采用概率處理法升級230KV的輸電線路系統(tǒng)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）譯文題目 采用概率處理法升級230kv的輸電線路系統(tǒng) 學(xué)生姓名 陳維微 學(xué)號 2010136173 專業(yè) 輸電線路 班級 20101974指導(dǎo)教師 評閱教師 完成日期 2014年1月17日采用概率處理法升級230kv的輸電線路系統(tǒng)asim haldar譯者：2010136173，陳維微摘要：本文提出了一種系統(tǒng)的方法，利用概率處理法對現(xiàn)有230千伏輸電線路系統(tǒng)進(jìn)行升級。該輸電線路系統(tǒng)位于半島，采用鋼管桿設(shè)計(jì)，線路末端有不同的變電站。線路系統(tǒng)延伸至一個(gè)以線路覆冰著稱的嚴(yán)寒區(qū)域。一個(gè)系統(tǒng)方法被用于評估線路的穩(wěn)定性。根據(jù)該方法得出的可靠分析，提供出一個(gè)描述線路故障率的 趨勢圖 。鑒于

2、已知的故障率，對30年間冰荷的原設(shè)計(jì)進(jìn)行了更新。為確保懸掛塔發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)線不會失效，導(dǎo)線的橫截面被設(shè)計(jì)成梯形還采用了超高強(qiáng)度的鋼芯。由于修正后的冰荷載設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的懸掛塔配有2個(gè)特殊的終端懸掛塔。 3個(gè)跨度的線路系統(tǒng)已經(jīng)在研究升級。最佳的升級方案選擇應(yīng)該考慮由彼得巴倫提出的導(dǎo)線經(jīng)濟(jì)性，另外跨度（導(dǎo)線張力）也是主要因素之一。但結(jié)果表明，將跨度（導(dǎo)線張力）作為升級現(xiàn)有線路系統(tǒng)的因素不僅不明智，損害成本，而且還要顧慮其他方面。方案還要確保懸掛塔其他部位不會因由于寒冷氣溫下導(dǎo)線張力的增加，而增加額外的應(yīng)力。關(guān)鍵詞：冰荷載，優(yōu)化，概率法升級，風(fēng)險(xiǎn)分析，強(qiáng)度協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，輸電線路。1.引言 紐芬蘭和拉布

3、拉多水電公司經(jīng)營著230kv等級的雙回平行輸電線路，線路系統(tǒng)在森尼賽德與圣約翰之間(圖1)。線路位于阿瓦隆半島，紐芬蘭的東部，這些地方有海洋區(qū)域氣候特點(diǎn)，并且線路還受幾乎所有來自跨越北美地區(qū)低壓電力系統(tǒng)的影響。此外，該地區(qū)還受沿著東部海岸的海上運(yùn)輸影響。圖2示出了輸電線路系統(tǒng)在阿瓦隆半島上的布局。一般情況下，導(dǎo)線的路徑變化從平坦的大道到跌宕起伏的丘陵。 含有tl 203, tl 201和tl 236導(dǎo)線的h型懸掛塔，而導(dǎo)線tl 237/207, tl 217和 tl 218是用有柵欄的鋼管桿如型號為v的拉線作為懸索結(jié)構(gòu)和自立式塔架的終端結(jié)構(gòu)（圖3）。 由于導(dǎo)線是在60年代定制的，這些線路幾乎每

4、年都經(jīng)歷了嚴(yán)重的冰荷載。自1965年發(fā)生幾個(gè)大型覆冰的情況以來，半島至少出現(xiàn)過四次主要線路的故障文獻(xiàn)4。這些故障分別發(fā)生在1970,1984,1988和1994年。在1990年，tl2171導(dǎo)線的跨度上有嚴(yán)重的覆冰，導(dǎo)致導(dǎo)線幾乎貼近地面，導(dǎo)線表面還有嚴(yán)重的燒傷痕跡。圖4和圖5分別是在1984年和1994年造成線路故障的覆冰。圖1.研究區(qū)域圖2.典型的線路分布圖圖3.典型的桿塔布置圖圖6展現(xiàn)了鋼管結(jié)構(gòu)（tl201，圖2）的終端懸掛塔上報(bào)廢的吊環(huán)螺釘，阿瓦隆終端站，1994年。造成這種故障的原因，是由于七個(gè)結(jié)構(gòu)的失效而引起的一連串的事故。事故的經(jīng)濟(jì)損耗高達(dá)50萬美元。該故障調(diào)查研究得出的事故原因是

5、文獻(xiàn)5基于阿瓦隆區(qū)域的線路系統(tǒng)是每年以10%的速率損耗，線路系統(tǒng)在運(yùn)行了30年后，最后失效。這次調(diào)查中得出的損耗率也是之后修改原設(shè)計(jì)冰荷載設(shè)計(jì)的原因。圖4.1984年4月8日觀察到的結(jié)冰2.原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)原設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和冰荷載基于csa（加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）荷載文獻(xiàn)2，并以12.5毫米的覆冰高度和117公里/小時(shí)的風(fēng)速為標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過調(diào)查，當(dāng)時(shí)的兩個(gè)基本荷載已經(jīng)發(fā)生變化：25.4 mm覆冰高度和在嚴(yán)寒區(qū)域的38 mm覆冰高度。嚴(yán)寒區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)用來建造一小部分的線路系統(tǒng)。鋼管桿的過載因素被設(shè)計(jì)為1.33。3.故障的調(diào)查與研究 無論如何，原線路設(shè)計(jì)荷載都超出了能正常運(yùn)行30年的標(biāo)準(zhǔn)，也說明了需要對這些線路的冰荷

6、載跟風(fēng)荷載重新評估。在文獻(xiàn)4中已經(jīng)有一種方法能預(yù)測出最大冰荷載的情況發(fā)生時(shí)，線路系統(tǒng)會失效。從所有報(bào)告的故障中，只要設(shè)計(jì)荷載超標(biāo)，導(dǎo)線的絕緣皮和導(dǎo)線本身似乎成了“薄弱環(huán)節(jié)”。 圖5.1994年12月9日觀測的結(jié)冰調(diào)查中，從導(dǎo)線上觀察到的覆冰應(yīng)當(dāng)可以得出結(jié)論，許多情況下導(dǎo)線和/或者拉線上的覆冰高度在38毫米與50毫米之間（圖5）。圖6.壞死的吊環(huán)螺栓圖7.強(qiáng)度協(xié)調(diào)的一系列模型 在業(yè)內(nèi)，普遍認(rèn)為懸掛塔的塔身是“最薄弱的部件”，懸掛塔是按隊(duì)列排成一排的其他部件損壞時(shí)，懸掛塔會首先倒下。這也很好理解，為什么導(dǎo)線發(fā)生故障跟它是以串聯(lián)形式連接有很大的關(guān)聯(lián)，而且故障后會大規(guī)模斷電。圖7描繪了強(qiáng)度協(xié)調(diào)“系列”

7、的模型。因此，現(xiàn)在有一種具有能夠恢復(fù)供電的超高強(qiáng)度鋼（ehss）導(dǎo)線（804 kcmil-tw鋁絞線導(dǎo)線），直徑相當(dāng)于現(xiàn)有“德雷克”導(dǎo)線（795 kcmil 28毫米直徑），可以改變斷電的順序文獻(xiàn)5。額定拉伸強(qiáng)度是梯形截面導(dǎo)線（rts）（rts=284kn）的兩倍，其導(dǎo)線自重為（21.5n/m）比“德雷克”導(dǎo)線還要多出3400。4.研究方法 為了開展輸電線路的升級換代研究，基于概率處理法，應(yīng)對當(dāng)前的系統(tǒng)的穩(wěn)定性先進(jìn)行評估?，F(xiàn)有的系統(tǒng)，如導(dǎo)線，懸掛塔，終端塔等可以建一個(gè)“系列”的模型（圖7）。雖然實(shí)際的線路路徑中塔的高度不一，因?yàn)榈匦问瞧鸱?，假定模型為平坦的線路，通過實(shí)驗(yàn)的分析也可以得出合理的

8、強(qiáng)度協(xié)調(diào)結(jié)論。 對于“德雷克”型導(dǎo)線，還有現(xiàn)有系統(tǒng)的各個(gè)部件，如懸掛塔，導(dǎo)線和塔進(jìn)行了在冰荷載下穩(wěn)定性的評估。一段典型的部分導(dǎo)線跨度為427 m。在最大垂直冰荷載的作用下，梁結(jié)構(gòu)跟導(dǎo)線都發(fā)生了拉伸破壞（圖3）。同時(shí)也考慮了對終端桿塔的扭矩失效模式（圖3）。雖然許多其他故障導(dǎo)致的失效也是可能的，但是這個(gè)簡單的失效模式是基于初始的強(qiáng)度協(xié)調(diào)。運(yùn)用在文獻(xiàn)1中提到的第一失效范圍，“線路系統(tǒng)故障預(yù)估原因是當(dāng)前作用在導(dǎo)線上的冰荷載”。 下一步，基于觀察到的故障事件，運(yùn)用文獻(xiàn)4中的方法對冰荷載進(jìn)行更新。對該804 kcmil線路系統(tǒng)進(jìn)行評估，其中有三種不同跨度 （152米，305米和427米）分別進(jìn)行了審議。

9、在每一種情況下，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性的升級與相關(guān)的成本密不可分。最后為了縮減成本，通過計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)，包括文獻(xiàn)2 - 5中的故障概率和經(jīng)濟(jì)損耗。把跨度的選擇條件定在不僅能優(yōu)化穩(wěn)定性，而且在極寒條件下懸掛塔不會受到由遷移引起的托力。如果選擇使用非常大張力的導(dǎo)線（大跨距），就應(yīng)盡量減少現(xiàn)有塔的地方搬遷。 這五個(gè)主要步驟包括：（1）重新評估冰荷載的歷史故障信息;（2）評估現(xiàn)和經(jīng)過修訂后的在冰荷載作用下的導(dǎo)線張力及其變化;（3）對組件的穩(wěn)定性進(jìn)行評估（如導(dǎo)線，懸掛塔和終端桿的使用強(qiáng)度數(shù)正態(tài)分布和荷載效果的重指數(shù)分布；（4）跨度（張力）的優(yōu)化以及各種成本對應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)情況；（5）基于設(shè)計(jì)跨度穩(wěn)定性的優(yōu)化以及其他效果。研

10、究中的所有計(jì)算都是在文獻(xiàn)6中的“matlab”環(huán)境下進(jìn)行的。在最初的升級項(xiàng)目中，穩(wěn)定性的計(jì)算是基于正常的日志分布。目前這是一個(gè)早期的擴(kuò)展工作。 5.現(xiàn)有線路系統(tǒng)的穩(wěn)定性5.1每年的冰荷載估計(jì)為了評估現(xiàn)有線路每年的穩(wěn)定性，我們需要確定每年平均冰厚度和其變化系數(shù)。由于原設(shè)計(jì)假設(shè)25.4 mm徑向冰厚為最終負(fù)載（50年使用壽命），以50年的冰厚為標(biāo)準(zhǔn)。接著，假設(shè)被評估的年平均冰厚的變化系數(shù)為0.70。對于50年的關(guān)系是 (1) 其中是覆冰的厚度?；谶@點(diǎn)，這就意味著每年的冰厚，的估計(jì)值為9.02mm。5.2導(dǎo)線張力 使用附錄a中導(dǎo)體的狀態(tài)方程，在各種覆冰情況下得到的導(dǎo)線張力如圖8所示。初始穿線張力假

11、定為導(dǎo)線額定抗拉強(qiáng)度（rts）的20%?；诨貧w分析發(fā)現(xiàn)，其具有高度相關(guān)性的線性關(guān)系。分析還指出，導(dǎo)線的極限冰荷載厚度為45mm。輸電線路故障事觀察到的結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)(圖5)。5.3導(dǎo)線的穩(wěn)定性 在對穩(wěn)定性的分析中，荷載效應(yīng)，q被認(rèn)為是一個(gè)基本變量的函數(shù)（風(fēng)速，冰的厚度，等等），這些基本的關(guān)系通過傳遞函數(shù)的變量（線性或非線性）。通常情況下，基本變量通常遵循的gumbel分布，構(gòu)件的強(qiáng)度通常r是呈正常或?qū)?shù)的正態(tài)分布。一般強(qiáng)度代表導(dǎo)線的額定強(qiáng)度，塔架的屈曲強(qiáng)度等等，失敗的概率是用圖9陰影部分的面積顯示。對現(xiàn)有的導(dǎo)體的極限狀態(tài)表達(dá)式如下 （2） 是假設(shè)遵循對數(shù)正態(tài)分布情況下的導(dǎo)線額定抗拉強(qiáng)度，

12、是符合gumbel分布的冰荷載厚度。圖8.795型號導(dǎo)線回歸圖圖9.失敗的概率分布圖 意味著導(dǎo)線失效,意味著線路安全。該線性或非線性函數(shù)的非正態(tài)變量的穩(wěn)定性計(jì)算方法，源于附錄b中的文獻(xiàn)8。基于此方法，我們得到的導(dǎo)線的穩(wěn)定性的狀態(tài)方程，5.4懸掛塔的穩(wěn)定性-梁構(gòu)件 在垂直狀態(tài)冰荷載作用下塔的穩(wěn)定性，q，極限狀態(tài)方程定義為 (3)其中是對數(shù)正態(tài)分布下，梁懸掛部件的額定容量；是垂直的冰荷載作用下(kn/m),關(guān)于覆冰厚度的函數(shù)，遵循gumbel分布。是導(dǎo)線的自重，是導(dǎo)體直徑（mm）。再一次，我們得到如下穩(wěn)定性的狀態(tài)方程基于這一分析，結(jié)果表明，懸掛塔相比于導(dǎo)線具有數(shù)量級更高的可靠性。因此，在最大冰荷載

13、的情況下，觀察到的故障也支持從這樣的分析中得出的結(jié)論。根據(jù)觀察到的故障事件，稍微將對線路系統(tǒng)與修訂后的荷載重新分析。在腿部構(gòu)件上的受力基礎(chǔ)上，計(jì)算導(dǎo)線垂直張力的影響系數(shù)以及在三相垂直冰載荷。經(jīng)簡化壓縮力如下， （4） 其中，是影響垂直跨越系數(shù)的函數(shù)。是影響縱向系數(shù)的函數(shù) ，與導(dǎo)線回歸系數(shù)和導(dǎo)體線直徑有關(guān)。是自重的影響系數(shù)。桿塔腳部部件的極限狀態(tài)方程為 （5）其中是標(biāo)稱容量下桿塔腿部受力。對于腿部構(gòu)件穩(wěn)定性指數(shù)方程是5.5線路系統(tǒng)的可靠性-現(xiàn)有線路 從文獻(xiàn)1得到系統(tǒng)的穩(wěn)定性公式為 (6) 其中是故障因素的可能性，表1列出了現(xiàn)有的兩個(gè)界限。表1 存在符合“德雷克”導(dǎo)線系統(tǒng)失效概率的界限。表1 “德

14、雷克”導(dǎo)線系統(tǒng)失效概率的界限6.以804型號導(dǎo)線升級6.1修訂后的年平均冰厚 10年一次的最大覆冰厚度，作為可能是其他任何相關(guān)的周期 （7） 其中t是周期。以5年的周期，負(fù)荷為標(biāo)準(zhǔn)?；诩僭O(shè)負(fù)荷將超過在線路的剩余壽命（25年）為一次，選擇25年為周期是基于觀察到的50毫米的冰厚度（10年期收益期）為63毫米。50年的負(fù)荷的覆冰厚度為75毫米。對于25年的周期和50年周期收益的變化系數(shù)分別為0.40和0.267。這提供了一個(gè)平均年21.6毫米冰厚的變化系數(shù)0.96。基于這種關(guān)系，原設(shè)計(jì)冰荷載，25.4毫米高度的覆冰，將計(jì)算出一個(gè)近似的周期2.8年。6.2 804型號導(dǎo)線系統(tǒng)的穩(wěn)定性三跨梁被認(rèn)為是

15、研究基于可靠性升級方案。圖10給出了所有三跨方案的結(jié)果。在所有的情況下，基于桿塔失效概率是最低的。導(dǎo)線提供了所需的強(qiáng)度協(xié)調(diào)。跨度為427m的失效概率約為305米跨度三倍。圖10.失效概率與跨度關(guān)系重新分析現(xiàn)有系統(tǒng)與修訂后的冰荷載，結(jié)果指出，“德雷克”導(dǎo)線的年失效概率為0.1315（8年中失效過一次）。這與假設(shè)的失敗率非常接近，每年以0.1消耗超過30年的運(yùn)行壽命的線。該方法為修訂后的冰荷載提供了一個(gè)合理的校準(zhǔn)，已經(jīng)應(yīng)用于改造項(xiàng)目中。7.成本優(yōu)化 成本優(yōu)化的研究對象是5公里的線路 。在無須額外的懸掛塔的基礎(chǔ)上，選427米為跨度，因?yàn)樗械膽覓焖潭ㄔ谠?。我們只需要更換這更高強(qiáng)度的終端桿塔，因?yàn)?/p>

16、對于現(xiàn)有的導(dǎo)線，導(dǎo)線的額定強(qiáng)度是美國的兩倍。 對于305m的跨度，需要更換6座新塔以搬遷舊塔。五塔將保持原來在的地方。對于152m的跨度，則需要18個(gè)新塔。該經(jīng)濟(jì)損耗的成本假定為2000000美元。圖11結(jié)果表明了305米跨度的選擇是最經(jīng)濟(jì)。但是如果失敗成本降低至500000美元，427m跨度的選擇也將是最經(jīng)濟(jì)?？偝杀臼歉鶕?jù)桿塔的經(jīng)濟(jì)損耗情況估算的。除此之外，現(xiàn)有線路的布局信息顯示，如果修訂的定位線路跨度選擇305米，要確?，F(xiàn)有的懸掛塔中剩余的地方不會遇到寒冷的氣溫下浮托力影響。如果不考慮這種情況，要使用以冷曲線為基礎(chǔ)的427米跨度。許多桿塔與較短的高度下隆起的情況是因?yàn)闇囟冗^低引起的張力。這意味著將需要擴(kuò)展桿塔和/或終端塔。同時(shí)，為減少桿塔的成本，要設(shè)計(jì)冰荷載下張力的比例。這些費(fèi)用不包括在簡單的優(yōu)化模型里，但很明顯，選用427m跨度作為升級線路系統(tǒng)，總體成本會更高。因此最終的設(shè)計(jì)方案選擇305米的跨度。這個(gè)選擇也能保證線路的穩(wěn)定性。圖11.成本的優(yōu)化內(nèi)容8.摘要與總結(jié) 該論文提出了升級系統(tǒng)的方法，運(yùn)用了概率處理法對輸電線路系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。 根據(jù)30年間觀察到的冰荷載故障的概率進(jìn)行了修訂。為確保桿塔失效后能恢復(fù)供電，導(dǎo)線的橫截面設(shè)計(jì)為梯形，對現(xiàn)有的桿塔塔架更換為超高