一种输电塔防连续倒塌系统及方法与流程
本发明涉及输电塔设计领域，具体涉及一种输电塔防连续倒塌系统及方法。
背景技术：
在输电线路中，如果被某档距中的一根导线一旦断裂或松弛，由于相邻档距的导线没有及时切断，所以在该挂点左右两侧的导线张力差异很大，巨大的不平衡力会给该输电塔带来很大的载荷，输电塔往往会因此而倾倒。因此，在诸多时候灾害的图片中，输电塔完全倒塌后，依然有很多导线牢牢附着在输电塔上。该输电塔倾倒后，该档距内所有的导线都会松弛，张力剧烈下降，导致相邻输电塔也发生倾倒。如此恶性循环，往往导致整个耐张段的输电塔发生成串倒塌。
这样在灾后重建时，这些成串倒塌的输电塔都需要重新架立，架立完成后才能恢复供电，这样就严重影响了灾区的电力供应，并提高了重建输电线路的费用。
目前，主要通过提高输电塔的设计载荷，增大输电塔主斜材等受力部件的几何规格来减少串倒的概率。然而，在飓风不定期发生的地方，按偶然最大风速下的设计载荷来设计输电塔的受力部件是不合理的，这会导致输电塔线路的成本增大到难以承受的程度。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的增大输电塔受理部件的载荷不足以避免输电线路受自然条件破坏导致的输电塔连续倒塌的问题，本发明提供了一种输电塔防连续倒塌系统及方法。
本发明提供的技术方案是：一种输电塔防连续倒塌系统，所述系统，包括：加速度传感器、有限元分析模块和多个断线器；
所述加速度传感器安装于输电塔的测点处，采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据并发送至所述有限元分析模块；
所述有限元分析模块安装于计算机上，用于根据所述加速度数据，判断是否发送断线指令；
所述断线器安装在输电塔横担上，根据所述断线指令切断所述输电塔之间的输电导线；
所述加速度传感器与所述有限元分析模块以及所述断线器通讯连接。
优选的，所述加速度传感器，包括：
采集模块和数据传递模块；
所述采集模块安装在输电塔的测点处，根据预设的采样时刻采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据；
所述数据传递模块将所述采样时刻对应的加速度数据传送至所述有限元分析模块。
优选的，所述有限元分析模块，包括：
建模子模块；
所述建模子模块，用于构建和更新待测输电塔和导线的几何模型，并通过梁单元受力分析和索单元受力分析，生成有限元模型，并将所述有限元模型上的预设位置的自由度设置为预设值，得到初始有限元模型。
优选的，所述有限元分析模块还包括：计算子模块、判断子模块和优先级模块；
所述计算子模块，将所述采样时刻对应的加速度数据增加到所述初始有限元模型上，得到有限元模型上的轴力和弯矩，并根据所述轴力和弯矩，计算得到所述输电塔当前的应力；
所述判断子模块，判断当前应力是否小于预设的危险临界值，若小于，则所述输电塔为安全状态，不制定断线指令；否则，所述输电塔为危险状态，制定断线指令；
所述优先级模块与所有所述切断器连接，用于按照输电塔横担上的断线器的优先级顺序，将所述断线指令发送至优先级最高的断线器。
优选的，所述轴力通过下式计算：
n＝ma
其中，n为轴力，m为所述输电塔受力部分的质量，a为所述加速度传感器采集的加速度数据。
优选的，所述输电塔的当前应力通过下式计算：
其中，f为所述输电塔的当前应力，γ为截面塑性发展系数，w为截面弹性模量，n′e为考虑抗力分项系数后的欧拉临界承载力，m为合成弯矩，n为轴力，β为等效弯矩系数。
优选的，所述输电塔横担上断线器的优先级顺序，包括：
基于断线器在输电塔横担上的位置，按照由上至下，由内至外优先级递减进行设定。
优选的，断线器安装在输电塔横担的每条输电导线挂点之间。
一种输电塔防连续倒塌方法，包括：
安装于输电塔的测点处的加速度传感器采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据，并实时发送到有限元分析模块；
安装于计算机上的有限元分析模块实时接收所述采样时刻对应的加速度数据，并根据所述加速度数据判断所述输电塔的危险状态，当判断输电塔处于危险状态时，向断线器发送断线指令，否则，不发送；
安装于输电塔横担上的断线器根据所述断线指令切断所述输电塔之间的输电导线。
优选的，所述安装于输电塔的测点处的加速度传感器采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据，并实时发送到有限元分析模块，包括：
加速度传感器中的采集模块根据预设的采样时刻采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据；
加速度传感器中的数据传递模块将所述采样时刻对应的加速度数据传送至所述有限元分析模块。
优选的，所述安装于计算机上的有限元分析模块实时接收所述采样时刻对应的加速度数据，并根据所述加速度数据判断所述输电塔的危险状态，之前还包括：
利用有限元分析模块中的建模子模块构建并更新待测输电塔和导线的几何模型，并通过梁单元受力分析和索单元受力分析，生成有限元模型；
将所述有限元模型上的预设位置的自由度设置为预设值，得到初始有限元模型。
优选的，所述安装于计算机上的有限元分析模块实时接收所述采样时刻对应的加速度数据，并根据所述加速度数据判断所述输电塔的危险状态，包括：
利用有限元分析模块中的计算子模块将所述采样时刻对应的加速度数据增加到所述初始有限元模型上，得到有限元模型上的轴力和弯矩，并根据所述轴力和弯矩，计算得到所述输电塔当前的应力；
通过有限元分析模块中的判断子模块判断当前应力是否小于预设的危险临界值，若小于，则所述输电塔为安全状态，不制定断线指令；否则，所述输电塔为危险状态，制定断线指令；
通过有限元分析模块中的优先级模块，将所述断线指令按照预设的优先级顺序发送至优先级最高的输电塔横担上的断线器。
优选的，所述轴力通过下式计算：
n＝ma
其中，n为轴力，m为所述输电塔受力部分的质量，a为所述加速度传感器采集的及速度数据。
优选的，所述输电塔的当前应力通过下式计算：
其中，f为所述输电塔的当前应力，γ为截面塑性发展系数，w为截面弹性模量，n′e为考虑抗力分项系数后的欧拉临界承载力，m为合成弯矩，n为轴力，β为等效弯矩系数。
优选的，所述输电塔横担上断线器的优先级顺序，包括：
基于断线器在输电塔横担上的位置，按照由上至下，由内至外优先级递减进行设定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的技术方案，包括：加速度传感器、有限元分析模块和多个断线器；所述加速度传感器安装于输电塔的测点处，采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据并发送至所述有限元分析模块；所述有限元分析模块安装于计算机上，用于根据所述加速度数据，判断是否发送断线指令；所述断线器安装在输电塔横担上，根据所述断线指令切断所述输电塔之间的输电导线；所述加速度传感器与所述有限元分析模块以及所述断线器通讯连接。本方案中的加速度传感器和有限元分析模块获取输电塔受力情况的基础上进行危险性分析，一旦处于危险状态，断线器根据断线指令剪断输电塔与相邻输电塔之间的导线联系，防止了由于导线的牵扯而发生的输电塔连续倒塌事件，大幅度降低了输电塔发生串倒的概率。
此外，本发明中只有加速度传感器、有限元分析模块和断线器三个硬件设备，结构简单，制造成本低。
附图说明
图1为本发明的输电塔防连续倒塌系统结构图；
图2为本发明实施例的正常状态下的输电线路图；
图3为本发明实施例的断线状态下的输电线路图；
图4为本发明中的切断器的安装图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本实施例提供了一种输电塔防连续倒塌系统，系统结构图如图1所示。
本发明主要由以下3个部件组成：
加速度传感器、有限元分析模块和多个断线器；
所述加速度传感器安装于输电塔的测点处，采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据并发送至所述有限元分析模块；
所述有限元分析模块安装于计算机上，用于根据所述对应曲线，判断是否发送断线指令；
所述断线器安装在输电塔横担上，根据所述断线指令切断所述输电塔之间的输电导线；
所述加速度传感器与所述有限元分析模块以及所述断线器通讯连接。
部件1：输电塔的加速度传感器；
输电塔的加速度传感器中的采集模块主要用来检测输电塔和导线在测点处加速度和时间的对应关系，得到关系曲线，并通过数据传递模块发送至有限元分析模块，为通过有限元计算确定输电塔及导线各受力部件的受力状态提供依据。
部件2：有限元分析模块；
虽然可以通过监测应变或者在导线挂点处设置测力计来检测输电塔的受力状态。然而，该做法存在以下缺点：
需要在输电塔的每个构件上设置多个应变计才能计算输电塔的受力状态，而输电塔有上千个构件，成本很高；且应变计的寿命和可靠性都远不及加速度传感器。
导线的测力计价格高昂，重量很大，设置在塔顶安装成本和维护成本都很高。
因此，本专利利用加速度传感器的数据作为边界条件，利用有限元软件计算整个输电塔及导线的受力状态，根据有限个加速度传感器的信息确定输电塔及导线中主要受力部件的受力状况，并评估整个输电塔的安全性，准确判断输电塔的受力状态，准确判断必须切断部分导线以确保整个输电塔安全的时机。
有限元分析模块的处理步骤如下：
(1)建立输电塔和导线的几何模型，
(2)分别采用梁单元受力分析和索单元受力分析离散输电塔和输电导线生成有限元模型；
(3)输入输电塔及导线的本构关系，并将输电塔塔脚的4个节点处位移自由度均设置为预设值，例如预设值可以取0，得到初始有限元模型，此时的初始有限元模型是为施加力的。
(4)将加速度传感器测到的加速度与时间的曲线，并采用无线传感技术，将测试结果发送到计算机上。
(5)将输电塔各个监测点上的加速度与时间的对应曲线施加在输电塔上相应位置处的有限元节点上。
(6)将有限元计算软件的大变形和大位移开关打开，开展有限元瞬态分析计算。
部件3：断线器；
断线器安装在输电塔的输电横的横担上，如图4所示。
根据有限元分析软件的计算结果，确定断线方案后，发出断线指令，由断线器执行指令，切断相关导线，断线方案如下：
(1)利用有限元瞬态分析结果，提取输电塔主材和斜材的轴力n与弯矩m；轴力通过下式计算：
n＝ma
其中，n为轴力，m为所述输电塔受力部分的质量，a为所述加速度传感器采集的加速度数据。
(2)利用以下公式，判断主材和斜材的安全性，当主材的设计应力到达0.85倍时，说明输电塔已经不安全，开始利用有限元断线计算。
其中，γ为截面塑性发展系数，w为截面弹性模量，n′e为考虑抗力分项系数后的欧拉临界承载力，m为
(3)有限元分析模块中的优先级模块按由下至上，由内至外的顺序，切断导线。由下至上的原因为：若首先切断输电塔上方的导线，该导线有可能掉下来挂在下方的导线上，这会导致下方的导线短路，失去输电能力并增大下方导线的重力载荷；由内至外的原因为：内部导线靠近输电塔的中心轴线，在张力相同的情况下，它对输电塔产生的弯矩会小得多。
(4)每次只切断一个档距中的一根导线，切断完毕后，将有限元模型中的这根导线删去，采用新的模型进行瞬态大变形和大位移有限元分析，并在计算结果中提取输电塔主斜材的轴力和弯矩，并采用式判断其安全性。
(5)若该段导线切断完毕后，计算结果表明塔线体系上的每个输电塔都很安全，就不必切出其余导线了。否则，按(3)中的顺序，切断相关导线，直至计算结果表明每个输电塔都不会发生倒塌。
实际情况中，正常情况下，输电线路图如图2所示；应用本实施例中的一种输电塔防连续倒塌装置，允许输电塔体系中的次要构件在极端荷载下出现部分损害，本实施例中有限元分析模块向断线器发送断线指令，剪断输电塔之间的连接导线，剪断后的效果图如图3所示，保证了主要构件完好，降低了灾害的破坏损失。
实施例2：
本实施例提供了一种输电塔防连续倒塌方法，包括：
安装于输电塔的测点处的加速度传感器采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据，并实时发送到有限元分析模块；
安装于计算机上的有限元分析模块实时接收所述采样时刻对应的加速度数据，并根据所述加速度数据判断所述输电塔的危险状态，当判断输电塔处于危险状态时，向断线器发送断线指令，否则，不发送；
安装于输电塔横担上的断线器根据所述断线指令切断所述输电塔之间的输电导线。
所述安装于输电塔的测点处的加速度传感器采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据，并实时发送到有限元分析模块，包括：
加速度传感器中的采集模块根据预设的采样时刻采集所述输电塔的加速度数据，得到采样时刻对应的加速度数据；
加速度传感器中的数据传递模块将所述采样时刻对应的加速度数据传送至所述有限元分析模块。
所述安装于计算机上的有限元分析模块实时接收所述采样时刻对应的加速度数据，并根据所述加速度数据判断所述输电塔的危险状态，之前还包括：
利用有限元分析模块中的建模子模块构建并更新待测输电塔和导线的几何模型，并通过梁单元受力分析和索单元受力分析，生成有限元模型；
将所述有限元模型上的预设位置的自由度设置为预设值，得到初始有限元模型。
所述安装于计算机上的有限元分析模块实时接收所述采样时刻对应的加速度数据，并根据所述加速度数据判断所述输电塔的危险状态，包括：
利用有限元分析模块中的计算子模块将所述采样时刻对应的加速度数据增加到所述初始有限元模型上，得到有限元模型上的轴力和弯矩，并根据所述轴力和弯矩，计算得到所述输电塔当前的应力；
通过有限元分析模块中的判断子模块判断当前应力是否小于预设的危险临界值，若小于，则所述输电塔为安全状态，不制定断线指令；否则，所述输电塔为危险状态，制定断线指令；
通过有限元分析模块中的优先级模块，将所述断线指令按照预设的优先级顺序发送至优先级最高的输电塔横担上的断线器。
所述轴力通过下式计算：
n＝ma
其中，n为轴力，m为所述输电塔受力部分的质量，a为所述加速度传感器采集的及速度数据。
所述输电塔的当前应力通过下式计算：
其中，f为所述输电塔的当前应力，γ为截面塑性发展系数，w为截面弹性模量，n′e为考虑抗力分项系数后的欧拉临界承载力，m为合成弯矩，n为轴力，β为等效弯矩系数。
所述输电塔横担上断线器的优先级顺序，包括：
基于断线器在输电塔横担上的位置，按照由上至下，由内至外优先级递减进行设定。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
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