專利名稱：一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力工程結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法。
背景技術(shù)：
高壓、特高壓輸電塔線覆冰是一種嚴重的自然災害，覆冰斷線、斷線沖擊及振蕩引起的輸電塔倒塌等，嚴重威脅到電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定。因此，對覆冰頻繁段輸電塔線結(jié)構(gòu)實施有效的監(jiān)測，在監(jiān)測的基礎(chǔ)上能夠?qū)赡艹霈F(xiàn)的輸電線、輸電塔結(jié)構(gòu)失效進行預警十分必要。輸電塔線覆冰監(jiān)測的重點是覆冰狀態(tài)下的應力特性和振動特性。利用結(jié)構(gòu)靜應用特性對輸電塔線的監(jiān)控研究已相對成熟，準確獲取輸電塔線在動態(tài)情況下的應力特性還存在一定難度。目前的技術(shù)手段僅能夠準確獲取輸電塔線工作狀態(tài)下的動力特征，比如頻率、幅值等。然而，如何利用動力特征對輸電塔線結(jié)構(gòu)進行安全檢測，特別是對覆冰輸電線斷線、輸電塔倒塌等等問題進行預警尚缺乏有效的方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)中提到的對覆冰輸電線斷線、輸電塔倒塌等等問題進行預警缺乏有效的方法的問題，本發(fā)明提出了一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法。一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法，其特征在于，所述方法具體步驟包括:步驟1:建立輸電塔線的結(jié)構(gòu)動力有限元模型；步驟2:建立輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的函數(shù)關(guān)系；步驟3:利用振動傳感器獲取輸電塔在工作狀態(tài)下的動力特征；步驟4:根據(jù)動力特征及步驟2中的函數(shù)關(guān)系，對覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預警。所述建立輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的函數(shù)關(guān)系的步驟包括:步驟201:應用屈曲分析確定輸電塔的覆冰屈服極限載荷，獲得輸電塔的覆冰載荷-位移曲線；步驟202:以覆冰屈服極限載荷為基準劃分載荷等級，應用有限元模態(tài)分析法計算不同等級下的動力特征，即應力和位移；計算所得動力特征值與不同載荷取比值，獲得不同載荷下的動力特征變化率；步驟203:建立動力特征變化率與覆冰載荷間的函數(shù)關(guān)系，由于動力特征變化率主要由一階模態(tài)變化率決定，所以以分級覆冰載荷的一階模態(tài)變化率為自變量，覆冰載荷為因變量，應用多項式擬合為函數(shù)關(guān)系，以函數(shù)的形式表達輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的關(guān)系。
所述利用振動傳感器獲取輸電塔在工作狀態(tài)下的動力特征的步驟為:步驟301:在輸電塔上安裝振動傳感器；步驟302:利用傳感器測量輸電塔工作狀態(tài)下的動力特征。所述根據(jù)動力特征及步驟2中的函數(shù)關(guān)系，對覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預警的步驟包括:步驟401:根據(jù)動力特征計算得到動力特征變化率，并將動力特征變化率代入函數(shù)關(guān)系，求解輸電塔所承受的總覆冰載荷；步驟402:將總覆冰載荷與輸電塔鋼材的覆冰極限屈服載荷進行比較；若達到覆冰極限屈服載荷的90%及以上時，則判定即將發(fā)生失效并發(fā)出失效預警。本發(fā)明的有益效果是，通過將將動力特性測試數(shù)據(jù)和輸電塔結(jié)構(gòu)有限元分析相結(jié)合，對工作狀態(tài)下覆冰輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預警；本發(fā)明利用傳感器測試技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力有限元建模技術(shù)和模態(tài)識別技術(shù)，在覆冰輸電塔線結(jié)構(gòu)失效前準確地做出預警，避免了斷線、倒塔等惡性事故的發(fā)生。


圖1是本實發(fā)明實施例中運用桿、梁單元建立酒杯型輸電塔的結(jié)構(gòu)動力有限元模型；圖2是本發(fā)明實例中結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線圖；圖3是本發(fā)明實施例中動力特性變化率和覆冰載荷間的函數(shù)關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。應該強調(diào)的是下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。本實施例以運用桿、梁單元建立酒杯型輸電塔的結(jié)構(gòu)動力有限元模型做具體的說明；步驟1:建立輸電塔線的結(jié)構(gòu)動力有限元模型，具體方法為:首先，本實施例中采用桿、梁單元結(jié)合的方法進行建模，如圖1所示。其中輸電塔的主材(包括橫隔材)用BeamlSS梁單元，而斜材用IinkS桿單元。并根據(jù)輸電塔線的結(jié)構(gòu)動力有限元模型的計算模態(tài)階次，模態(tài)振型及對應的模態(tài)頻率，用于驗證輸電塔線的結(jié)構(gòu)動力有限元模型；其次，利用振動傳感器實測的動力特征數(shù)值，應用靈敏度法對所建立的輸電塔線結(jié)構(gòu)動力有限元模型進行修正，獲取能反映實際動力特性的輸電塔線動力學特性的有限元數(shù)值仿真模型。步驟2:建立輸電塔線動力特征與覆冰載荷之間的函數(shù)關(guān)系，具體方法如下:首先，應用屈曲分析確定輸電塔的覆冰極限載荷，獲得輸電塔結(jié)構(gòu)的覆冰載荷-位移曲線如圖2所示，可知其覆冰極限屈服載荷為120kN ；其次，以覆冰極限屈服載荷為上限，劃分覆冰載荷等級為60kN、70kN、80kN、90kN、100kN、lIOkN和 120kN ；再次，計算各覆冰等級下的動力特征，建立動力特征變化率與覆冰載荷間的函數(shù)關(guān)系。由于動力特征變化率主要由一階模態(tài)變化率決定，所以以分級覆冰載荷的一階模態(tài)變化率為自變量，覆冰載荷為因變量，建立函數(shù)關(guān)系為y=0.006x3-0.1163x2+6.4598x+18.685，該函數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示。步驟3:利用振動傳感器獲取輸電塔在工作狀態(tài)下的動力特征首先，在輸電塔上安裝振動傳感器；其次，利用傳感器測量輸電塔工作狀態(tài)下的振動響應；再次，應用子空間法模態(tài)識別動力特征，本實施例中一階模態(tài)變化率為4.5%。步驟4:根據(jù)實測動力特征數(shù)據(jù)及步驟2中的函數(shù)關(guān)系，對覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預警:首先，將測量所得一階模態(tài)變化率代入函數(shù)關(guān)系，求解輸電塔所承受的覆冰載荷，求得輸電塔此刻承受總覆冰載荷為107kN ；其次，將求得的總覆冰載荷為107kN與覆冰極限屈服載荷為120kN進行比較，該載荷接近極限覆冰載荷，則發(fā)出失效預警。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法，其特征在于，所述方法具體步驟包括: 步驟1:建立輸電塔線的結(jié)構(gòu)動力有限元模型； 步驟2:建立輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的函數(shù)關(guān)系； 步驟3:利用振動傳感器獲取輸電塔在工作狀態(tài)下的動力特征； 步驟4:根據(jù)動力特征及步驟2中的函數(shù)關(guān)系，對覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預m目O
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法，其特征在于，所述建立輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的函數(shù)關(guān)系的步驟包括: 步驟201:應用屈曲分析確定輸電塔的覆冰屈服極限載荷，獲得輸電塔的覆冰載荷-位移曲線； 步驟202:以覆冰屈服極限載荷為基準劃分載荷等級，應用有限元模態(tài)分析法計算不同等級下的動力特征，即應力和位移；計算所得動力特征值與不同載荷取比值，獲得不同載荷下的動力特征變化率； 步驟203:建立動力特征變化率與覆冰載荷間的函數(shù)關(guān)系，由于動力特征變化率主要由一階模態(tài)變化率決定，所以以分級覆冰載荷的一階模態(tài)變化率為自變量，覆冰載荷為因變量，應用多項式擬合為函數(shù)關(guān)系，以函數(shù)的形式表達輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法，其特征在于，所述利用振動傳感器獲取輸電塔在工作狀態(tài)下的動力特征的步驟為: 步驟301:在輸電塔上安裝振動傳感器； 步驟302:利用傳感器測量輸電塔工作狀態(tài)下的動力特征。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法，其特征在于，所述根據(jù)動力特征及步驟2中的函數(shù)關(guān)系，對覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預警的步驟包括: 步驟401:根據(jù)動力特征計算得到動力特征變化率,并將動力特征變化率代入函數(shù)關(guān)系，求解輸電塔所承受的總覆冰載荷； 步驟402:將總覆冰載荷與輸電塔鋼材的覆冰極限屈服載荷進行比較；若達到覆冰極限屈服載荷的90%及以上時，則判定即將發(fā)生失效并發(fā)出失效預警。
全文摘要
本發(fā)明公開了電力工程結(jié)構(gòu)安全領(lǐng)域的一種基于動力特性的覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效的預警方法。其技術(shù)方案是1、建立輸電塔線的結(jié)構(gòu)動力有限元模型；2、建立輸電塔線動力特性與覆冰載荷之間的函數(shù)關(guān)系；3、利用振動傳感器獲取輸電塔在工作狀態(tài)下的動力特征；4、根據(jù)實測動力特征數(shù)據(jù)及函數(shù)關(guān)系，對覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效問題進行預警。本發(fā)明通過實測動力特征與結(jié)構(gòu)仿真分析相結(jié)合，可以就覆冰致輸電塔線結(jié)構(gòu)失效發(fā)生前進行預警，避免輸電線斷線、輸電塔倒塌等惡性事故的發(fā)生。
文檔編號G06F17/50GK103105257SQ20131003540
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者周超, 芮曉明, 李林, 王達達, 陳云, 陳曉云, 張少泉, 鄒榮敏, 彭慶軍 申請人:華北電力大學, 云南電力試驗研究院(集團)有限公司電力研究院