淺析復(fù)雜氣象下輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固

陳曦，程旭萌，曾鋒，劉興能

（廣西電網(wǎng)有限責任公司防城港供電局，廣西 防城港 538001）

在目前實際所運行的輸電線路中，很大比例都是根據(jù)以前頒布的輸電線路設(shè)計導(dǎo)則進行施工建設(shè)的，但以前采用的很多舊設(shè)計導(dǎo)則現(xiàn)如今已經(jīng)廢止。同時在以往的輸電線路設(shè)計中，對各種復(fù)雜的氣象條件也沒有考慮充分，包括風、覆冰、雪、雨等，導(dǎo)致后續(xù)輸電線路在實際運行中遇到問題。輸電線路在這些復(fù)雜氣象條件下運行，都會增加輸電線路所承受的載荷，故在現(xiàn)有輸電線路中出現(xiàn)過因大風而導(dǎo)致輸電線路鐵塔倒塔；或者是因覆冰導(dǎo)致鐵塔倒塔等事故。這些實際輸電線路事故表明按照以往的設(shè)計規(guī)范所設(shè)計的線路存在著較大的安全運行風險，降低輸電線路的運行安全水平，存在著薄弱環(huán)節(jié)，需要對輸電線路中的薄弱環(huán)節(jié)進行辨識。同時針對這些薄弱環(huán)節(jié)采取有針對性的加固補強技術(shù)措施，以提高輸電線路在各種復(fù)雜氣象條件下的安全穩(wěn)定運行水平，為此本文詳細分析了復(fù)雜氣象下輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)。

1 輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)的應(yīng)用背景

經(jīng)過對當前輸電線路運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)對輸電線路危害較大的影響因素為冰雪天氣，在冰雪天氣下輸電線路發(fā)生事故的次數(shù)最多。冰雪條件下對輸電線路的危害主要表現(xiàn)為以下幾點：

（1）當輸電線路上發(fā)生覆冰情況時，覆積厚度會越來越厚，給輸電線路增加了較大的載荷，運行壓力不斷提高。當厚度達到一定程度時，最終超過輸電線路所能夠承受的最大載荷，導(dǎo)致出現(xiàn)輸電線路鐵塔倒塔或者是桿塔被壓彎等情況。同時，由于在輸電線路上附著了較厚的冰塊，故當輸電線路還受到大風吹的影響時，更容易導(dǎo)致輸電線路出現(xiàn)倒塔，或者是輸電線路發(fā)生嚴重的搖晃現(xiàn)象。

（2）輸電線路在冰雪條件下會容易發(fā)生污損情況，為了避免輸電線路出現(xiàn)閃絡(luò)的情況，需要加強對輸電線路中污穢的定期清理，并且對覆冰厚度加以控制，才能夠避免覆冰對輸電線路運行造成的影響。

（3）在冰雪條件下輸電線路容易發(fā)生接地短路事故。當覆冰厚度較高時，此時輸電線路的整體重量也會得到明顯增加，如果線路出現(xiàn)了斷線則造成接地短路事故。

（4）輸電線路壓垮問題，當輸電線路某個部位的覆冰情況較為嚴重時，此時會導(dǎo)致輸電線路在耐張端出現(xiàn)張力不平衡的情況，此時輸電線路中的耐張桿塔就容易發(fā)現(xiàn)向一側(cè)傾倒的事故，進而發(fā)展為整條輸電線路倒塌的事故。為了應(yīng)對冰雪天氣對輸電線路安全運行所造成的影響，本文介紹了輸電線路薄弱點辨識及優(yōu)化加固技術(shù)，以下進行詳細的分析和介紹。

2 輸電鐵塔典型塔薄弱環(huán)節(jié)辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)分析

輸電線路在運行過程中，一旦發(fā)生事故，則情況往往較為嚴重，還可能會造成人身傷亡，故對輸電線路典型塔中所存在的薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)可靠計算并辨識出來，及時發(fā)現(xiàn)輸電線路中的缺陷，并加以治理，從而提高輸電線路的穩(wěn)定運行能力。在輸電線路薄弱點辨識及優(yōu)化加固技術(shù)中，需要根據(jù)復(fù)雜氣象對輸電線路運行所造成的影響，并且通過風險評價技術(shù)，確定好在各類復(fù)雜氣象下輸電線路的風險等級。之后再根據(jù)所評估出來的輸電線路風險等級，選擇出容易發(fā)生安全事故的典型輸電線路鐵塔或者是桿塔，并對該典型塔進行優(yōu)化加固補強，以提高輸電線路應(yīng)對各類惡劣天氣條件的能力。

2.1 輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)的應(yīng)用步驟

輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)在實際的應(yīng)用中，需要嚴格按照步驟來進行評估分析，保證分析結(jié)果的準確性。首先，第一步是明確輸電線路在各類不同天氣條件下的風險等級，完成輸電線路的風險評價工作。第二步是采用有限元分析軟件ANSYS建立好輸電線路的具體結(jié)構(gòu)模型，可以采用多種不同的建模方式，之后再接著計算輸電線路的靜動力特性。第三步是將輸電線路在加固前后的力學試驗結(jié)果進行對比分析。第四步是針對各種不同的輸電線路建模方式，計算各種結(jié)果，分析建模方式對薄弱點辨識結(jié)果的影響，從而進一步提出合適的優(yōu)化加固補強技術(shù)方案，并作為最終的加固技術(shù)方案，圖1為輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固的應(yīng)用流程圖。

圖1 輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固的應(yīng)用流程圖

2.2 輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固的應(yīng)用技術(shù)要點

在計算完輸電線路的靜動力特性之后，就可以找到輸電線路桿塔中最為薄弱的部位，并據(jù)此提出加固技術(shù)措施。其中在輸電線路風險評價中，需要分析的氣象條件應(yīng)涵蓋臺風、雨雪、覆冰、雷電、冰雹以及低溫等多種場景。在風險評價算法選擇上，可以選用灰色模糊理論來加以綜合評估。對于輸電塔的結(jié)構(gòu)模型，輸電塔有限元模型的準確構(gòu)建是順利進行輸電塔結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，可以采用建立輸電線路典型塔的空間桁架模型。這種建模方式和空間剛架模型以及混合有限元模型相比，對薄弱點的辨識結(jié)果更為準確，也更為實用。

3 基于蟻群算法的輸電塔的優(yōu)化加固技術(shù)

3.1 輸電線路典型塔的優(yōu)化加固

對輸電線路典型塔的優(yōu)化加固，包括對輸電線路桁架結(jié)構(gòu)的截面進行優(yōu)化加固、拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化加固、以及桁架結(jié)構(gòu)的形狀進行優(yōu)化加固等。以桁架結(jié)構(gòu)的截面進行優(yōu)化加固為例進行分析，其屬于組合優(yōu)化技術(shù)范疇，即從各類輸電線路截面組合方案中，需要最佳的截面組成方案。當輸電線路較長，涉及到的優(yōu)化變量數(shù)較多時，此時截面的組合數(shù)也快速增長，屬于大規(guī)模的組合優(yōu)化問題。為此可以利用蟻群算法來處理這類大規(guī)模優(yōu)化問題，該算法能夠很好地處理眾多的優(yōu)化變量和規(guī)模較大的可行解數(shù)量，其優(yōu)化加固的流程圖如圖2所示。

從圖2輸電線路桁架結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化加固計算流程圖中可以看出，首先將輸電線路結(jié)構(gòu)模型中的相關(guān)變量進行初始化，之后再進行輸電線路結(jié)構(gòu)的承載力數(shù)據(jù)。如果當前輸電線路的承載力不滿足安全穩(wěn)定運行約束條件，則需要利用蟻群算法重新尋找線路截面組合方案，并在迭代計算過程中不斷更新尋找最優(yōu)解的路徑。當計算到滿足算法的收斂條件時，將輸電線路的結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化計算結(jié)果輸出，程序計算結(jié)束，從而得出了輸電線路的截面組合優(yōu)化技術(shù)方案。

圖2 輸電線路桁架結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化加固計算流程圖

3.2 輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

通過采用本文所分析的輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固計算，可以準確反映并辨識出在不同天氣條件下，輸電線路中具體的薄弱環(huán)節(jié)，從而以最低的成本提高輸電線路的安全運行能力，防止輸電設(shè)備因天氣原因而受到損壞。通過對輸電塔加固前后的有限元進行對比分析，并開展塔身縮尺模型加固前后的力學試驗對比，可以確定出最終的輸電線路加固方案。同時，采用該技術(shù)也可以提高供電可靠性，降低電力系統(tǒng)的停電風險和停電經(jīng)濟損失，從而提高電力用戶的用電滿意度。此外，由于輸電線路運行更為堅強，故輸電設(shè)備的使用壽命也相對更長，也更能夠防止輸電線路發(fā)生人身傷亡等安全事故。

將本文所分析的輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)應(yīng)用到華中某省電網(wǎng)輸電線路中，通過對不同風險等級下的典型塔進行有限元的靜力分析和模態(tài)分析，尋找輸電線路中的薄弱部分。并且進行輸電塔加固前后的有限元對比分析，以及塔身縮尺模型加固前后的力學試驗對比，結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)輸電線路經(jīng)過優(yōu)化加固之后，輸電線路在多種氣候條件下，各個運行指標依然處于合格范圍內(nèi)。對輸電線路薄弱環(huán)節(jié)采取加固補強措施，可在追加投入少的情況下顯著提高在運輸電線路的承載能力，避免因不同天氣以及傳統(tǒng)設(shè)計不足引發(fā)的輸電塔壓彎、網(wǎng)絡(luò)閃絡(luò)、污閃、接地短路，甚至輸電線路壓垮等問題，提高輸電線路應(yīng)對惡劣天氣的能力，確保電網(wǎng)運行的安全和穩(wěn)定。

4 結(jié)語

對輸電線路采取加固措施，可以提高輸電線路的抗風險抵御能力。本文首先分析了輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)的應(yīng)用背景，之后闡述了具體的輸電線路薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)原理。通過采用該薄弱點辨識及其優(yōu)化加固技術(shù)，可以提升輸電塔的抗災(zāi)水平，保證輸電線路的可靠運行。