采用概率處理法升級230KV的輸電線路系統(tǒng)

1、 畢業(yè)設計（論文）譯文題目 采用概率處理法升級230kv的輸電線路系統(tǒng) 學生姓名 陳維微 學號 2010136173 專業(yè) 輸電線路 班級 20101974指導教師 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)進行升級。該輸電線路系統(tǒng)位于半島，采用鋼管桿設計，線路末端有不同的變電站。線路系統(tǒng)延伸至一個以線路覆冰著稱的嚴寒區(qū)域。一個系統(tǒng)方法被用于評估線路的穩(wěn)定性。根據該方法得出的可靠分析，提供出一個描述線路故障率的 趨勢圖 。鑒于

2、已知的故障率，對30年間冰荷的原設計進行了更新。為確保懸掛塔發(fā)生故障時導線不會失效，導線的橫截面被設計成梯形還采用了超高強度的鋼芯。由于修正后的冰荷載設計，現(xiàn)有的懸掛塔配有2個特殊的終端懸掛塔。 3個跨度的線路系統(tǒng)已經在研究升級。最佳的升級方案選擇應該考慮由彼得巴倫提出的導線經濟性，另外跨度（導線張力）也是主要因素之一。但結果表明，將跨度（導線張力）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線張力的增加，而增加額外的應力。關鍵詞：冰荷載，優(yōu)化，概率法升級，風險分析，強度協(xié)調，結構穩(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，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導線的h型懸掛塔，而導線tl 237/207, tl 217和 tl 218是用有柵欄的鋼管桿如型號為v的拉線作為懸索結構和自立式塔架的終端結構（圖3）。 由于導線是在60年代定制的，這些線路幾乎每

4、年都經歷了嚴重的冰荷載。自1965年發(fā)生幾個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4。這些故障分別發(fā)生在1970,1984,1988和1994年。在1990年，tl2171導線的跨度上有嚴重的覆冰，導致導線幾乎貼近地面，導線表面還有嚴重的燒傷痕跡。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)了鋼管結構（tl201，圖2）的終端懸掛塔上報廢的吊環(huán)螺釘，阿瓦隆終端站，1994年。造成這種故障的原因，是由于七個結構的失效而引起的一連串的事故。事故的經濟損耗高達50萬美元。該故障調查研究得出的事故原因是

5、文獻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)在運行了30年后，最后失效。這次調查中得出的損耗率也是之后修改原設計冰荷載設計的原因。圖4.1984年4月8日觀察到的結冰2.原設計標準原設計風荷載和冰荷載基于csa（加拿大標準協(xié)會）荷載文獻2，并以12.5毫米的覆冰高度和117公里/小時的風速為標準。經過調查，當時的兩個基本荷載已經發(fā)生變化：25.4 mm覆冰高度和在嚴寒區(qū)域的38 mm覆冰高度。嚴寒區(qū)的標準已經用來建造一小部分的線路系統(tǒng)。鋼管桿的過載因素被設計為1.33。3.故障的調查與研究 無論如何，原線路設計荷載都超出了能正常運行30年的標準，也說明了需要對這些線路的冰荷

6、載跟風荷載重新評估。在文獻4中已經有一種方法能預測出最大冰荷載的情況發(fā)生時，線路系統(tǒng)會失效。從所有報告的故障中，只要設計荷載超標，導線的絕緣皮和導線本身似乎成了“薄弱環(huán)節(jié)”。 圖5.1994年12月9日觀測的結冰調查中，從導線上觀察到的覆冰應當可以得出結論，許多情況下導線和/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.強度協(xié)調的一系列模型 在業(yè)內，普遍認為懸掛塔的塔身是“最薄弱的部件”，懸掛塔是按隊列排成一排的其他部件損壞時，懸掛塔會首先倒下。這也很好理解，為什么導線發(fā)生故障跟它是以串聯(lián)形式連接有很大的關聯(lián)，而且故障后會大規(guī)模斷電。圖7描繪了強度協(xié)調“系列”

7、的模型。因此，現(xiàn)在有一種具有能夠恢復供電的超高強度鋼（ehss）導線（804 kcmil-tw鋁絞線導線），直徑相當于現(xiàn)有“德雷克”導線（795 kcmil 28毫米直徑），可以改變斷電的順序文獻5。額定拉伸強度是梯形截面導線（rts）（rts=284kn）的兩倍，其導線自重為（21.5n/m）比“德雷克”導線還要多出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，應對當前的系統(tǒng)的穩(wěn)定性先進行評估。現(xiàn)有的系統(tǒng)，如導線，懸掛塔，終端塔等可以建一個“系列”的模型（圖7）。雖然實際的線路路徑中塔的高度不一，因為地形是起伏的，假定模型為平坦的線路，通過實驗的分析也可以得出合理的

8、強度協(xié)調結論。 對于“德雷克”型導線，還有現(xiàn)有系統(tǒng)的各個部件，如懸掛塔，導線和塔進行了在冰荷載下穩(wěn)定性的評估。一段典型的部分導線跨度為427 m。在最大垂直冰荷載的作用下，梁結構跟導線都發(fā)生了拉伸破壞（圖3）。同時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致的失效也是可能的，但是這個簡單的失效模式是基于初始的強度協(xié)調。運用在文獻1中提到的第一失效范圍，“線路系統(tǒng)故障預估原因是當前作用在導線上的冰荷載”。 下一步，基于觀察到的故障事件，運用文獻4中的方法對冰荷載進行更新。對該804 kcmil線路系統(tǒng)進行評估，其中有三種不同跨度 （152米，305米和427米）分別進行了審議。

9、在每一種情況下，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性的升級與相關的成本密不可分。最后為了縮減成本，通過計算風險，包括文獻2 - 5中的故障概率和經濟損耗。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線（大跨距），就應盡量減少現(xiàn)有塔的地方搬遷。 這五個主要步驟包括：（1）重新評估冰荷載的歷史故障信息;（2）評估現(xiàn)和經過修訂后的在冰荷載作用下的導線張力及其變化;（3）對組件的穩(wěn)定性進行評估（如導線，懸掛塔和終端桿的使用強度數正態(tài)分布和荷載效果的重指數分布；（4）跨度（張力）的優(yōu)化以及各種成本對應的風險情況；（5）基于設計跨度穩(wěn)定性的優(yōu)化以及其他效果。研

10、究中的所有計算都是在文獻6中的“matlab”環(huán)境下進行的。在最初的升級項目中，穩(wěn)定性的計算是基于正常的日志分布。目前這是一個早期的擴展工作。 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。由于原設計假設25.4 mm徑向冰厚為最終負載（50年使用壽命），以50年的冰厚為標準。接著，假設被評估的年平均冰厚的變化系數為0.70。對于50年的關系是 (1) 其中是覆冰的厚度。基于這點，這就意味著每年的冰厚，的估計值為9.02mm。5.2導線張力 使用附錄a中導體的狀態(tài)方程，在各種覆冰情況下得到的導線張力如圖8所示。初始穿線張力假

11、定為導線額定抗拉強度（rts）的20%?；诨貧w分析發(fā)現(xiàn)，其具有高度相關性的線性關系。分析還指出，導線的極限冰荷載厚度為45mm。輸電線路故障事觀察到的結果也證實了這一點(圖5)。5.3導線的穩(wěn)定性 在對穩(wěn)定性的分析中，荷載效應，q被認為是一個基本變量的函數（風速，冰的厚度，等等），這些基本的關系通過傳遞函數的變量（線性或非線性）。通常情況下，基本變量通常遵循的gumbel分布，構件的強度通常r是呈正?；驅档恼龖B(tài)分布。一般強度代表導線的額定強度，塔架的屈曲強度等等，失敗的概率是用圖9陰影部分的面積顯示。對現(xiàn)有的導體的極限狀態(tài)表達式如下 （2） 是假設遵循對數正態(tài)分布情況下的導線額定抗拉強度，

12、是符合gumbel分布的冰荷載厚度。圖8.795型號導線回歸圖圖9.失敗的概率分布圖 意味著導線失效,意味著線路安全。該線性或非線性函數的非正態(tài)變量的穩(wěn)定性計算方法，源于附錄b中的文獻8?；诖朔椒?，我們得到的導線的穩(wěn)定性的狀態(tài)方程，5.4懸掛塔的穩(wěn)定性-梁構件 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),關于覆冰厚度的函數，遵循gumbel分布。是導線的自重，是導體直徑（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，結果表明，懸掛塔相比于導線具有數量級更高的可靠性。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論。根據觀察到的故障事件，稍微將對線路系統(tǒng)與修訂后的荷載重新分析。在腿部構件上的受力基礎上，計算導線垂直張力的影響系數以及在三相垂直冰載荷。經簡化壓縮力如下， （4） 其中，是影響垂直跨越系數的函數。是影響縱向系數的函數 ，與導線回歸系數和導體線直徑有關。是自重的影響系數。桿塔腳部部件的極限狀態(tài)方程為 （5）其中是標稱容量下桿塔腿部受力。對于腿部構件穩(wěn)定性指數方程是5.5線路系統(tǒng)的可靠性-現(xiàn)有線路 從文獻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)有的兩個界限。表1 存在符合“德雷克”導線系統(tǒng)失效概率的界限。表1 “德

14、雷克”導線系統(tǒng)失效概率的界限6.以804型號導線升級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的周期 （7） 其中t是周期。以5年的周期，負荷為標準?；诩僭O負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分別為0.40和0.267。這提供了一個平均年21.6毫米冰厚的變化系數0.96。基于這種關系，原設計冰荷載，25.4毫米高度的覆冰，將計算出一個近似的周期2.8年。6.2 804型號導線系統(tǒng)的穩(wěn)定性三跨梁被認為是

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果。在所有的情況下，基于桿塔失效概率是最低的。導線提供了所需的強度協(xié)調?？缍葹?27m的失效概率約為305米跨度三倍。圖10.失效概率與跨度關系重新分析現(xiàn)有系統(tǒng)與修訂后的冰荷載，結果指出，“德雷克”導線的年失效概率為0.1315（8年中失效過一次）。這與假設的失敗率非常接近，每年以0.1消耗超過30年的運行壽命的線。該方法為修訂后的冰荷載提供了一個合理的校準，已經應用于改造項目中。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上，選427米為跨度，因為所有的懸掛塔固定在原地。我們只需要更換這更高強度的終端桿塔，因為

16、對于現(xiàn)有的導線，導線的額定強度是美國的兩倍。 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個新塔。該經濟損耗的成本假定為2000000美元。圖11結果表明了305米跨度的選擇是最經濟。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濟?？偝杀臼歉鶕U塔的經濟損耗情況估算的。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，要確保現(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的427米跨度。許多桿塔與較短的高度下隆起的情況是因為溫度過低引起的張力。這意味著將需要擴展桿塔和/或終端塔。同時，為減少桿塔的成本，要設計冰荷載下張力的比例。這些費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。因此最終的設計方案選擇305米的跨度。這個選擇也能保證線路的穩(wěn)定性。圖11.成本的優(yōu)化內容8.摘要與總結 該論文提出了升級系統(tǒng)的方法，運用了概率處理法對輸電線路系統(tǒng)進行計算。 根據30年間觀察到的冰荷載故障的概率進行了修訂。為確保桿塔失效后能恢復供電，導線的橫截面設計為梯形，對現(xiàn)有的桿塔塔架更換為超高