一种输电线路总荷载模型的构建方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种输电线路总荷载模型的构建方法和应用。本发明专利技术是基于结构可靠性相关理论及风、雨荷载的随机特性特点，创新性地提出了铁塔风荷载反作用影响因子、雨荷载反作用影响因子、铁塔风雨荷载反作用影响因子等3中反作用影响因子，用以对输电线路在风荷载单独作用下的断线概率模型、雨荷载单独作用下的断线概率模型、风雨荷载共同作用下输电线路断线概率模型进行修正、优化，使模型更加完善，计算更加精准。

【技术实现步骤摘要】
一种输电线路总荷载模型的构建方法和应用
本专利技术属于电力系统可靠性、气象信息
，特别涉及一种输电线路总荷载模型的构建方法和应用。
技术介绍
暴露在大气环境中的输电线路极易受到强风、暴雨、山火等自然灾害的影响；例如，强台风登陆经常对沿海地区的电力设备造成巨大危害；此外，强风雨荷载的共同作用更会导致输电线路断线、铁塔倒塔事故的发生。而强风、暴雨又具有随机性、不确定、季节性等特点，增加了对其进行防御的难度。目前，有关风、雨荷载对输电线路影响的研究较多，但有关风雨荷载共同作用对输电线路影响的研究相对较少。有些学者提出了基于极端学习机和广义极值分布的风暴灾害下输电线路断线概率预测模型，可实现风暴灾害下输电线路的实时断线概率预测，但其准确性不高。还有学者建立了“三塔两跨”有限元分析模型，提出了雨荷载的计算方法以及与风湍流共同作用于架空输电线路的荷载组合原则，分析了输电铁塔、导(地)线和结构体系的结构动力特性及其相互关系，采用数值模拟方法，建立了设计与灾害荷载的不同工况组合，在时域对输电杆塔的动力响应规律进行了分析。但并没有建立风雨共同作用下输电线路断线概率模型。还有学者建立了输电塔的精细化有限元分析模型，研究了在风单独作用与风雨共同作用下的输电塔体系的动力响应，探讨了雨荷载对输电塔体系动力响应的影响，且雨荷载激励对输电塔的影响不能忽略，但没有考虑风雨荷载共同作用下输电线路可靠性问题。还有学者提出一套完整有效的分析杆塔结构在环境荷载作用下发生疲劳损伤、疲劳破坏的可靠度分析方法，但没有给出输电线路断线求解模型。综上所述，有必要对风雨荷载共同作用下的输电线路可靠性-输电线路断线概率进行模型构建方面的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种输电线路总荷载模型的构建方法和应用。本专利技术是基于结构可靠性相关理论及风、雨荷载的随机特性特点，创新性地提出了铁塔风荷载反作用影响因子、雨荷载反作用影响因子、铁塔风雨荷载反作用影响因子等3种反作用影响因子，用以对输电线路在风荷载单独作用下的断线概率模型、雨荷载单独作用下的断线概率模型、风雨荷载共同作用下输电线路断线概率模型进行修正、优化，使模型更加完善，计算更加精准。为此，本专利技术技术方案如下：第一方面，本专利技术提供一种输电线路总荷载模型的构建方法，包括以下步骤：1)构建铁塔构件承受风压的有效面积As：其中，h为构建段高度；D1,D2分别为杆身构建风压段的顶径及根径；b1,b2分别为铁塔塔身构建段的上宽和下宽；为铁塔构架的填充系数；2)构建铁塔风荷载反作用影响因子λTW：其中，V0＝30m/s；μz为风压高度变化系数，其与地面粗糙程度有关，一般取值为0.6～3.1；μs为铁塔构件的体型系数，一般取值为0.8-1.0；βz为铁塔风荷载调整系数,一般取值为1.6～1.8；B为覆冰时风荷载增大系数，一般取值为1.1～1.2。可以看出，铁塔风荷载反作用影响因子与铁塔当前所受风荷载的大小、铁塔风荷载设计值(最大承受风压)有关。3)构建t时刻输电线路风荷载FLWM(t)：其中，α为风压不均匀系数，一般取值为0.7～1.0；μsc为导线或地线的体型系数，当线径小于17mm或覆冰时(不论线径大小)取值1.2，线径大于或等于17mm时，取值1.1；βc为导线及地线风荷载调整系数，一般取值为1.0；lh为铁塔的水平档距；d为导线或地线的外径(分裂导线取所有子导线外径的总和)或覆冰时的计算外径；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角。由于风是空气相对于地面的运动，风速越大，对结构产生的荷载越大，从而使结构形成较大的振动、变形、断裂。因此，风荷载是各种工程结构的重要设计荷载。根据GB50545-2010《110kV～750kV架空输电线的设计标准》，t时刻输电线路的风荷载值FLW(t)的表达式为：由式(5-1)可知，风速越大，输电线路风荷载值越大；当其值大于输电线路最大承受力时，就可能发生断线事故。在实际工作中，即使当其值没有超过输电线路最大承受力时，也经常会发生断线事故。这是由于输电线路与铁塔是紧密耦合的，当风对输电线路作用的同时，势必对与此输电线路相连的铁塔产生影响(摇晃、倾斜等)，而铁塔又反作用于输电线路，进而增加了输电线路的承受荷载。鉴于以上原因，在计算输电线路的风荷载时必须考虑风荷载作用于铁塔时，铁塔反作用于输电线路造成的影响，因此得出公式(5)；由式(5)及结构可靠性相关理论可知，当t时刻输电线路风荷载值FLWM(t)与输电线路自重LG之矢量和大于(等于)输电线路的最大承受力LDesMax时，则可能发生断线事故，即风荷载下输电线路断线概率为：当t时刻输电线路风荷载值FLWM(t)与输电线路自重LG之矢量和小于输电线路的最大承受力LDesMax时，则风荷载下输电线路的断线概率为：PLWind＝0；4)构建风荷载单独作用下输电线路的断线概率模型PLWord：其中，为t时刻输电线路风荷载FLWM(t)和输电线路自重LG的矢量和；fLDesMax(r)为输电线路强度(最大承受力)概率密度函数且服从正态分布。5)构建铁塔雨荷载反作用影响因子λTR：λTR＝γTR×λTer＝γTRγTerCtercoef×Cwatcoef(7)其中，γTer为地形、水系影响因子的权重；γTR为地理地貌因子权重；Ctercoef为地形影响因子，Cwatcoef水系影响因子；铁塔雨荷载会对输电线路产生影响，主要是因为降雨有可能导致铁塔所在位置或其附近区域发生洪水、泥石流、山体滑坡等地质灾害，导致铁塔基础受损，甚至造成铁塔倾斜或倒塌，致使输电线路断线；而海拔高度、地形起伏情况、江河水网密度及地质条件等都与暴雨成灾相关较密切的地理地貌因子。一般而言，海拔越高的地区相对不易出现大范围积水，而海拔较低的地区发生渍涝的概率较大。如果地形起伏较大，说明局地地势有高有低，不容易形成大面积水淹现象；反之，则容易发生积水和洪涝。江河、水网密度越大，则发生涝灾的概率越大。暴雨是否引发泥石流、滑坡等地质灾害与地质条件息息相关。地形影响因子Ctercoef反映了地形起伏变化，求解方法为：从某省GIS数据中提取高程数据，对100m×100m的栅格网进行领域8个网格计算标准差得到。高程越低，标准差越小，则表示地形越趋于平坦，越易成灾，地形影响因子Ctercoef值越大，如表所示。表1地形影响因子取值组合水系影响因子Cwatcoef主要与河网密度和距离水体的远近有关。河网密度采用100m×100m的网格进行计算。距离水体远近的影响则用GIS中的计算缓冲区功能实现，其中河流按照一级河流和二级河流进行缓冲区划分，湖泊水库按照水域面积划分缓冲区，且分别分为一级缓冲区和二级缓冲区，并给予0～1之间适当的影响因子值(例如可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1)。影响因子值按照一级河流和大型水体的一级缓冲区内赋值最大，二级河流和小型水体的二级缓冲区赋值最小的原则给定，如表和表所示。计算河网密度和距离水体远近的影响并消除量纲后，采用加权综合评价法求水系影响因子Cwatcoef，且权值各取0.5。表2河流缓冲区等级和宽度划分标准综上可知，地理地貌因子λTer的计算表达式为：λTer＝γTerCtercoef×Cwatcoef本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种输电线路总荷载模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建铁塔构件承受风压的有效面积As：

【技术特征摘要】
1.一种输电线路总荷载模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建铁塔构件承受风压的有效面积As：其中，As为铁塔塔构件承受风压的有效面积；h为构建段高度；D1,D2分别为杆身构建风压段的顶径及根径；b1,b2分别为铁塔塔身构建段的上宽和下宽；为铁塔构架的填充系数；2)构建铁塔风荷载反作用影响因子λTW：其中，V0＝30m/s；μz为风压高度变化系数；μs为铁塔构件的体型系数；βz为铁塔风荷载调整系数；B为覆冰时风荷载增大系数。3)构建t时刻输电线路风荷载FLWM(t)：其中，α为风压不均匀系数；μsc为导线或地线的体型系数；βc为导线及地线风荷载调整系数；lh为铁塔的水平档距；d为导线/地线的外径或覆冰时的计算外径；θ为风向与导线或地线方向之间的夹角。4)构建风荷载单独作用下断线概率模型PLWord：其中，为t时刻输电线路风荷载FLWM(t)和输电线路自重LG的矢量和；fLDesMax(r)为输电线路强度概率密度函数；5)构建铁塔雨荷载反作用影响因子λTR：λTR＝γTR×λTer＝γTRγTerCtercoef×Cwatcoef(7)其中，γTer为地形、水系影响因子的权重；γTR为地理地貌因子权重；Ctercoef为地形影响因子，Cwatcoef水系影响因子；6)构建t时刻输电线路雨荷载FLRM(t)：其中，ρ为雨滴的密度；d为雨滴直径；b为元件迎雨面的面积；n为单位体积内直径为d的雨滴个数；Vs(t)为雨滴的末速度；7)构建雨荷载单独作用下断线概率模型PLRain：其中，为t时刻输电线路雨荷载值FLRM(t)与输电线路自重LG的矢量和；LDesMax为输电线路的最大承受力；8)构建风雨荷载共同作用下铁塔风雨荷载反作用影响因子λTWR：λTWR＝γTWRexp(λTW·λTR)(10)γTWR为风雨荷载共同作用下铁塔对输电线路反作用影响修正系数；9)构建t时刻输电线路在风雨荷载共同作用下的总荷载LTotalLoadM(t)：其中，LG为输电线路自重；10)构建风雨荷载共同作用下断线概率模型：其中，t时刻输电线路所承受的总荷载LTotalLoadM(t)；输电线路的最大承受力LDesMax；μLWiRai，σLWiRai分别为联合概率密度函数的均值和标准差；11)构建一整条输电线的断线概率模型：其中，为整条输电线的串联等效断线...

【专利技术属性】
技术研发人员：王佰淮，王梓，陈建，张杰，宋维斌，
申请(专利权)人：国网天津市电力公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：天津,12