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大风覆冰条件下输电杆塔可靠性模型的研究

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第17卷20l0年第3期5月安全与环境工程SafetyandEnvironmentalEngineeringV01.17NO.32010Mav大风覆冰条件下输电杆塔可靠性模型的研究李致宇(武汉大学测绘学院,武汉430079)摘要:大风及冻雨天气严重影响电力系统的安全运行,由此引发的线路覆冰现象会加重导线与输电杆塔的外力负荷,导致线路舞动甚至塔架垮塌。本文分析对比了若干有关输电塔架安全性与可靠度的研究成果.结合可靠性理论,提出了一种考虑大风与覆冰因素影响的塔架功能函数,并建立了输电杆塔的可靠性分析模型,选用基于一次二阶矩的映射变化法解算其可靠性指标,以为电力系统的安全分析和风险评估提供理论依据。关键词:输电杆塔;大风覆冰;功能函数;可靠性中图分类号:X93;TM75文献标识码:A文章编号:1671—1556(2010)03—0059—05StudyontheReliabilityModelofTransmissionTowerImpactedbyWindandIceLIZhi—yu(SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China)Abstract:Ourpowersystemisthreatenedbytheextremelybadweatherlikestrongwindandicerain.Theicewrappedaroundthefrozenelectricalcableaggravatesextraloadtotheconductors,andthiscouldresultinwirewavingandtransmissiontowercollapse.Thispapercomparessomeconclusionsofseveralrelatedtheses,andpresentsonaperformancefunctionconsideringthetwosimultaneousfactors,windandice,basedanthereliabilitytheory.Afteranalysisoftheperformancefunction,theFORMprocedurewasusedtocalculatethereliabilityindex,Keywords:transmissiontower;windandice;performancefunction;reliability电塔结构功能函数,并建立输电杆塔的可靠度分析O引言在对电力系统进行安全分析和风险评估时,恶模型,以为电力系统的可靠性分析和风险评估提供理论依据。劣天气的影响是不容忽视的,特别是大风及冻雨往往会使线路产生覆冰。覆冰会增加线路的迎风面积和外力负荷,轻则线路摆动,重则塔架垮塌,造成输电中断,甚至会造成人员伤亡的惨剧发生。如2008年初我国南方突遭冰灾侵袭,lo多个省的电力供应局部中断,严重破坏了电力系统的正常运转,带来了巨大的经济损失。笔者基于可靠性原理,对比分析了国内外若干针对大风、覆冰条件下输电杆塔可靠性理论的研究成果,尝试提出了一种考虑大风与覆冰因素影响的1结构可靠性理论1.1结构的可靠性指标与可靠度结构的可靠性是针对结构功能而言的。结构的功能包括负荷能力、适用性能、耐久性能等指标【1]。一个结构的功能极限状态可用其功能函数等于零予以表达:Z一厂(X)=O(1)式中:x=[X,,X。,…,x。]1’为随机向量。结构的可靠度就是结构处于正常运行状态的概收稿日期:2009—11—03修回日期:2009—12—10作者简介:李致宇(1985一),男。硕士研究生,主要研究方向为地学分析在安全应急领域的应用。E‘mail:greatlzy@sina.corn万方数据60安全与环境工程第17卷率,即PR=P(Z>0)(2)当满足如下条件时:①随机变量X・,Xz,…,墨均服从正态分布;②随机变量X,,Xz,…,X。相互;③Z一,(X)为线性函数。结构的可靠性指标可表示为[13(3)式中:∥。为随机变量Z的期望值;屹为随机变量Z的标准差。根据结构可靠性指标口,则结构的可靠度与结构失效概率分别为PR。P(Z>0)一西(p)(4)Pv2P(Z<O)一西(一D(5)1.2结构可靠性指标的计算方法如上所述,对于满足上述3个条件的结构功能函数,可以按照公式(3)计算结构可靠性指标口。但实际情况中为线性函数的要求很难满足,所以要对功能函数z在某点X=Ix。,z。,…,z。]T进行泰勒展开并省略二次及更高次项,再计算结构可靠性指标J9。根据选取的展开点不同,一次二阶矩法可分为均值法和设计验算点法。均值法选取均值点z=匝。,,P屯,…,户‘]T作为展开点,也称中心点法,但由于均值点往往不在极限状态面上,且对于意义相同但表现形式不同的功能函数会得到不同的可靠性指标,所以误差较大[23;设计验算点法选取位于极限状态面上的点z。=[zf,z;,…,z:]T作为展开点,很好地解决了均值法存在的问题,所以也称改进一次二阶矩法。随机变量为非正态分布的情况是经常遇到的,如结构的截面抗力一般服从对数正态分布,风速、风压和雪载等服从极限I型分布(也称Gumbel分布)[11。对于由诸如此类非正态随机变量组成的结本文的研究对象为大风和覆冰条件下电塔的可设,27。2[z?,z;,…,z:]T满足功能极限状态万方数据万程Z2/(z’)。0,即X’征敬限状态回上。将么在X。泰勒展开并省略二次及更高次项,则有磊叫z。)+;耋『甏l州(x,叫)](6)此时ZL是由相互的正态随机变量X。,Xz,…,X。线性组合而成,所以Z。的均值与方差分别为旷m计喜[爰b(旷刺](7)噍2i耋(爰l㈣x;=Caxi)2利用构建状态极限方程Z。=0,并以标准化变量yi一!竺二垒2代换x,并拆分,有(9)式两边同除O'Zk,利用式(7)和式(8),并根据十攀塑一。㈣,。店c甏k?叫2定义Xr的灵敏度系数口x.如下:%气。8铲藤"D惹Z蒂ax;)z一爰L.盯_a×I。一.-。“‘Q。x;:。?为极限状态函数z对其第i个变量式(11)则可写成(12)f=1cosOy.Yf--8=0式(12)可理解为标准正态随机变量y空间的y,28cos@(13)在X空间中z’=Ex;,z≠,…,z:]T为Xi*2px:+pxcosOx(14)此时z,与卢共行+1个未知数,方程只有,z驴m计量矧州‰r叫’]+㈣;耋(爰k掣t)2。公式(3),计算功能函数磊的可靠性指标卢为构功能函数,在利用改进一次二阶矩法求解可靠性指标口时,要将非正态随机变量当量正态化或变换为正态随机变量。这些方法与改进一次二阶矩法结合,就形成了JC法、映射变换法和实用分析法等。对于相关随机变量不的情况,可用正交变换法或广义随机空间理论解决。靠性的计算方法,其结构功能函数多为含有非正态随机变量的非线性形式‘“。针对这一特点,下面将重点阐述改进一次二阶矩法和映射变换法。1.2.1改进一次二阶矩法式中:爰lXi求偏导后并带人Xi。计算后所得的系数;%为随法线式平面方程,原点O到极限状态面上点Y。是长度为卢的法线,方向余弦为cosOv二[2l。可靠性指标卢是原点到极限状态面的最短距离,此时极限状态面上的点y。(X空间中该点为z’)称为设计验算点。验算点Y。一Ey;,y≠,…,y:]T的坐标为个。所以采用迭代法求解,迭代计算步骤如下:①给yOsoc1(第3期李致宇:大风覆冰条件下输电杆塔可靠性模型的研究定初始验算点(z。)“’,可取(卫。)“’=,ux(i=0);②利用(11)式计算X;的灵敏度系数ax(即方向余弦cosox.);③利用(7)式和(8)式,结合(3)式计算可靠性指标口;④利用(14)式计算新的z。;⑤以新的z。进行下一次迭代(z’)“+1’=z。,重复第②至第④步骤直至满足两次JIz。l|之差小于允许的e;⑥输出最终的验算点X’与可靠性指标口。得到可靠性指标卢后可利用公式(4)、(5)计算结构可靠度R和失效概率P,。1.2.2映射变换法映射变换法针对随机变量为非正态的情况,进一步完善了一次二阶矩法,其计算量与国际结构安全度联合委员会推荐的JC法相当,但数学理论上更加完整[1]。功能函数Z=厂(X)含有非正态随机变量X;,直接利用标准正态随机变量y做映射变换,则有E(X)一西(Y;)(15)x;一F71嘧(y;)](16)Yf一町1EF(Xi)](17)那么原功能函数Z=厂(X)转化为Z—f(F-1[①(y)])(18)功能函数的自变量由非正态X映射为标准正态y,映射后的功能函数记为G(y)。注意标准正态随机变量y;的前两阶矩分别为0和1,则相应地改造迭代公式(11),则有一a_qq}.=—:============:_=兰型尘垒一-"""iJ()9)‘店c簧L?训2其中求偏导因子为OG—afaXi(20)aYfaXiayi迭代过程的其他步骤和计算公式与1.2.1节所述相同。2电塔结构功能函数模型及可靠性指标计算电力网中对输电线路起到支撑与连接作用的设备大致分为输电塔架与电杆两种。其中塔架主要用于远程高压输电,大型塔架高度可达50ITl以上,一侧连接导线平均长度约为400~5001Tl,承载电压多为220kV、500kV中高压,甚至800kV、1000kV特高压,布设环境远离市区;电杆主要用于近距离输电,杆高i0ITl左右,连接导线长度数十米,往往布万方数据设在城市中与最终用户的变压器相连。下面以输电塔架中使用最多的干字形塔架为例,研究大风及线路覆冰对于塔架结构功能的影响。2.1电塔功能函数模型电塔结构功能函数模型一般形式为[1]G(z)一C(z。,d,)一D(zd,dd)(21)即为承载能力C和实际荷载D的差值。其中z。和z。表示所有随机变量和不确定性因素,d。和d一表示所有确定变量。G(z)=0就是式(1)所述的结构的极限状态方程。对于干字形输电塔架,R.O.FoschiE如曾提出以承载能力、风速、覆冰厚度为相互随机变量的结构功能函数,即G(R,口,i)一R一[K∞_rT(口,i)S+口v(V(i)+D)S・p+d+KrCsaPP(u)](22)式中:R为塔架承载能力随机变量(kN),服从对数正态分布;口为风速随机变量(m/s),服从极限I型分布;i为覆冰厚度随机变量(ram),服从极限I型分布;Kc为高度、地形、风偏角对导线载荷的修正系数;口r为单位横向荷载系数;丁(7./,i)为单位长度导线因风速和覆冰产生的横向荷载(kN/m);S为水平档距(m);ay为单位纵向载荷系数;V(i)为单位长度导线因覆冰产生的竖向荷载(kN/m);D为单位长度导线产生的静荷载(kN/m);p为重量跨度与风跨度的比值;d为由构件产生的静荷载(kN);Kr为高度、地形、风偏角对塔架载荷修正系数;Cs为塔架形状、防护效果修正系数;卿为单位风压在塔架竖直投影面上产生的荷载(kN/m2);P(u)为风速可下的理论风压(kN/m2)。在R.0.Foschi的研究基础上,文献[4]给出了T(t,,i)的具体形式:_t2丁(u,i)=七(dc+2i)a杀g(23)上U式中:u为风速(m/s);i为覆冰厚度(ram);dc为导线直径(cm);k为风载体型系数;口为风速不均匀系数;g为重力加速度(m/s2)。但文献[4]既未将覆冰厚度i作为随机变量看待,也未将其作为普通变量看待,而是设覆冰厚度i=0,忽略了覆冰因素,相应的结构功能函数G(R,t,)仅考虑了塔架承载能力与风速的统计性质,且认为结构承载能力R与风速u服从正态分布,而不是R.0。Foschi提出的对数正态分布与极限I型分布[3]。这样的简化处理可以利用最简单的均值一次二阶矩计算结构的可靠性指标口,但如上所述,均值一次二阶矩法在计算精度上有时不能满足要求,62安全与环境工程第17卷文献[2]中指出均值一次二阶矩法对结构可靠性指标口在1至2时的计算结果比较适用;再者,如将随机变量统一认为是服从正态分布,也与实际情况有差异,对计算结果的准确性无疑会产生一定影响。为此,将综合考虑R.0.Foschi与文献[4]的研究成果,并结合大风与覆冰的简单模型对塔架的结构功能函数进行扩充。2.2考虑覆冰因素的塔架功能函数模型i之间的简单关系模型[s],即i≈鬲‰・[P2+(o.2412∥4s)2]l/2刘和云等[5]提出了瞬时风速u与线路覆冰厚度(24)式中:P为单位时间降水量(mm/h);口为瞬时风速(m/s);N为冻雨时长(h);d为冷却水滴直径(肛m)。上式表示在冻雨过程中,由于风的作用使降水逐渐结为线路覆冰,最终覆冰厚度积累到i。近似计算时利用研究地点的平均冻雨降水率和时长,以极大风速统计数据作为风速随机变量,简化式(24)为覆冰厚度i关于风速口的函数,利用i与口的关系,进而将由覆冰i对原塔架功能函数的影响因子用风速口的函数表示。即改写功能函数的形式如下:G(R,口)=R一[K凹rT7(口)S+口v(y7(口)+D)・Sp+d+KrCsaPP(u)](25)式中:R为塔架承载能力随机变量(kN),服从对数正态分布;口为风速随机变量(m/s),服从极限I型分布;T7(可)与V7(u)分别为利用式(24)和当地冻雨气象参数改写R.O.Foschi模型中T(v,i)和V(i)的相应结果,单位均为kN/m;其他参数意义同式(22)。2.3电塔可靠性指标的计算上述构建的塔架功能函数涉及两个随机变量,服从对数正态分布的R和服从极限I型分布的口。根据第1.2.1节所述,利用在改进一次二阶矩法(设计验算点法)基础上扩展的映射变换法,既可以很好地处理功能函数非线性问题,也兼顾了随机变量非正态的情况。在利用映射变换法进行计算时,针对功能函数中非正态随机变量的具体分布分别予以如下处理:(1)R服从对数正态分布,并已知均值和方差分别为E(R)和D(R)。根据对数正态随机变量的性质,则lnR服从正态分布。将R映射为标准正态随机变量y的函数。引,即万方数据R=exp(p(1nR)+Y矗(1nR))(26)式中:卢c㈤为InR的期望值;仃(㈣为InR的标准差。卢c雌,和鳓氓,的计算式分别为…乩c杀舞,∽,盯(I根)= ̄/ln(1十D(R))(28)对应式(20)中求偏导,第二个因式为孤8R=R刚哟(29)(2)7./服从极限I型分布,并已知均值和方差分别为E(口)和D(u)。将口映射为标准正态随机变量z的函数‘引,有口一U一!翌{二!旦匦兰业口2一—— ̄_———=————‘(30)L3UJ其中:“一E(u)--0.45棚灭万(31)口一罢.—兰(32)46CD(u)对应式(20)中求偏导,第二个因式为8z垫一—』二竺鱼)_订acP(z)ln[qb(z)](33)…~则原结构功能函数G(R,础)可简化为G7(y,2)=exp(p(1氓)+%(I删)一f(u一!翌{二!翌[虫堕31)可以根据第1.2.2节所述的利用映射变换法迭可靠度和失效概率。例利用文献[73中关于我国某城市平均风速极大m/s的极限I型分布,干字形m,结构承载能力R服从均值为750kN、kN的对数正态分布[3],采用映射变m、400m、500m表1年度输电塔架失效概率TablelYearlyfailureprobabilityoftransmissiontower式中:厂(u)表示原功能函数关于风速口的函数部分;G7(y,2)为服从标准正态分布且相互的随机变量y和z的函数;其他符号意义同前。代计算可靠性指标p,进而利用公式(4)和(5)计算3算值的统计结果,如月极大风速口服从均值为26.317m/s、标准差为2.926塔架高40换法进行试算。表1为档距在300标准差为0.1第3期李致宇:大风覆冰条件下输电杆塔可靠性模型的研究63的,且各个影响因素及其相互之间统计性质的准确0.00250.0020度直接依赖于观测资料收集的详实程度。当一个结构功能函数确定后,需要根据其特点选取适当的可靠性计算方法进行处理,才能保证分析结果满足所需精度要求。(2)通过分析比较几种输电杆塔功能函数的研1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月月份鍪o.ool絮0.001抵0.000505O究成果,提出了一种考虑大风和覆冰因素的杆塔功能函数模型,并根据功能函数特点并结合可靠性指标计算理论选取适当方法进行了试算,其结果可为电力系统安全分析和风险评估提供依据。参考文献:图1各月塔架失效概率Fig.1Monthlyfailureprobabilityoftransmissiontower时,全年发生因大风和覆冰导致塔架失效的概率,图1为400m档距下各月发生因大风和覆冰导致塔架发生失效的概率。表1反映出随着塔架档距的增加,即塔架所连接导线长度越长,失效概率越大;图1直观地反映出12月至次年2月因大风和覆冰造成的塔架失效率偏高,这也正是大风寒潮与冻雨经常发生的月份。[1]赵国藩,金伟良,贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000:z2—52.[2]张明.结构可靠度分析:方法与程序[M].北京:科学出版社,2009:30—45.[3]Fosehi,R.0.Reliabilitytheoryandofpowercomponentsandapplicationstoriskanalysissystems[J].InternationalJournalofElectricalPoTwer&EnergySystems.2004,26(4):249--256.[4]黄超.典型城市生命线系统风险评估方法研究[R].北京:清华大学,硕士学位论文,2009.4结论[5]刘和云,周迪.导线雨淞覆冰预测简单模型研究[刀.中国电机工程学报,2001,21(4)t18—22.[6]李云贯,赵国藩.广义随机空间内的一次可靠度分析方法[刀.大(1)功能函数可以准确地描述一个结构的功能运行状态,对于一个复杂结构安全可靠度的研究,若要考虑所有影响结构安全的因素,通常是比较困难连理工大学学报,1993,33(增刊1)。1—5.[7]胡章文,陈国华,李其明.暴风雪下塔设备应力分布参数的确定[门.压力容器,2009,26(1):3Z~34.(上接第58页)[43国家环境保护总局.地表水环境质量评价技术规范[s].[5]胡远志.关乎生命的水,到底该不该一票定优劣[EB/OL].(2009—07-27).http://info.water.he1332140047.html.360.corn/20090727/OL].(2009-06—19).http;//www.ce.en/eysc/sp/info/20090619/19289168.html.[11]周倩倩.农夫山泉开始攻造大势千岛湖寻源只是一场秀?[EB/OL].(2009—07-29).http://tv315.zj01.corn.cn/play.aspx?pid=2070bdd2—5bae.4482一agdf-a7cdb27e86ee&type一3.[63李玉英,胡兰群,贾红霞。等.南水北调中线工程水源区粪大肠菌群和异养细菌丰度与分布[刀.南阳师范学院学报,2006,5(3):53—56.[12]崔保山,杨志峰.湿地学[M].北京;北京师范大学出版社,2006.[13]陈永根,李香华,胡志新,等.中国湖泊冬季水一气界面C02通量[J].生态环境。2006,15(4):665—669.[14]尹海龙,徐租信.我国单因子水质评价方法改进探讨[J].净水技术,2008,27(2);1—3.通讯作者:罗岳平(1971一),男,高级工程师,主要从事环境监测管理与环境质量综合评价工作。E-mail:shaneunyelao@tonLoDnl[73邹志勇,黄颖媛.简析漓江地表水粪大肠菌群状况及综合整治[J].农业环境与发展,2007,24(1):78—79.[8]林美爱.闽江流域福州段粪大肠菌群分布的初步研究[J].海峡科学,2008,(9):59—60.[93中华人民共和国环境保护部.2007年中国环境质量报告[M].北京:中国环境科学出版社,2008.[10]商蕾.千岛湖水质惹争议千岛湖的水到底有没有问题?[EB/万方数据

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