基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統技術方案

一種基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統，包括系統語言與ANSYS有限元軟件接口模塊、輸電桿塔及地線靜強度計算模塊、輸電桿塔及地線安全評估模塊、輸電桿塔及地線壽命預測模塊、輸入輸出模塊五個模塊。其中輸電桿塔及地線安全評估模塊包括基于最大應力的安全評估分級和基于系統強度儲備的安全評估分級子模塊；輸電桿塔及地線壽命預測模塊包括輸電桿塔壽命預測和地線壽命預測子模塊。本發明專利技術可以針對不同類型的桿塔進行解析方法靜強度安全評估分級及壽命預測，得出在不同腐蝕環境下的輸電線路桿塔及地線的安全等級及剩余壽命，為線路的可靠性提供技術指導。

【技術實現步驟摘要】


本專利技術涉及輸電線路安全評估系統，具體說是一種基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統。

技術介紹

近些年來，國家重點投資建設的電力基礎設施取得了巨大的發展，輸電線路的電壓等級越來越高，已經形成了500kV級的主干電網。為了進一步滿足經濟發展、能源配置和生態環境保護的戰略需要，以西電東送三通道為代表，高壓甚至超高壓的遠距離電力輸送己經開始起步。隨著輸送電壓的提高，輸電塔架的高度不斷提高，形式上也不斷創新，無論在設計還是在制造安裝等方面都取得了長足的進步。因此輸電塔結構的安全性及穩定性，成為整個電力輸送系統設計和維護的主要目標。
2008年初，我國南方地區遭受了一場歷史罕見的冰雪災害，它影響范圍大、持續時間長，嚴重破壞了當地的公路、鐵路、通信和電力等基礎設施，對人民的生命和財產安全產生了嚴重威脅。尤其是對我國電網的破壞，在人類電力工業發展歷史上絕無僅有。從配電網到500KV骨干輸電線路都遭到了大規模的破壞，在全國范圍電網造成3萬多條10KV以上電力線路、2千多座35KV以上變電站停運，10KV以上桿塔倒塌及損壞30多萬基，其中100～500KV達到8千多基，導致3330多萬戶、約1.1億人口停電。有鑒于此，國家電網公司于2008年3月份頒布了新的電網設計標準。其中100～500KV電網設防標準由15年一遇提高到30年一遇；500KV電網設防標準由30年一遇提高到50年一遇；750KV電網設防標準仍為50年一遇，正在建設的特高壓工程設防標準按100年一遇考慮。針對災害中發生的桿塔串倒等情形，新的標準調整了荷載組合，增加了驗算工況。因此，開展在役桿塔安全評估研究十分重要。
產生輸電桿塔破壞的原因很多，跟設計、制造安裝誤差、使用過程中的磨損以及氣候條件都有關系。典型的影響原因如下：
(1)極端天氣的影響：極端天氣會導致輸電線路覆冰厚度大大超過了原設計的極限。
(2)導線舞動的影響：架空輸電導線(尤其是覆冰導線)遇強風時，會產生低頻、大振幅振動。這種振動不僅使導線產生垂直方向運動，還會使導線產生扭轉運動。由于振動的幅值大，持續時間長，從而導致輸電導線產生鞭擊、燒傷、斷股、斷線、金具嚴重磨損、斷裂、脫落、絕緣子鋼腳斷裂、桿塔傾倒、線路跳閘等事故。
(3)腐蝕的影響：架空輸電桿塔發生腐蝕的原因除與材料本身的性質有關外，還與金屬材料所處的環境條件及其含有的腐蝕介質有密切的關系。架空輸電桿塔大多是以碳鋼結構為主的各種形式的鐵塔及橫擔構件，常年裸露在空氣中運行，往往會造成鐵塔的化學腐蝕和電化學腐蝕，縮短桿塔的使用壽命，嚴重時還會造成安全隱患。
綜上所述，由于設計、制造、使用條件等多種因素的影響，常常造成輸電桿塔損壞。這些影響因素具有一定的不確定性，是一個典型的穩健性優化問題。系統的從理論和實踐兩個方面研究這個問題的解決方法，實現對現有的在役桿塔剩余壽命進行評估，對架空輸電導線安全運行提供保障。

技術實現思路

本專利技術所要解決的技術問題是提供一種基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統，對不同腐蝕環境下的在役輸電桿塔及地線進行基于靜強度的安全評估和剩余壽命預測，從而為輸電線路的安全運行提供保障。
為實現上述目的，本專利技術了公開下述技術方案：
所述基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統，其特征在于，包括：
系統語言與ANSYS有限元軟件接口模塊，用于自動啟動ANSYS有限元軟件，調用APDL并監測ANSYS有限元軟件運行情況；
輸電桿塔及地線應力計算模塊，用于計算輸電桿塔及地線在給定工況下的靜應力；
輸電桿塔及地線安全評估模塊，用于通過提取輸電桿塔及地線應力計算模塊所得的應力，對輸電桿塔及地線安全進行分級評估；
輸電桿塔及地線壽命預測模塊，用于根據輸入的工況條件預測桿塔和地線的壽命；
輸入輸出模塊，用于輸入工況參數，顯示參數、計算結果、評估結果及剩余壽命；
其中，輸電桿塔及地線強度計算模塊，包括工況參數輸入模塊、有限元法建模模塊和有限元法計算模塊；
所述工況參數輸入模塊包括輸電桿塔參數輸入模塊、導地線參數輸入模塊、風載荷參數輸入模塊、覆冰參數輸入模塊和腐蝕等級計算模塊；
所述輸電桿塔參數輸入模塊用于包括幾何結構尺寸輸入、空間尺寸輸入、材料輸入和絕緣子型號輸入的參數輸入；
所述導地線參數輸入模塊用于構件型號輸入和分裂數輸入；
所述風載荷參數輸入模塊用于風速、風向、脈動風屬性的參數輸入；
所述覆冰參數輸入模塊用于覆冰的結構類型、覆冰性質、覆冰尺寸的參數輸入；
所述腐蝕等級計算模塊包括潮濕時間等級確定模塊、二氧化硫的沉積率等級確定模塊和氯化物的沉積率等級確定模塊，用于分類確定腐蝕等級劃分參數并確定腐蝕等級；所述腐蝕等級計算模塊設有第1年腐蝕速率獲取模塊、10年內平均腐蝕速率獲取模塊和穩態腐蝕速率獲取模塊，用于桿塔已運行年限、第一年腐蝕速率、十年內平均腐蝕速率和穩態腐蝕速率的計算，并將所有的所述輸入變量進行參數化處理，以適應系統對不同工況和不同條件下的系統建模和分析；
所述輸電桿塔及地線安全評估模塊，包括采用基于最大應力的安全評估分級模塊，該模塊根據輸電桿塔參數、導地線參數和結構材料計算獲得關鍵點應力，對所述關鍵點根據構件類型進行分類，分類標準為將主材上的點定義為一類關鍵點，斜材上的點定義為二類關鍵點，輔材上的點定義為三類關鍵點，對關鍵點分類加權后進行計算，針對關鍵點應力提取桿塔及地線最大應力，將桿塔及地線最大應力分別與桿塔及地線許用應力進行比較，根據比較結果，對輸電桿塔和地線的安全狀態分別進行分級；
所述輸電桿塔及地線最大應力σmax與材料許用強度[σ]和抗拉強度σs的比較評估標準為：
當σmax<0.6[σ]時，評估為安全，
當0.6[σ]≤σmax≤[σ]時，評估為預警，
當[σ]≤σmax≤σs時，評估為報警，
當σmax≥σs時，評估為危險；
所述輸電桿塔及地線壽命預測模塊，包括基于有限元法的剩余壽命預測模塊，該模塊建立有限元模型，并根據風載荷和覆冰參數確定腐蝕等級，及相應腐蝕等級下的腐蝕速率，根據桿塔或地線投入使用年數和腐蝕等級確定初始腐蝕厚度，分別計算出不同腐蝕時間的桿塔和地線的最大應力，分別計算桿塔和地線的最大應力大于許用應力的最短時間作為桿塔或地線預測的壽命。
所述輸電桿塔及地線安全評估模塊，還包括基于系統儲備強度的安全評估分級模塊，該模塊根據構件類型對關鍵點進行分類；計算系統強度儲備比，并將系統強度儲備比作為安全度指標，對輸電桿塔和地線的安全狀態進行分級；
強度儲備比計算公式如下所示：
φ = θ ( r ) θ ( d ) = F ( r )本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統，其特征在于，包括：系統語言與ANSYS有限元軟件接口模塊，用于自動啟動ANSYS有限元軟件，調用APDL并監測ANSYS有限元軟件運行情況；輸電桿塔及地線應力計算模塊，用于計算輸電桿塔及地線在給定工況下的靜應力；輸電桿塔及地線安全評估模塊，用于通過提取輸電桿塔及地線應力計算模塊所得的應力，對輸電桿塔及地線安全進行分級評估；輸電桿塔及地線壽命預測模塊，用于根據輸入的工況條件預測桿塔和地線的壽命；輸入輸出模塊，用于輸入工況參數，顯示參數、計算結果、評估結果及剩余壽命；其中，輸電桿塔及地線強度計算模塊，包括工況參數輸入模塊、有限元法建模模塊和有限元法計算模塊；所述工況參數輸入模塊包括輸電桿塔參數輸入模塊、導地線參數輸入模塊、風載荷參數輸入模塊、覆冰參數輸入模塊和腐蝕等級計算模塊；所述輸電桿塔參數輸入模塊用于包括幾何結構尺寸輸入、空間尺寸輸入、材料輸入和絕緣子型號輸入的參數輸入；所述導地線參數輸入模塊用于構件型號輸入和分裂數輸入；所述風載荷參數輸入模塊用于風速、風向、脈動風屬性的參數輸入；所述覆冰參數輸入模塊用于覆冰的結構類型、覆冰性質、覆冰尺寸的參數輸入；所述腐蝕等級計算模塊包括潮濕時間等級確定模塊、二氧化硫的沉積率等級確定模塊和氯化物的沉積率等級確定模塊，用于分類確定腐蝕等級劃分參數并確定腐蝕等級；所述腐蝕等級計算模塊設有第1年腐蝕速率獲取模塊、10年內平均腐蝕速率獲取模塊和穩態腐蝕速率獲取模塊，用于桿塔已運行年限、第一年腐蝕速率、十年內平均腐蝕速率和穩態腐蝕速率的計算，并將所有的所述輸入變量進行參數化處理，以適應系統對不同工?況和不同條件下的系統建模和分析；所述輸電桿塔及地線安全評估模塊，包括采用基于最大應力的安全評估分級模塊，該模塊根據輸電桿塔參數、導地線參數和結構材料計算獲得關鍵點應力，對所述關鍵點根據構件類型進行分類，分類標準為將主材上的點定義為一類關鍵點，斜材上的點定義為二類關鍵點，輔材上的點定義為三類關鍵點，對關鍵點分類加權后進行計算，針對關鍵點應力提取桿塔及地線最大應力，將桿塔及地線最大應力分別與桿塔及地線許用應力進行比較，根據比較結果，對輸電桿塔和地線的安全狀態分別進行分級；所述輸電桿塔及地線最大應力σmax與材料許用強度[σ]和抗拉強度σs的比較評估標準為：當σmax<0.6[σ]時，評估為安全，當0.6[σ]≤σmax≤[σ]時，評估為預警，當[σ]≤σmax≤σs時，評估為報警，當σmax≥σs時，評估為危險；所述輸電桿塔及地線壽命預測模塊，包括基于有限元法的剩余壽命預測模塊，該模塊建立有限元模型，并根據風載荷和覆冰參數確定腐蝕等級，及相應腐蝕等級下的腐蝕速率，根據桿塔或地線投入使用年數和腐蝕等級確定初始腐蝕厚度，分別計算出不同腐蝕時間的桿塔和地線的最大應力，分別計算桿塔和地線的最大應力大于許用應力的最短時間作為桿塔或地線預測的壽命。...

【技術特征摘要】
1.一種基于腐蝕狀態的輸電桿塔及地線安全評估與壽命預測系統，其特征在于，包括：
系統語言與ANSYS有限元軟件接口模塊，用于自動啟動ANSYS有限元軟件，調用APDL并監測ANSYS有限元軟件運行情況；
輸電桿塔及地線應力計算模塊，用于計算輸電桿塔及地線在給定工況下的靜應力；
輸電桿塔及地線安全評估模塊，用于通過提取輸電桿塔及地線應力計算模塊所得的應力，對輸電桿塔及地線安全進行分級評估；
輸電桿塔及地線壽命預測模塊，用于根據輸入的工況條件預測桿塔和地線的壽命；
輸入輸出模塊，用于輸入工況參數，顯示參數、計算結果、評估結果及剩余壽命；
其中，輸電桿塔及地線強度計算模塊，包括工況參數輸入模塊、有限元法建模模塊和有限元法計算模塊；
所述工況參數輸入模塊包括輸電桿塔參數輸入模塊、導地線參數輸入模塊、風載荷參數輸入模塊、覆冰參數輸入模塊和腐蝕等級計算模塊；
所述輸電桿塔參數輸入模塊用于包括幾何結構尺寸輸入、空間尺寸輸入、材料輸入和絕緣子型號輸入的參數輸入；
所述導地線參數輸入模塊用于構件型號輸入和分裂數輸入；
所述風載荷參數輸入模塊用于風速、風向、脈動風屬性的參數輸入；
所述覆冰參數輸入模塊用于覆冰的結構類型、覆冰性質、覆冰尺寸的參數輸入；
所述腐蝕等級計算模塊包括潮濕時間等級確定模塊、二氧化硫的沉積率等級確定模塊和氯化物的沉積率等級確定模塊，用于分類確定腐蝕等級劃分參數并確定腐蝕等級；所述腐蝕等級計算模塊設有第1年腐蝕速率獲取模塊、10年內平均腐蝕速率獲取模塊和穩態腐蝕速率獲取模塊，用于桿塔已運行年限、第一年腐蝕速率、十年內平均腐蝕速率和穩態腐蝕速率的計算，并將所有的所述輸入變量進行參數化處理，以適應系統對不同工況和不同條件下的系統建模和分析；
所述輸電桿塔及地線安全評估模塊，包括采用基于最大應力的安全評估分級模塊，該模塊根據輸電桿塔參數、導地線參數和結構材料計算獲得關鍵點應力，對所述關鍵點根據構件類型進行分類，分類標準為將主材上的點定義為一類關鍵點，斜材上的點定義為二類關鍵點，輔材上的點定義為三類關鍵點，對關鍵點分類加權后進行計算，針對關鍵點應力提取桿塔及地線最大應力，將桿塔及地線最大應力分別與桿塔及地線許用應力進行比較，根據比較結果，對輸電桿塔和地線的安全狀態分別進行分級；
所述輸電桿塔及地線最大應力σmax與材料許用強度[σ]和抗拉強度σs的比較評估標準為：
當σmax<0.6[σ]時，評估為安全，
當0.6[σ]≤σmax≤[σ]時，評估為預警，
當[σ]≤σmax≤σs時，評估為報警，
當σmax≥σs時，評估為危險；
所述輸電桿塔及地線壽命預測模塊，包括基于有限元法的剩余壽命預測模塊，該模塊建立有限元模型，并根據風載荷和覆冰參數確定腐蝕等級，及相應腐蝕等級下的腐蝕速率，根據桿塔或地線投入使用年數和腐蝕等級確定初始腐蝕厚度，分別計算出不同腐蝕時間的桿塔和地線的最大應力，分別計算桿塔和地線的最大應力大于許用應力的最短時間作為桿塔或地線預測的壽命。
2....

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡基才，巫世晶，詹約章，劉羽劼，張杰，吳麗霞，李杰，楊志澤，
申請(專利權)人：國家電網公司，國網湖北省電力公司電力科學研究院，武漢格林陽光能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11