采用概率处理法升级230KV的输电线路系统.doc

毕业设计（论文）译文题目 采用概率处理法升级230kv的输电线路系统 学生姓名 陈维微 学号 2010136173 专业 输电线路 班级 20101974指导教师 评阅教师 完成日期 2014年1月17日采用概率处理法升级230kv的输电线路系统asim haldar译者：2010136173，陈维微摘要：本文提出了一种系统的方法，利用概率处理法对现有230千伏输电线路系统进行升级。该输电线路系统位于半岛，采用钢管杆设计，线路末端有不同的变电站。线路系统延伸至一个以线路覆冰著称的严寒区域。一个系统方法被用于评估线路的稳定性。根据该方法得出的可靠分析，提供出一个描述线路故障率的 趋势图 。鉴于已知的故障率，对30年间冰荷的原设计进行了更新。为确保悬挂塔发生故障时导线不会失效，导线的横截面被设计成梯形还采用了超高强度的钢芯。由于修正后的冰荷载设计，现有的悬挂塔配有2个特殊的终端悬挂塔。 3个跨度的线路系统已经在研究升级。最佳的升级方案选择应该考虑由彼得巴伦提出的导线经济性，另外跨度（导线张力）也是主要因素之一。但结果表明，将跨度（导线张力）作为升级现有线路系统的因素不仅不明智，损害成本，而且还要顾虑其他方面。方案还要确保悬挂塔其他部位不会因由于寒冷气温下导线张力的增加，而增加额外的应力。关键词：冰荷载，优化，概率法升级，风险分析，强度协调，结构稳定性，输电线路。1.引言 纽芬兰和拉布拉多水电公司经营着230kv等级的双回平行输电线路，线路系统在森尼赛德与圣约翰之间(图1)。线路位于阿瓦隆半岛，纽芬兰的东部，这些地方有海洋区域气候特点，并且线路还受几乎所有来自跨越北美地区低压电力系统的影响。此外，该地区还受沿着东部海岸的海上运输影响。图2示出了输电线路系统在阿瓦隆半岛上的布局。一般情况下，导线的路径变化从平坦的大道到跌宕起伏的丘陵。 含有tl 203, tl 201和tl 236导线的h型悬挂塔，而导线tl 237/207, tl 217和 tl 218是用有栅栏的钢管杆如型号为v的拉线作为悬索结构和自立式塔架的终端结构（图3）。 由于导线是在60年代定制的，这些线路几乎每年都经历了严重的冰荷载。自1965年发生几个大型覆冰的情况以来，半岛至少出现过四次主要线路的故障文献4。这些故障分别发生在1970,1984,1988和1994年。在1990年，tl2171导线的跨度上有严重的覆冰，导致导线几乎贴近地面，导线表面还有严重的烧伤痕迹。图4和图5分别是在1984年和1994年造成线路故障的覆冰。图1.研究区域图2.典型的线路分布图图3.典型的杆塔布置图图6展现了钢管结构（tl201，图2）的终端悬挂塔上报废的吊环螺钉，阿瓦隆终端站，1994年。造成这种故障的原因，是由于七个结构的失效而引起的一连串的事故。事故的经济损耗高达50万美元。该故障调查研究得出的事故原因是文献5基于阿瓦隆区域的线路系统是每年以10%的速率损耗，线路系统在运行了30年后，最后失效。这次调查中得出的损耗率也是之后修改原设计冰荷载设计的原因。图4.1984年4月8日观察到的结冰2.原设计标准原设计风荷载和冰荷载基于csa（加拿大标准协会）荷载文献2，并以12.5毫米的覆冰高度和117公里/小时的风速为标准。经过调查，当时的两个基本荷载已经发生变化：25.4 mm覆冰高度和在严寒区域的38 mm覆冰高度。严寒区的标准已经用来建造一小部分的线路系统。钢管杆的过载因素被设计为1.33。3.故障的调查与研究 无论如何，原线路设计荷载都超出了能正常运行30年的标准，也说明了需要对这些线路的冰荷载跟风荷载重新评估。在文献4中已经有一种方法能预测出最大冰荷载的情况发生时，线路系统会失效。从所有报告的故障中，只要设计荷载超标，导线的绝缘皮和导线本身似乎成了“薄弱环节”。 图5.1994年12月9日观测的结冰调查中，从导线上观察到的覆冰应当可以得出结论，许多情况下导线和/或者拉线上的覆冰高度在38毫米与50毫米之间（图5）。图6.坏死的吊环螺栓图7.强度协调的一系列模型 在业内，普遍认为悬挂塔的塔身是“最薄弱的部件”，悬挂塔是按队列排成一排的其他部件损坏时，悬挂塔会首先倒下。这也很好理解，为什么导线发生故障跟它是以串联形式连接有很大的关联，而且故障后会大规模断电。图7描绘了强度协调“系列”的模型。因此，现在有一种具有能够恢复供电的超高强度钢（ehss）导线（804 kcmil-tw铝绞线导线），直径相当于现有“德雷克”导线（795 kcmil 28毫米直径），可以改变断电的顺序文献5。额定拉伸强度是梯形截面导线（rts）（rts=284kn）的两倍，其导线自重为（21.5n/m）比“德雷克”导线还要多出3400。4.研究方法 为了开展输电线路的升级换代研究，基于概率处理法，应对当前的系统的稳定性先进行评估。现有的系统，如导线，悬挂塔，终端塔等可以建一个“系列”的模型（图7）。虽然实际的线路路径中塔的高度不一，因为地形是起伏的，假定模型为平坦的线路，通过实验的分析也可以得出合理的强度协调结论。 对于“德雷克”型导线，还有现有系统的各个部件，如悬挂塔，导线和塔进行了在冰荷载下稳定性的评估。一段典型的部分导线跨度为427 m。在最大垂直冰荷载的作用下，梁结构跟导线都发生了拉伸破坏（图3）。同时也考虑了对终端杆塔的扭矩失效模式（图3）。虽然许多其他故障导致的失效也是可能的，但是这个简单的失效模式是基于初始的强度协调。运用在文献1中提到的第一失效范围，“线路系统故障预估原因是当前作用在导线上的冰荷载”。 下一步，基于观察到的故障事件，运用文献4中的方法对冰荷载进行更新。对该804 kcmil线路系统进行评估，其中有三种不同跨度 （152米，305米和427米）分别进行了审议。在每一种情况下，该系统的稳定性的升级与相关的成本密不可分。最后为了缩减成本，通过计算风险，包括文献2 - 5中的故障概率和经济损耗。把跨度的选择条件定在不仅能优化稳定性，而且在极寒条件下悬挂塔不会受到由迁移引起的托力。如果选择使用非常大张力的导线（大跨距），就应尽量减少现有塔的地方搬迁。 这五个主要步骤包括：（1）重新评估冰荷载的历史故障信息;（2）评估现和经过修订后的在冰荷载作用下的导线张力及其变化;（3）对组件的稳定性进行评估（如导线，悬挂塔和终端杆的使用强度数正态分布和荷载效果的重指数分布；（4）跨度（张力）的优化以及各种成本对应的风险情况；（5）基于设计跨度稳定性的优化以及其他效果。研究中的所有计算都是在文献6中的“matlab”环境下进行的。在最初的升级项目中，稳定性的计算是基于正常的日志分布。目前这是一个早期的扩展工作。 5.现有线路系统的稳定性5.1每年的冰荷载估计为了评估现有线路每年的稳定性，我们需要确定每年平均冰厚度和其变化系数。由于原设计假设25.4 mm径向冰厚为最终负载（50年使用寿命），以50年的冰厚为标准。接着，假设被评估的年平均冰厚的变化系数为0.70。对于50年的关系是 (1) 其中是覆冰的厚度。基于这点，这就意味着每年的冰厚，的估计值为9.02mm。5.2导线张力 使用附录a中导体的状态方程，在各种覆冰情况下得到的导线张力如图8所示。初始穿线张力假定为导线额定抗拉强度（rts）的20%。基于回归分析发现，其具有高度相关性的线性关系。分析还指出，导线的极限冰荷载厚度为45mm。输电线路故障事观察到的结果也证实了这一点(图5)。5.3导线的稳定性 在对稳定性的分析中，荷载效应，q被认为是一个基本变量的函数（风速，冰的厚度，等等），这些基本的关系通过传递函数的变量（线性或非线性）。通常情况下，基本变量通常遵循的gumbel分布，构件的强度通常r是呈正常或对数的正态分布。一般强度代表导线的额定强度，塔架的屈曲强度等等，失败的概率是用图9阴影部分的面积显示。对现有的导体的极限状态表达式如下 （2） 是假设遵循对数正态分布情况下的导线额定抗拉强度，是符合gumbel分布的冰荷载厚度。图8.795型号导线回归图图9.失败的概率分布图 意味着导线失效,意味着线路安全。该线性或非线性函数的非正态变量的稳定性计算方法，源于附录b中的文献8。基于此方法，我们得到的导线的稳定性的状态方程，5.4悬挂塔的稳定性-梁构件 在垂直状态冰荷载作用下塔的稳定性，q，极限状态方程定义为 (3)其中是对数正态分布下，梁悬挂部件的额定容量；是垂直的冰荷载作用下(kn/m),关于覆冰厚度的函数，遵循gumbel分布。是导线的自重，是导体直径（mm）。再一次，我们得到如下稳定性的状态方程基于这一分析，结果表明，悬挂塔相比于导线具有数量级更高的可靠性。因此，在最大冰荷载的情况下，观察到的故障也支持从这样的分析中得出的结论。根据观察到的故障事件，稍微将对线路系统与修订后的荷载重新分析。在腿部构件上的受力基础上，计算导线垂直张力的影响系数以及在三相垂直冰载荷。经简化压缩力如下， （4） 其中，是影响垂直跨越系数的函数。是影响纵向系数的函数 ，与导线回归系数和导体线直径有关。是自重的影响系数。杆塔脚部部件的极限状态方程为 （5）其中是标称容量下杆塔腿部受力。对于腿部构件稳定性指数方程是5.5线路系统的可靠性-现有线路 从文献1得到系统的稳定性公式为 (6) 其中是故障因素的可能性，表1列出了现有的两个界限。表1 存在符合“德雷克”导线系统失效概率的界限。表1 “德雷克”导线系统失效概率的界限6.以804型号导线升级6.1修订后的年平均冰厚 10年一次的最大覆冰厚度，作为可能是其他任何相关的周期 （7） 其中t是周期。以5年的周期，负荷为标准。基于假设负荷将超过在线路的剩余寿命（25年）为一次，选择25年为周期是基于观察到的50毫米的冰厚度（10年期收益期）为63毫米。50年的负荷的覆冰厚度为75毫米。对于25年的周期和50年周期收益的变化系数分别为0.40和0.267。这提供了一个平均年21.6毫米冰厚的变化系数0.96。基于这种关系，原设计冰荷载，25.4毫米高度的覆冰，将计算出一个近似的周期2.8年。6.2 804型号导线系统的稳定性三跨梁被认为是研究基于可靠性升级方案。图10给出了所有三跨方案的结果。在所有的情况下，基于杆塔失效概率是最低的。导线提供了所需的强度协调。跨度为427m的失效概率约为305米跨度三倍。图10.失效概率与跨度关系重新分析现有系统与修订后的冰荷载，结果指出，“德雷克”导线的年失效概率为0.1315（8年中失效过一次）。这与假设的失败率非常接近，每年以0.1消耗超过30年的运行寿命的线。该方法为修订后的冰荷载提供了一个合理的校准，已经应用于改造项目中。7.成本优化 成本优化的研究对象是5公里的线路 。在无须额外的悬挂塔的基础上，选427米为跨度，因为所有的悬挂塔固定在原地。我们只需要更换这更高强度的终端杆塔，因为对于现有的导线，导线的额定强度是美国的两倍。 对于305m的跨度，需要更换6座新塔以搬迁旧塔。五塔将保持原来在的地方。对于152m的跨度，则需要18个新塔。该经济损耗的成本假定为2000000美元。图11结果表明了305米跨度的选择是最经济。但是如果失败成本降低至500000美元，427m跨度的选择也将是最经济。总成本是根据杆塔的经济损耗情况估算的。除此之外，现有线路的布局信息显示，如果修订的定位线路跨度选择305米，要确保现有的悬挂塔中剩余的地方不会遇到寒冷的气温下浮托力影响。如果不考虑这种情况，要使用以冷曲线为基础的427米跨度。许多杆塔与较短的高度下隆起的情况是因为温度过低引起的张力。这意味着将需要扩展杆塔和/或终端塔。同时，为减少杆塔的成本，要设计冰荷载下张力的比例。这些费用不包括在简单的优化模型里，但很明显，选用427m跨度作为升级线路系统，总体成本会更高。因此最终的设计方案选择305米的跨度。这个选择也能保证线路的稳定性。图11.成本的优化内容8.摘要与总结 该论文提出了升级系统的方法，运用了概率处理法对输电线路系统进行计算。 根据30年间观察到的冰荷载故障的概率进行了修订。为确保杆塔失效后能恢复供电，导线的横截面设计为梯形，对现有的杆塔塔架更换为超高