浅析复杂气象下输电线路薄弱点辨识及其优化加固

2022-06-15陈曦程旭萌曾锋刘兴能

中国设备工程 2022年11期

陈曦，程旭萌，曾锋，刘兴能

（广西电网有限责任公司防城港供电局，广西防城港 538001）

在目前实际所运行的输电线路中，很大比例都是根据以前颁布的输电线路设计导则进行施工建设的，但以前采用的很多旧设计导则现如今已经废止。同时在以往的输电线路设计中，对各种复杂的气象条件也没有考虑充分，包括风、覆冰、雪、雨等，导致后续输电线路在实际运行中遇到问题。输电线路在这些复杂气象条件下运行，都会增加输电线路所承受的载荷，故在现有输电线路中出现过因大风而导致输电线路铁塔倒塔；或者是因覆冰导致铁塔倒塔等事故。这些实际输电线路事故表明按照以往的设计规范所设计的线路存在着较大的安全运行风险，降低输电线路的运行安全水平，存在着薄弱环节，需要对输电线路中的薄弱环节进行辨识。同时针对这些薄弱环节采取有针对性的加固补强技术措施，以提高输电线路在各种复杂气象条件下的安全稳定运行水平，为此本文详细分析了复杂气象下输电线路薄弱点辨识及其优化加固技术。

1 输电线路薄弱点辨识及其优化加固技术的应用背景

经过对当前输电线路运行数据的统计分析，发现对输电线路危害较大的影响因素为冰雪天气，在冰雪天气下输电线路发生事故的次数最多。冰雪条件下对输电线路的危害主要表现为以下几点：

（1）当输电线路上发生覆冰情况时，覆积厚度会越来越厚，给输电线路增加了较大的载荷，运行压力不断提高。当厚度达到一定程度时，最终超过输电线路所能够承受的最大载荷，导致出现输电线路铁塔倒塔或者是杆塔被压弯等情况。同时，由于在输电线路上附着了较厚的冰块，故当输电线路还受到大风吹的影响时，更容易导致输电线路出现倒塔，或者是输电线路发生严重的摇晃现象。

（2）输电线路在冰雪条件下会容易发生污损情况，为了避免输电线路出现闪络的情况，需要加强对输电线路中污秽的定期清理，并且对覆冰厚度加以控制，才能够避免覆冰对输电线路运行造成的影响。

（3）在冰雪条件下输电线路容易发生接地短路事故。当覆冰厚度较高时，此时输电线路的整体重量也会得到明显增加，如果线路出现了断线则造成接地短路事故。

（4）输电线路压垮问题，当输电线路某个部位的覆冰情况较为严重时，此时会导致输电线路在耐张端出现张力不平衡的情况，此时输电线路中的耐张杆塔就容易发现向一侧倾倒的事故，进而发展为整条输电线路倒塌的事故。为了应对冰雪天气对输电线路安全运行所造成的影响，本文介绍了输电线路薄弱点辨识及优化加固技术，以下进行详细的分析和介绍。

2 输电铁塔典型塔薄弱环节辨识及其优化加固技术分析

输电线路在运行过程中，一旦发生事故，则情况往往较为严重，还可能会造成人身伤亡，故对输电线路典型塔中所存在的薄弱环节应可靠计算并辨识出来，及时发现输电线路中的缺陷，并加以治理，从而提高输电线路的稳定运行能力。在输电线路薄弱点辨识及优化加固技术中，需要根据复杂气象对输电线路运行所造成的影响，并且通过风险评价技术，确定好在各类复杂气象下输电线路的风险等级。之后再根据所评估出来的输电线路风险等级，选择出容易发生安全事故的典型输电线路铁塔或者是杆塔，并对该典型塔进行优化加固补强，以提高输电线路应对各类恶劣天气条件的能力。

2.1 输电线路薄弱点辨识及其优化加固技术的应用步骤

输电线路薄弱点辨识及其优化加固技术在实际的应用中，需要严格按照步骤来进行评估分析，保证分析结果的准确性。首先，第一步是明确输电线路在各类不同天气条件下的风险等级，完成输电线路的风险评价工作。第二步是采用有限元分析软件ANSYS建立好输电线路的具体结构模型，可以采用多种不同的建模方式，之后再接着计算输电线路的静动力特性。第三步是将输电线路在加固前后的力学试验结果进行对比分析。第四步是针对各种不同的输电线路建模方式，计算各种结果，分析建模方式对薄弱点辨识结果的影响，从而进一步提出合适的优化加固补强技术方案，并作为最终的加固技术方案，图1为输电线路薄弱点辨识及其优化加固的应用流程图。

图1 输电线路薄弱点辨识及其优化加固的应用流程图

2.2 输电线路薄弱点辨识及其优化加固的应用技术要点

在计算完输电线路的静动力特性之后，就可以找到输电线路杆塔中最为薄弱的部位，并据此提出加固技术措施。其中在输电线路风险评价中，需要分析的气象条件应涵盖台风、雨雪、覆冰、雷电、冰雹以及低温等多种场景。在风险评价算法选择上，可以选用灰色模糊理论来加以综合评估。对于输电塔的结构模型，输电塔有限元模型的准确构建是顺利进行输电塔结构分析的基础，可以采用建立输电线路典型塔的空间桁架模型。这种建模方式和空间刚架模型以及混合有限元模型相比，对薄弱点的辨识结果更为准确，也更为实用。

3 基于蚁群算法的输电塔的优化加固技术

3.1 输电线路典型塔的优化加固

对输电线路典型塔的优化加固，包括对输电线路桁架结构的截面进行优化加固、拓扑结构进行优化加固、以及桁架结构的形状进行优化加固等。以桁架结构的截面进行优化加固为例进行分析，其属于组合优化技术范畴，即从各类输电线路截面组合方案中，需要最佳的截面组成方案。当输电线路较长，涉及到的优化变量数较多时，此时截面的组合数也快速增长，属于大规模的组合优化问题。为此可以利用蚁群算法来处理这类大规模优化问题，该算法能够很好地处理众多的优化变量和规模较大的可行解数量，其优化加固的流程图如图2所示。

从图2输电线路桁架结构的截面优化加固计算流程图中可以看出，首先将输电线路结构模型中的相关变量进行初始化，之后再进行输电线路结构的承载力数据。如果当前输电线路的承载力不满足安全稳定运行约束条件，则需要利用蚁群算法重新寻找线路截面组合方案，并在迭代计算过程中不断更新寻找最优解的路径。当计算到满足算法的收敛条件时，将输电线路的结构截面优化计算结果输出，程序计算结束，从而得出了输电线路的截面组合优化技术方案。

图2 输电线路桁架结构的截面优化加固计算流程图

3.2 输电线路薄弱点辨识及其优化加固技术的应用优势

通过采用本文所分析的输电线路薄弱点辨识及其优化加固计算，可以准确反映并辨识出在不同天气条件下，输电线路中具体的薄弱环节，从而以最低的成本提高输电线路的安全运行能力，防止输电设备因天气原因而受到损坏。通过对输电塔加固前后的有限元进行对比分析，并开展塔身缩尺模型加固前后的力学试验对比，可以确定出最终的输电线路加固方案。同时，采用该技术也可以提高供电可靠性，降低电力系统的停电风险和停电经济损失，从而提高电力用户的用电满意度。此外，由于输电线路运行更为坚强，故输电设备的使用寿命也相对更长，也更能够防止输电线路发生人身伤亡等安全事故。

将本文所分析的输电线路薄弱点辨识及其优化加固技术应用到华中某省电网输电线路中，通过对不同风险等级下的典型塔进行有限元的静力分析和模态分析，寻找输电线路中的薄弱部分。并且进行输电塔加固前后的有限元对比分析，以及塔身缩尺模型加固前后的力学试验对比，结构发现输电线路经过优化加固之后，输电线路在多种气候条件下，各个运行指标依然处于合格范围内。对输电线路薄弱环节采取加固补强措施，可在追加投入少的情况下显著提高在运输电线路的承载能力，避免因不同天气以及传统设计不足引发的输电塔压弯、网络闪络、污闪、接地短路，甚至输电线路压垮等问题，提高输电线路应对恶劣天气的能力，确保电网运行的安全和稳定。