特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析

王勝利 周璋鵬 成 保 白宏明 馬長山

（國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州730070）

電力系統(tǒng)為我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展提供強而有力的動力支持，而輸電線路對供電的安全穩(wěn)定性具有直接的影響，因此，保證輸電線路，尤其是特高壓輸電線路在運行過程中的安全可靠性具有十分重要的意義[1]。由于特高壓輸電線路跨越區(qū)域范圍廣、所處地形復(fù)雜、所在自然環(huán)境惡劣、設(shè)備長期暴露在外,導(dǎo)致輸電線路非常容易受到機械張力作用、雷擊閃絡(luò)、材料老化、覆冰、高溫等因素的影響而出現(xiàn)斷股、磨損甚至是腐蝕等各種問題[2-3]。

一直以來，輸電線路的維護以及走廊巡檢工作均依靠人工現(xiàn)場勘探，這種方式工作效率低下，工作人員的安全得不到保障，且受到地形、地勢的影響，輸電線路隱患問題不能被及時發(fā)現(xiàn)，具有嚴(yán)重的安全隱患[4]。

本文研究一種基于激光點云數(shù)據(jù)的輸電線路通道多工況仿真模擬分析算法，動態(tài)模擬在不同的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件下，風(fēng)偏、弧垂等的變化狀態(tài)，結(jié)合三維地形和三維模型，實現(xiàn)線路安全運行狀態(tài)檢測。

1 多工況仿真模擬分析

1.1 導(dǎo)線弧垂擬合

本研究采用懸鏈線方程的簡化形式拋物線方程，拋物線方程可以滿足工程應(yīng)用的精度要求，斜拋物線方程為：

其中，φ- 高差角。

1.1.1 比載計算

在導(dǎo)線計算中，常把導(dǎo)線受到的機械荷載用比載表示。由于導(dǎo)線具有不同的截面，因此僅用單位長度的重量不宜分析它的受力情況[5]。

此外比載同樣是矢量，其方向與外力作用方向相同。所以比載是指導(dǎo)線單位長度、單位截面積上的荷載，常用的比載共有七種，包括自重比載、冰重比載、導(dǎo)線自重和冰重總比載、無冰時風(fēng)壓比載、覆冰時的風(fēng)壓比載、無冰有風(fēng)時的綜合比載和有冰有風(fēng)時的綜合比載。

1.1.2 導(dǎo)線溫度與應(yīng)力計算

由于氣象條件變化時，架空線所受溫度和荷載也發(fā)生變化，相應(yīng)其水平應(yīng)力σ0 和弧垂f 也隨著變化。為此要確定σ0大小，則必須要研究氣象條件（或稱狀態(tài)）變化時，導(dǎo)線的應(yīng)力會怎樣的變化關(guān)系，因而引出了狀態(tài)方程，即導(dǎo)線內(nèi)的水平應(yīng)力隨氣象條件的變化規(guī)律可用導(dǎo)線狀態(tài)方程來描述[6]。由斜拋物線方程確定的形式，略去推導(dǎo)過程，得到狀態(tài)方程如下：

式中：

gm- 初始氣象條件下的比載，N/m.mm2；

gn- 待求氣象條件下的比載，N/m.mm2；

tm- 初始氣象條件下的溫度，℃；

tn- 待求氣象條件下的溫度，℃；

σm- 在溫度tm 和比載gm 時的應(yīng)力，MPa；

σn- 在溫度 和比載 時的應(yīng)力，MPa；

α- 線溫度線膨脹系數(shù)，1/℃；

E- 導(dǎo)線的彈性系數(shù)，MPa；

φ- 導(dǎo)線懸掛點高差角；

l- 檔距，m。

1.1.3 導(dǎo)線載流量與溫升計算

根據(jù)熱平衡原理,架空導(dǎo)線吸收的熱量應(yīng)等于散發(fā)的熱量，即導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的熱量加上日照吸收的熱量等于輻射散發(fā)的熱量加上對流散發(fā)的熱量[7]。

1.1.4 弧垂調(diào)整

由機載LiDAR 點云獲取的三維電力線模型數(shù)學(xué)表達簡單，為了進行電力線安全的實時評估，需要模擬不同氣象條件下的導(dǎo)線弧垂?fàn)顟B(tài)，首先要確定瞬時工況條件下應(yīng)力參數(shù)。由于導(dǎo)線的弧垂受氣象條件影響，其懸鏈線形態(tài)是動態(tài)變化的，需要根據(jù)實際情況才能更加精確模擬現(xiàn)場情況。實時擬合算法需要加入風(fēng)速、溫度因子，使導(dǎo)線的擬合模型能夠在不同環(huán)境下進行智能化的參數(shù)調(diào)整，求出實時最優(yōu)解。

1.2 導(dǎo)線風(fēng)偏與弧垂

導(dǎo)線風(fēng)偏（舞動、弧垂）是威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一，常常造成線路跳閘、導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線等嚴(yán)重后果，且風(fēng)偏的發(fā)生常伴有大風(fēng)和雷雨現(xiàn)象，給故障的判斷及查找?guī)硪欢ǖ睦щy。

（1）風(fēng)偏后導(dǎo)線弧垂計算。需要計算架空線風(fēng)偏后，在垂直及水平投影平面內(nèi)的弧垂、應(yīng)力及懸掛點應(yīng)力等[8]。如圖1 所示，將風(fēng)偏平面內(nèi)的架空線向垂直平面xy 投影，投影曲線ACB上僅作用有垂直比載γv、懸掛點垂直應(yīng)力分量συA和συB、線路方向的水平應(yīng)力分量συA=συB=σ0。將風(fēng)偏平面內(nèi)的架空線向水平面xz 投影，投影曲線A"C"B"上僅作用有橫向水平比載γh、垂直于線路方向的懸掛點水平應(yīng)力σhA和σhB、順線路方向的水平應(yīng)力σ0。

圖1 風(fēng)偏模型

（2）最大弧垂判定。為確定桿塔高，校驗導(dǎo)線對地面、水面或交叉跨越物間的安全距離及桿塔位置等，需要知道導(dǎo)線的最大弧垂及其出現(xiàn)的氣象條件[9]。最大弧垂出現(xiàn)的氣象條件一般為最高氣溫或者最大垂直比載出現(xiàn)，可以通過臨界溫度法確定，計算公式如下：

將計算的臨界溫度tj和最高氣溫tmax相比較，溫度高者為出現(xiàn)最大弧垂的控制條件。若tj>tmax，則最大弧垂發(fā)生在最大垂直比載氣象條件，反之最大弧垂發(fā)生的最高溫氣象條件。

（3）風(fēng)偏分析。模擬大風(fēng)環(huán)境下風(fēng)偏情況，根據(jù)風(fēng)向、最大風(fēng)速，用風(fēng)偏模型對線路進行風(fēng)偏模擬計算。計算出不同運行情況下風(fēng)偏角的大小，按照導(dǎo)線弧垂情況決定絕緣子的空間位置，將輸電線路的實際情況展示在三維可視化平臺中。然后把風(fēng)偏的實時情況與輸電線路的風(fēng)偏極限值進行對比，一旦超出設(shè)定值就會發(fā)出預(yù)警信息。

1.3 覆冰模型

覆冰對于電力系統(tǒng)是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，常會引起輸電線路倒桿、倒塔，導(dǎo)線舞動、斷線（股），金具損傷、損壞，導(dǎo)線相間或?qū)Φ胤烹?，絕緣子閃絡(luò)跳閘等重大事故，給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴(yán)重危害。

本研究采用兩種覆冰模型計算覆冰厚度，即通過覆冰截面積計算覆冰厚度和通過輸電線路靜力學(xué)模型計算覆冰厚度。

（1）覆冰截面積計算覆冰厚度。通過分析懸鏈線懸點處導(dǎo)線張力，分別計算風(fēng)偏平面內(nèi)參數(shù)及垂直線路的導(dǎo)線水平風(fēng)荷載，從而計算風(fēng)偏情況下覆冰導(dǎo)線總截面積。覆冰厚度計算公式可得：

（2）通過線路靜力學(xué)模型計算覆冰厚度。

圖2 是風(fēng)偏平面內(nèi)輸電線路的模型，分析導(dǎo)線覆冰后垂直風(fēng)向上的靜力學(xué)平滑，設(shè)覆冰密度為ρ，導(dǎo)線直線為D，認為覆冰形狀為均勻圓柱體，則可得到導(dǎo)線等效覆冰厚度：

圖2 風(fēng)偏平面內(nèi)輸電線路的模型

2 基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析

基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析流程如圖3 所示。

圖3 特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析流程圖

基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道多工況仿真模擬分析，包括若干個處理流程和步驟：

步驟1 線路走廊三維建模?；诨A(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，包括激光點云數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，進行線路走廊三維建模，生成線路三維地形和地面、障礙物模型。

步驟2 建立輸電線路導(dǎo)線和桿塔模型。基于激光點云數(shù)據(jù)，進行點云數(shù)據(jù)篩選、桿塔定位、范圍裁剪、自動分類和人工交互等自動建模過程生成桿塔精確位置信息數(shù)據(jù)和桿塔模型、導(dǎo)線模型。

步驟3 計算應(yīng)力系數(shù)。利用激光點云數(shù)據(jù)、瞬時工況信息和桿塔、導(dǎo)線臺賬信息，生成在特定溫度、風(fēng)速、光照、負荷條件下的導(dǎo)線弧垂曲線，進行比載計算、溫度與應(yīng)力計算、弧垂調(diào)整計算、負載與升溫計算和風(fēng)偏計算，得到導(dǎo)線應(yīng)力系數(shù)。

步驟4 生成調(diào)整導(dǎo)線弧垂曲線。利用步驟2、步驟3 的計算結(jié)果，在不同的溫度、覆冰、風(fēng)速、光照、負荷等條件下，計算生成調(diào)整導(dǎo)線弧垂曲線。

步驟5 多工況仿真模擬分析?；诓襟E1 和步驟4 的成果，按照輸電線路運行規(guī)程設(shè)置各種地物到導(dǎo)線的安全距離，計算多種工況條件下的各種安全距離、自動提示安全隱患、動態(tài)模擬顯示進行報警、生成分析報表。

3 結(jié)論

本文研究在不同的溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象條件下，風(fēng)偏、弧垂等的變化狀態(tài)，結(jié)合三維地形和三維模型，實現(xiàn)線路安全運行狀態(tài)檢測。經(jīng)過理論和現(xiàn)場驗證，這種方法具有準(zhǔn)確性和實用性的特點，適用于常見的輸電線路，特別是特高壓輸電線路通道，可以快速找出輸電線路的潛在故障，提高電網(wǎng)系統(tǒng)日常運行的穩(wěn)定性。