基于蒙特卡洛绝缘子串非线性风偏可靠度计算方法与流程

本发明涉及输电线路领域，具体的说是一种基于蒙特卡洛方法的绝缘子串非线性风偏可靠度计算方法。
背景技术：
：在风荷载作用下，架空输电线路的绝缘子串及其悬挂的输电导线将产生不同周期的风偏摇摆。在摇摆过程中，如果带电体部分与杆塔之间的距离小于容许的电气间隙，则在输电线与杆塔之间将发生放电现象，即发生风偏闪络事故。绝缘子串风偏闪络会严重威胁电网系统的正常运行，并造成巨大的经济损失和社会影响。国内架空高压输电线路的风偏角计算中，通常将绝缘子串简化为刚性杆或弦多边形，在设计平均风速下采用静力学方法计算绝缘子串的风偏角。工程实际中也都沿用这两种方法，并据此对风偏事故的原因进行分析。对此，已有专家和学者对我国的设计规程中风偏角的计算不考虑风荷载动力效应提出了置疑。因此，人们开始使用有限元法模拟研究了在随机脉动风作用下绝缘子串的动态风偏响应。此后，国内外许多学者都在利用有限元软件建立绝缘子串－导线耦合的多体模型，并通过谐波叠加法模拟出考虑了脉动风空间相关性以及风速沿高度变化的随机脉动风场，最后分析出了不同档距、高差、设计风速等参数变化的情况下的风偏响应。然而有限元模型建立复杂，对于相邻杆塔与计算杆塔之间高差较小的情况，若采用有限元建立模型，过程繁琐，并且对于输电线路，每相邻杆塔的结构都不相同，若均采用有限元建立模型浪费时间，工作人员工作效率低，故有必要提出一种简单的方法，来计算当相邻杆塔与计算杆塔之间高差较小时，绝缘子串非线性风偏可靠度。技术实现要素：针对上述问题，本发明提供了一种基于蒙特卡洛方法的绝缘子串非线性风偏可靠度计算方法，该方法考虑风荷载动力效应，采用刚性直棒法对风偏角度值进行计算，进而确定绝缘子串风偏可靠度。为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：一种基于蒙特卡洛绝缘子串非线性风偏可靠度计算方法，其关键在于按照以下步骤进行：s1：设定输电线路研究对象，根据绝缘子串所受的风荷载、重力荷载、导线的重力荷载、导线所受的风荷载，采用刚性直棒法计算绝缘子串的风偏角度值；s2：根据架空输电线路规范，建立杆塔与绝缘子串连接结构，并选定该连接结构涉及的随机变量，根据随机变量确定与随机变量对应的分布函数；s3：根据步骤s2搭建连接结构和随机变量，建立与连接机构对应的几何关系；s4：根据步骤s3的几何关系和步骤s1的风偏角度值，建立带随机变量的绝缘子串风偏失效功能函数；s5：根据随机变量、随机变量的分布函数以及绝缘子串风偏失效功能函数，使用蒙塔卡洛方法计算绝缘子串风偏可靠度。通过上述设计，当相邻杆塔与计算杆塔之间高差较小时，采用刚性直棒法对风偏角度值进行计算，考虑绝缘子串所受的风荷载、重力荷载、导线的重力荷载、导线所受的风荷载等影响因素，并结合蒙塔卡洛方法，计算绝缘子串风偏可靠度，可靠性好，计算过程简单，能满足现有技术的要求。进一步的，步骤s1的内容为：根据绝缘子串所受的风荷载、重力荷载、导线的重力荷载、导线所受的风荷载，计算绝缘子串的风偏角度值公式为：公式(1)中：gh是绝缘子串所受风荷载：gh＝w0μza1；gv是绝缘子串的重力荷载：gv＝p2l；wv是导线的重力荷载：wh是导线所受的风荷载：wh＝αw0μzμscβcdlpsin2θ；其中，α为风压不均匀系数；w0为基本风压标准值；μz为风压高度变化系数；μsc为导线体型系数；βc为风荷载调整系数；d为导线的外径；lp是荷载节点所代表的导线跨度；p1、p2分别为导线和绝缘子串单位长度上的重力荷载；l1、l2分别为杆塔两侧的左右档距；h1、h2、分别为杆塔两侧导线挂点相对中间挂点的左右高差；t为导线张力；a1为绝缘子串承受风压的面积；l为绝缘子串长度。采用上述方案，通过用刚性直棒法，计算风偏角，考虑了风荷载动力效应。计算中取风压不均匀系数α等于1.0。其他所有参数的取值完全按照gb50545-2010《110kv-750kv架空输电线路设计规范》的规定取值。再进一步描述，所述随机变量变量包括：风速、导线自重、绝缘子串长度、档距、绝缘子串自重、空气间隙圆半径、导线张力、相邻杆塔与计算杆塔之间高差、导线外径、绝缘子串外径。其中，随机变量的分布函数和参数见表1。由于风速的统计分布差异性较大，本文从中国气象资料共享网站中下载了计算输电线路所在地区近50年来的年最大风速资料，并按照gb50009-2012《建筑结构荷载规范》和gb50545-2010《110kv-750kv架空输电线路设计规范》的规定计算了风速的统计参数。由于计算输电线路的高差很小，导线张力对风偏角的影响很小，于是假定张力和高差均为定值。表1设计随机变量的统计参数设计随机变量均值变异系数分布类型风速v(m/s2)23.6350.205极值ⅰ型导线自重p1(n/m)10.8050.07正态绝缘子串长度l(m)6.8320.05正态档距lp(m)5500.05正态绝缘子串自重p2(n/m)1776.20.07正态空气间隙圆半径r(m)3.7-定值导线张力t(n)55393-定值高差(m)3.353-定值导线外径(mm)32.40.05正态绝缘子串外径(mm)3600.05正态再进一步描述，步骤s5使用蒙塔卡洛方法计算绝缘子串风偏可靠度的具体内容为：s51：对选定的随机变量进行编号，1，2，3…i；并确定每个随机变量的分布函数s52：采用乘同余法在matlab中生成n个在区间(0～1)内的均匀分布的随机数rij；s53：将随机数rij带入分布函数中，得到随机抽样值s54：将步骤s53得到的随机抽样值代入绝缘子串风偏失效功能函数z中，并统计，当z＜0时，绝缘子串风偏失效的个数n；s55：根据公式得到绝缘子串风偏失效概率pf；s56：通过公式β＝-φ-1(pf)计算绝缘子串风偏可靠度指标，其中：φ-1(·)代表标准正态分布的反函数，pf代表失效概率，β代表可靠度指标。本发明的有益效果：适用于相邻杆塔与计算杆塔之间高差较小的情况，采用刚性直棒法对风偏角度值进行计算，考虑绝缘子串所受的风荷载、重力荷载、导线的重力荷载、导线所受的风荷载等影响因素，并结合蒙塔卡洛方法，计算绝缘子串风偏可靠度，可靠性好，计算过程简单，能满足现有技术的要求。附图说明图1是本发明的方法流程图；图2是本发明的杆塔与悬垂绝缘子串示意图；图3是研究对象模拟示意图；图4是图3中1号挂点处的风速时程示意图；图5是模拟点湍流强度与b类地貌湍流强度对比示意图；图6是特征点处功率谱与目标功率谱对比示意图；图7是风速均值与风偏可靠度指标的关系曲线图；图8是导线自重均值与风偏可靠度指标的关系曲线图；图9是导线外径均值与风偏可靠度指标的关系曲线图；具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。通过图1可以看出，一种基于蒙特卡洛绝缘子串非线性风偏可靠度计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：s1：设定输电线路研究对象，根据绝缘子串所受的风荷载、重力荷载、导线的重力荷载、导线所受的风荷载，采用刚性直棒法计算绝缘子串的风偏角度值；其中，计算绝缘子串的风偏角度值公式为：在上述公式中：gh是绝缘子串所受风荷载：gh＝w0μza1；gv是绝缘子串的重力荷载：gv＝p2l；wv是导线的重力荷载：wh是导线所受的风荷载：wh＝αw0μzμscβcdlpsin2θ；其中，α为风压不均匀系数；w0为基本风压标准值；μz为风压高度变化系数；μsc为导线体型系数；βc为风荷载调整系数；d为导线的外径；lp是荷载节点所代表的导线跨度；p1、p2分别为导线和绝缘子串单位长度上的重力荷载；l1、l2分别为杆塔两侧的左右档距；h1、h2、分别为杆塔两侧导线挂点相对中间挂点的左右高差；t为导线张力；a1为绝缘子串承受风压的面积；l为绝缘子串长度。s2：根据架空输电线路规范，建立杆塔与绝缘子串连接结构，并选定该连接结构涉及的随机变量，根据随机变量确定与随机变量对应的分布函数；所述随机变量变量包括：风速、导线自重、绝缘子串长度、档距、绝缘子串自重、空气间隙圆半径、导线张力、相邻杆塔与计算杆塔之间高差、导线外径、绝缘子串外径。s3：根据步骤s2搭建连接结构和随机变量，建立与连接机构对应的几何关系；在本实施例中，以杆塔形式为例进行说明，具体见图2。s4：根据步骤s3的几何关系和步骤s1的风偏角度值，建立带随机变量的绝缘子串风偏失效功能函数；b代表横担长度；l代表绝缘子串长度；r代表空气间隙圆半径；α代表横担与塔身间倾斜的角度,本文中的杆塔α为115°；代表风偏角度。其中，绝缘子串风偏失效功能函数中的随机变量的统计参数取值见表1。由于本方案中计算输电线路的高差很小，导线张力对风偏角的影响很小，于是假定张力和高差均为定值。s5：根据随机变量、随机变量的分布函数以及绝缘子串风偏失效功能函数，使用蒙塔卡洛方法计算绝缘子串风偏可靠度。s51：对选定的随机变量进行编号，1，2，3…i；并确定每个随机变量的分布函数s52：采用乘同余法在matlab中生成n个在区间(0～1)内的均匀分布的随机数rij；s53：将随机数rij带入分布函数中，得到随机抽样值s54：将步骤s53得到的随机抽样值代入绝缘子串风偏失效功能函数z中，并统计，当z＜0时，绝缘子串风偏失效的个数n；s55：根据公式得到绝缘子串风偏失效概率pf；s56：通过公式β＝-φ-1(pf)计算绝缘子串风偏可靠度指标，其中：φ-1(·)代表标准正态分布的反函数，pf代表失效概率，β代表可靠度指标。通过上述方案，为了解释采用刚性直棒法计算风偏角的合理性。下面通过引入有限元模型，进行对比分析：在本实施例中，研究对象为：以某500kv的3跨线路为研究对象，共有2个耐张塔和2个直线塔，每段跨长550m，全长1650m，整跨内无转角。具体见图3。研究对象钢芯铝绞线物理参数见表2。耐张塔与直线塔上的绝缘子串的物理参数见表3。表2钢芯铝绞线物理参数计算截面积/mm2弹性系数/mpa线密度/(kg·km-1)初张力/kn62163000191755.4表3绝缘子串物理参数位置长度/m弹性系数/mpa质量/kg耐张塔8.330720001614直线塔6.832720001238脉动风的模拟：采用davenport谱su(f)：式中：x＝1200ω/u10，ω为圆频率，n为频率，k为与地貌相关的常数，假设计算的输电线路位于b类地貌中，取k＝0.005。u10为10m高度处的风速。由于输电线路沿导线方向尺度较大，因此本文中考虑了导线不同位置之间脉动风速的空间相关性，通过脉动风速的互功率谱密度函数来表示空间中i，j两点间脉动风速的相关程度，具体形式如下：式中为相位角，coh(ω)为davenport推荐的空间相关函数。利用谐波叠加法模拟脉动风场：模拟时程总长度为1024s，时间步长取0.25s，频率的截取范围取0.00rad/s-6.28rad/s，采样频率点数为4096。在导线上沿线路方向每隔10m选择一个风速模拟点，共生成166个随机风速点。在10m高度处的平均风速为30m/s时，模拟生成的研究对象中，1号挂点处风速时程曲线，具体风速时程曲线图见图4。为检验风速模拟的精确度，将模拟风场特征点的湍流强度和功率谱密度与目标风速谱进行比较如图5、图6所示。从图5、图6可以看出：风场湍流强度和风速的模拟值与理论值吻合度较高。在模拟了风速之后，利用下式计算风荷载时程，将其施加在数值模型上。式中：ρ为空气密度，标准值为1.2255kg/m3；d为导线等效迎风直径；l为节点长度；cd为阻力系数；uz和vz分别为高度z处的平均风速和脉动风速。导线的阻尼比取0.4％，而气动阻尼对导线的影响。基于上述研究对象，对刚性直棒法结果与有限元结果进行对比。表4中：1号挂点在不同标准风速下的风偏角时程统计值和按照刚性直棒法计算的风偏角数值。其中：代表刚性直棒法计算的风偏角数值；代表ansys计算得到的风偏角时程曲线的均值；代表ansys计算得到的风偏角时程曲线的最大值；δ代表刚性直棒法计算的风偏角数值与ansys计算得到的风偏角时程曲线最大值之间的相对误差。在表4中，在不同的标准风速下，在有限元模型计算中考虑了气动阻尼效应、多档线路模型两端的耐张塔对输电线路面外摆动产生的“拉扯”作用、各档线路间的相互耦合作用的前提条件下，刚性直棒法计算的风偏角结果也是在工程可以接受的误差范围内的。则刚性直棒法计算的风偏角结果是偏于安全的、合理的。绝缘子串风偏可靠度影响因素分析：根据gb50068-2001《建筑结构可靠度设计统一标准》对正常使用极限状态可靠度指标按可逆程度取0～1.5的规定，本文选取绝缘子串风偏目标可靠度指标为1.5进行校核。为了验算在不同的设计随机变量统计参数情况下，按照当前规范设计的杆塔，其风偏可靠度指标是否达到要求。首先假定杆塔的横担长度b为结构的未知参数，在已知表4中的其他参数情况下。按照以下步骤进行计算：1)根据表5中的设计随机变量确定每一个参数的标准值。其中风速的设计值根据gb50545-2010《110kv-750kv架空输电线路设计规范》规定：500kv的输电线路线路取重现期为50年的设计风速值。其他设计随机变量标准值根据gb50009-2012《建筑结构荷载规范》的规定进行取值。2)采用正常使用极限状态组合，将各个设计随机变量的标准值代入式中，来计算横担长度b。3)横担长度b确定后，用mc方法计算其对应的可靠度指标。4)改变某一个设计随机变量的统计参数值，再重复1)～3)步，可以得到风速均值与风偏可靠度指标的关系曲线，详见图7；导线自重均值与风偏可靠度指标的关系曲线，详见图8；导线外径均值与风偏可靠度指标的关系曲线，详见图9。从图7中可以看到随着风速均值的增大，按照现行规范设计的杆塔的风偏可靠度指标会不断降低。这意味着在风速均值较高的地区，按照目前规范方法对杆塔进行设计的时候，可能会出现其绝缘子串风偏可靠度指标低于目标可靠度指标的情况。而在风速均值较小的地区，按照现行规范方法对杆塔进行设计得到的绝缘子串风偏可靠度指标是完全满足目标可靠度指标要求的。从图7中可以看到随着导线自重均值的降低，按照现行规范设计的杆塔的风偏可靠度指标会不断降低。从图8中可以看到随着导线外径均值的增大，按照现行规范设计的杆塔，其绝缘子串风偏可靠度指标会不断降低。这意味着对于外径较大或者自重较小的导线，按照现行规范对杆塔进行设计的时候，可能会出现其绝缘子串风偏可靠度指标低于目标可靠度指标的情况。(1)在高差较小，风压不均匀系数取1.0的情况下，规范中刚性直棒法计算风偏角的结果误差是在可以接受的范围内的，可以认为规范中的刚性直棒法是合理的。(2)在风速均值较大的地区，由于绝缘子串风偏失效功能函数的非线性，按照现行规范方法设计的杆塔，其绝缘子串风偏可靠度指标可能会低于目标可靠度指标。因此建议在风速均值较大的地区，取大于50年重现期的、更高的设计风速值来提高其风偏可靠度指标。(3)在风速均值较小的地区，按照现行规范方法设计的杆塔，其绝缘子串风偏可靠度指标完全可以达到目标可靠度指标的要求，建议风偏计算中不用选取一个最小的设计风速值，而是直接选取当地的风速值。(4)在设计阶段使用自重较大、外径较小的导线会提高其绝缘子串风偏可靠度指标。应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本
技术领域：
的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改性、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。当前第1页12