分析，具体为：利用极差分析法分析各因素在各水平下指标值的极差，选极差大于预设值的因素或极差最大的因素作为主要因素；利用方差分析法分析各因素在各水平下指标值，获得方差比，通过查统计学的标准方差比分布表，获得各因素的置信度水平和影响程度，根据置信度水平和影响程度人为选择主要因素；5.2在各单项指标下对各因素分别执行：利用因素有冰覆盖水平下的指标之均值减去其无冰覆盖水平下的指标之均值，若所得值为正，应取该因素的水平为有冰覆盖水平；若所得值为负，则取该因素的水平为无冰覆盖水平；从而获得各单项指标下因素水平的最优组合；5.3对步骤5.2获得的因素水平的最优组合进行理论分析和验证，并以首要指标下因素水平的最优组合对应的覆冰情况为覆冰最严重情况。本发明一方面根据有限元分析确定各种覆冰、大风情况下杆塔薄弱构件的位置；另一方面，通过正交设计试验找到各条线路上覆冰不均匀分布情况下应力分布最恶劣的情况。根据最恶劣的情况进行有限元分析，即可得到接近真实情况的杆塔极限承载力，并为合理地分段分线路融冰提供依据。和现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：(1)一方面，可根据易发生冰灾的输电线路的气象实际情况和线路具体参数，确定在该段线路具有普遍共性的各段线路覆冰不均匀的恶劣情况；另一方面，可找到塔线体系中杆塔薄弱构件和易失效构件。(2)将本发明应用于融冰策略，可避免因为融冰反而加剧杆塔不平衡张力的分布而导致的融冰倒塔情况。附图说明图1为某两塔三线体系线路模型示意图，其中，图(a)表示两塔三线体系两侧耐张塔导、地线挂点和绝缘子串挂点；图(b)表示单座直线塔模型；图(c)表示完整的两塔三线体系模型；图2为杆塔建模流程；图3为各段导线和各段地线作为正交试验因素的编号；图4为角钢建模采用的beam188单元示意图；图5为本发明的一种具体流程图。具体实施方式下面将结合某段两塔三线体系的±800kv直流特高压线路和附图来说明本发明的一种具体实施方式。参见图1，该图为某两塔三线体系线路的模型示意图，其中，图(a)表示两塔三线体系两侧耐张塔导、地线挂点和绝缘子串挂点，图中，1表示地线挂点，2表示导线挂点，3表示绝缘子串，4表示绝缘子串挂点。因为两塔三线体系两侧的耐张塔在设计上很坚固，据统计，倒塔几乎都是发生在直线塔，且耐张塔本身就能承受很高的张力，所以在分析两塔三线体系的直线塔时约束两侧耐张塔的这些挂点固定即可，不必将整个耐张塔完全建模。图(b)为单座直线塔的模型示意图。该模型均按照该段线路的实际参数按照1:1来构建。图(c)是整个两塔三线体系模型的示意图。下面以图1所示模型为例，说明本发明的具体实施过程。图3为各段导线和各段地线作为正交试验因素的编号示意图，本发明中导线和地线统一编号。每段线路各导线段和地线段的覆冰间没有关联，因此将各导线段、各地线段是否覆冰作为正交试验的影响因素。在分配该编号时，从1开始，按照从输电线路走向，小号侧到大号侧编号递增，先分配各段导线的编号，再分配各段地线的编号。对一组分裂导线，因为距离很近，各条导线仅间隔0.45m，覆冰差异不大，因此可以用单个因素(即一条导线)等效。本实施例中，两塔三线体系分配编号的结果见图3，两塔三线体系包含2座直线塔，3段线路，每段线路有2条等效导线，2条地线，因素共有(2+2)*3＝12(个)。其它不同的塔线体系同理。利用正交试验表存在的交互作用列表，把因素和交互作用正确地排于正交试验表的各列中，这个步骤在正交试验中称为正交表的表头设计。特别应注意的是，一般不允许产生交互作用的混杂现象，但有时为了不增加试验次数，当混杂时，只容许交互作用混杂，而不应发生因素和交互作用的混杂。设计本发明采用的正交试验时，为了使结果具有普遍规律，各因素采用两水平，即分别代表有冰覆盖和无冰覆盖(或已融冰)，按照表1～2所示的正交试验表确定其因素水平取值，正交试验表的每种试验代表导线段和地线段的一种覆冰组合。通过正交试验的思想利用每组试验的结果就可以寻找到最恶劣的情况。在前面工作的基础上按照如下步骤进行具体实施，见图5：步骤1，根据杆塔的设计图纸和实际结构、实际地形构建杆塔三维仿真模型。这里实际结构和实际地形包括该两塔三线体系4座塔所处的海拔高度、杆塔呼称高、杆塔全高和杆塔间档距。表1所示为该两塔三线体系4座塔的具体位置参数。表11～4号杆塔具体位置参数表杆号分类呼高/m杆塔全高/m海拔高度/m1耐张塔52692286.22直线塔5362.82354.23直线塔5261.82426.14耐张塔46.564.52418.7在确定这些参数的基础上根据实际施工用的设计图纸在ansys中建立1:1的杆塔模型。该段线路为角钢塔，杆塔的构件全部采用角钢搭建。杆塔建模用到的单元为beam188单元，该单元与角钢的形状相同，可以定义其宽度和厚度，用来建立杆塔角钢模型非常合适。图4是beam188单元外形的示意图。杆塔建模流程参照图2所示流程，即可实现在ansys中构建杆塔模型。步骤2，根据导线和地线的参数构建导线和地线的悬链线模型。导线和地线的参数根据该段线路实际采用的导线和地线的型号，查找相关标准获取。本实施例中，导线和地线的型号见表2。表21～4号杆塔导线和地线参数表序号档距/m导线型号地线型号导/地线安全系数档距1230jlha1/g1a-800/70lbgj-300-20ac2.65档距2425jlha1/g1a-800/70lbgj-300-20ac2.65档距3380jlha1/g1a-800/70lbgj-300-20ac2.65确定这些参数后，依据各段导线和地线的挂点位置、以及各段线路档距，按照悬链线方程建立导线和地线的1:1的悬链线模型。本实施例中，导线和地线采用link10单元建模，导线挂点与杆塔绝缘子串挂点之间用link8单元建模的绝缘子串连接。具体实施时，特高压、超高压输电线路易出现导线多分裂的情况，这种情况将一组分裂导线等效为一根，需要保证导地线施加在杆塔上的荷载等效，所述荷载包含导地线自身重力荷载、覆冰重力荷载和覆冰后风荷载。杆塔建模与导线、地线建模均采用利用底层图元形成上层图元的方法。即在输入材料和单元参数后，先建立可以表征杆塔和导地线形状的节点，其中，杆塔的节点多为各钢构连接处的交点，导地线的节点为利用《输电线路设计手册》中导地线悬链线公式计算出的导地线空间分布处均匀分为多节每节取一个节点。然后将节点用该处对应的材料和单元连线，即可形成杆塔和导地线的模拟模型。步骤3，根据塔线系统中导线段和地线段的数量确定正交试验表，根据正交试验表中各试验条件，对各导线段和各地线段的悬链线模型施加冰荷载和风荷载。所述的试验条件包括冰荷载和风荷载。导线和地线的覆冰重力单位荷载计算公式如下：g1＝9.8×0.9πδ(d+δ)×10-3(1)式(1)中：g1表示导线或地线的覆冰重力单位荷载，单位：n/m；d表示导线或地线的外径，单位：mm；δ表示导线或地线的覆冰厚度，单位：mm。本发明中，导线和地线的覆冰厚度取不同值，一般，地线覆冰厚度比导线覆冰厚度大4mm。导线和地线的风荷载计算公式如下：wx＝0.625αμscβc(d+2δ)lh(khv)2×sin2θ×10-3＝ghlhβcsin2θ(2)式(2)中：wx表示垂直于导线或地线轴向的水平风荷载，单位：n；α表示导线或地线的风压不均匀系数；μsc表示导线或地线的体型系数；βc表示500kv线路电线作用于杆塔上的风载调整系数；v表示线路中规定基准高hs处的设计风速成，单位：m/s；kh表示导线和地线的平均高为h处的风速高度变化系数；d表示导线或地线的外径，单位：mm；δ表示导线或地线的覆冰厚度，单位：mm；lh表示杆塔的水平档距，单位：m；θ表示风向与导线或地线轴向间的夹角，单位：deg；gh表示导线或地线的单位长度风压荷载，单位：n/m。上述系数取值均根据实际地形、海拔等按照国标及相关规范取值。冰荷载和风荷载采用集中施加于节点的方法施加于有限元法生成的导线和地线的悬链线模型上。本实施例设计的正交试验表见表3，表3为12因素两水平正交表。根据两水平正交表确定各段档距各编号的导线和地线在每个试验编号下覆冰水平的取值，其中有覆冰取1，无覆冰或已融冰取0，覆冰厚度则可按照不同厚度加载，所有导线和地线的风速均相同。设计正交表时，需确保正交试验表的最大变量数大于等于实际变量数。表312因素两水平正交设计表l16(215)步骤4，根据不同的试验条件，利用ansys工具分别对杆塔的导线绝缘子悬挂处和地线悬挂处、以及杆塔施加冰荷载和风荷载，并模拟杆塔在不同试验条件下的受力情况，并求解出各构件单元的轴向应力比值和所有构件单元中的危险单元数。具体实施时，对杆塔角钢单元施加冰荷载，所施加的覆冰厚度和地线段所施加的覆冰厚度相同。风荷载风速值和导线、地线的风荷载施加的风速相同。在杆塔脚部固定、耐张塔导、地线挂点和绝缘子串挂点固定的约束条件下，打开应力钢化，进行加载求解。设置求解的输出为两座直线塔杆塔各构件的轴向应力比值，即各构件的轴向应力值与其屈服极限的比值，通过这个比值判断构件是否已失效或已破坏，已失效或已破坏的构件即危险单元。统计危险单元的数目，即危险单元数。由于塔线系统中两端的耐张塔更坚固，倒塔主要发生于直线塔，假设两端的耐张塔的导线绝缘子挂点和地线挂点固定。另一方面，实际冰灾发生时，杆塔塔脚被认为是始终不动的，因此，首先对塔脚和两端耐张塔的导地线绝缘子挂点施加约束条件，使其所有的自由度值为0，包括三个平动自由度和三个转动自由度。施加冰荷载和风荷载后进行计算，之后进行后处理，获取每个正交试验组下轴向应力比值最大的构件和应力比值大于1的构件，即危险单元。步骤5，以各组试验条件下的轴向应力比值最大值作为首要指标，以危险单元数作为次要指标，应用综合平衡法对各因素排序。综合平衡法是用于多指标下确定各因素最优水平组合的方法，具体步骤如下：第一步，对每个指标分别进行单指标的直观分析，即利用极差分析法和方差分析法，分析各因素的指标值的方差和极差，从而确定主要因素。第二步，确定不同指标下各因素水平的最优组合。对各因素分别执行：利用因素1水平下的指标之均值减去其0水平下的指标之均值，若所得值为正，为使覆冰情况更严重，应取该因素的水平为1；若所得值为负，则取该因素的水平为0；所得值接近0，则通过再次试验重新确定因素的水平。从而获得不同指标下因素水平的最优组合。第三步，对第二步获得的因素水平的最优组合进行理论分析和验证，并以首要指标下因素水平的最优组合为优先。下面将对极差分析和方差分析进行详细说明。对各单指标，计算指标总和，并分别计算各列(即各因素)的k和r，如下：ki(第j列)＝第j列中数字“i”对应的指标总和(3)r(第j列)＝第j列的k1、k2、k3…中最大减最小的差(5)式(3)～(5)中：ki(第j列)表示第j个因素的i水平下的指标之总和，i为0或1；ki(第j列)表示第j个因素的i水平下的指标之平均值；r(第j列)表示第j个因素两种水平的极差。比较各因素的极差r，排出因素的主次关系，具体可根据预设的条件从排序后的因素中选出，例如，选出极差r大于预设值的因素作为主要因素；或者，选出极差最大的若干因素作为主要因素。r越大的影响因素越重要。正交试验的极差分析法简便、直观、计算量小，但不能估计试验误差，即不能区分试验结果的差异是由各因素的水平变化而导致，还是由试验的随机波动而导致。因此在极差分析法后进行方差分析法。方差分析步骤如下：l16(215)正交表一共有15列，最多可试验15个二水平的因素。本实施例中，由于三塔两线系统一共有12个因素，所以只需取其中的任意12列，为方便考虑，取其前12列，后三列空置。将正交表中空置的与前面各因素正交的后三列视为随机误差对指标的影响，计算各列的方差，误差的方差为后三列方差之和，用各列方差除以误差方差得到方差比f，通过查f分布表，可以得到每个因素的置信度水平和影响程度，所述的f分布表为统计学的标准f分布表。在前面极差分析和方差分析的基础上，通过正交试验的综合平衡法综合考虑最大应力比值和危险单元数两个变量得出覆冰分布的最恶劣情况。综合平衡法对所测得的各项指标，先逐一分别按单指标计算分析，找出其因素水平的最优组合，然后根据各项指标重要性及各项指标中所得出的因素主次、水平优劣等进行综合平衡，最后确定整体最优因素水平组合。各不同覆冰厚度、风速下均按照上述步骤处理，以期得到具有普遍性的结论。以下是风速30m/s、覆冰50mm情况下的多指标正交分析数据。(1)以应力比值峰值作为指标通过步骤4由ansys仿真计算得到各构件的应力值，该应力值与其屈服强度的比值即为轴向应力比值。各组试验杆塔上所有构件中的应力比值峰值见表4。表4各组试验应力比值峰值试验组别应力比值峰值试验组别应力比值峰值11.054490.990621.0153101.002130.9969110.998941.0101121.037151.0104131.015661.0088140.991170.9943151.056981.013161.0444采用极差分析法得到各因素对于两种水平下的k1、k2值，见表5。表5各因素对于两种水平下的k1、k2值k1k2k1k2因素11.01291.0171因素71.0149631.015025因素21.01321.0168因素81.01481.0152因素31.02311.0069因素91.01631.0137因素41.01101.0190因素101.01231.0177因素51.02831.0017因素111.02311.0069因素61.02141.0086因素121.02201.0080获得最优组合为001011001011，其中，0表示不覆冰，1表示覆冰。各因素的极差r计算见表6。表6各因素的极差r因素5因素11因素3因素12因素6因素4r0.02660.01620.01620.01390.01280.008因素10因素1因素2因素9因素8因素7r0.00540.00420.00360.00260.00046.25×10-5方差分析法所得的方差比f见表7。表7各因素的方差比f因素5因素11因素3因素12因素6因素4f37.325513.904913.862010.23958.61673.3120因素10因素1因素2因素9因素8因素7f1.57850.92760.70.38210.01260.00021若仅按照该组数据来分析最严重情况，根据自由度和f值查标准f分布表，f值大于10.13的因素有95％以上的可靠度，f值大于5.54的因素有90％的可靠度，f值越大表明因素对指标的影响程度越大，因此因素3、5、6、11和12对杆塔应力失效的影响程度较大。融冰建议按照5-11-3-12-6的顺序来进行融冰操作，其他因素可靠度较低，融冰与否影响不大。当然，对于各个风速、覆冰气象条件下广泛适用的融冰策略和最严重情况需要在所有组试验的数据基础上来分析。(2)以危险单元出现数作为指标本实施例中，轴向应力比值大于0.8的构件数，即危险单元数，见表8。表8各组试验下危险单元数试验组别危险单元数试验组别危险单元数12698224101032211204151221519131361814207161523891626采用极差分析法得到各因素对于两种水平下的k1、k2值，见表9。表9各因素对于两种水平下的k1、k2值最优组合即为：111010111100。各因素的极差r见表10。表10各因素的极差r因素3因素5因素2因素9因素1因素7r7.254.753.532.751.75因素11因素12因素4因素6因素8因素10r1.50.750.50.50.250.25方差分析法所得的方差比f计算见表11。表11各因素的方差比f因素5因素11因素3因素12因素6因素4f3.42860.2143123.428610.5000219.42861.9286因素10因素1因素2因素9因素8因素7f3.42860.857148.21433.42861.928613.7143(3)对各个覆冰厚度、风速下的以上数据进行汇总。不同气象条件下最优组合表见表12。表12不同气象条件下最优组合表根据上面最优组合汇总表可以发现每种组合3、4、5的水平都相同，可以确定分别为1、0、1，再观察方差比f值，发现频繁出现大置信度即置信度区间在90％以上甚至更高的情况的因素编号有6、9、10、11、12，对照最优组合表可以发现，1、2、6、7、9、10、11、12均有很多次出现固定组合0、0、1、1、1、0、1、1，出现的频率非常高，再比对他们的方差。根据综合平衡法，在确定最优组合时应先考虑3、4、5组合的确定，再根据应力比值最大值指标的各种最优组合情况确定1、2、6、7、10、11、12的水平，最后根据危险单元数确定9的水平。通过综合平衡法，根据以上分析得出的最优水平组合为0010111×1011。其中，因素8不确定的原因见表13和表14。表13因素8和误差的r值对照表表14因素8和误差的f值对照表由以上量表可得，因素8不论是极差r值还是f值，都与误差的数量级和大小接近甚至更小，因此无法判断因素8的水平对组合的影响。在此基础上，单独对因素8进行两组正交试验，即其它因素确定，因素8分为1和0两种情况。采用了三组数据来进行比对，气象条件分别为以下三种情况，见表15。表15气象条件表通过表15可以看出，综合平衡法得到的最优组合应力比值最大值和危险单元数都大于均匀覆冰即冰重最大情况，个别组由于误差的存在可能会有危险单元数反而略小的情况，不过这也符合综合平衡法以应力比值最大值为第一优先指标的特点，因此正交试验结果比较可信。同时还可看出，8为0的那三组数据应力比值最大值均略大于8为1的组合。因此最终确定的最恶劣覆冰情况组合即为：001011101011。根据以上分析，应力分布最恶劣的覆冰情况组合为：参照图3，导线3、5、6覆冰，地线7、9、11、12覆冰，其余导、地线不覆冰。至此，该两塔三线体系下的不均匀覆冰最严重情况寻找步骤结束。正交试验表和上述具体实施步骤中表格数据可知，均匀覆冰的最大应力比值和危险单元数均小于等于最优组合的情况，说明并不是总荷载越大杆塔越易失效，部分档距的导、地线不覆冰的情况可能更严重。由此可见，本发明能够明显有效地寻找实际塔线体系不均匀覆冰工况下应力分布最严重情况，非常有实际意义。当前第1页12