淺析復雜氣象下輸電線路薄弱點辨識及其優化加固

陳曦，程旭萌，曾鋒，劉興能

（廣西電網有限責任公司防城港供電局，廣西 防城港 538001）

在目前實際所運行的輸電線路中，很大比例都是根據以前頒布的輸電線路設計導則進行施工建設的，但以前采用的很多舊設計導則現如今已經廢止。同時在以往的輸電線路設計中，對各種復雜的氣象條件也沒有考慮充分，包括風、覆冰、雪、雨等，導致后續輸電線路在實際運行中遇到問題。輸電線路在這些復雜氣象條件下運行，都會增加輸電線路所承受的載荷，故在現有輸電線路中出現過因大風而導致輸電線路鐵塔倒塔；或者是因覆冰導致鐵塔倒塔等事故。這些實際輸電線路事故表明按照以往的設計規范所設計的線路存在著較大的安全運行風險，降低輸電線路的運行安全水平，存在著薄弱環節，需要對輸電線路中的薄弱環節進行辨識。同時針對這些薄弱環節采取有針對性的加固補強技術措施，以提高輸電線路在各種復雜氣象條件下的安全穩定運行水平，為此本文詳細分析了復雜氣象下輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術。

1 輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術的應用背景

經過對當前輸電線路運行數據的統計分析，發現對輸電線路危害較大的影響因素為冰雪天氣，在冰雪天氣下輸電線路發生事故的次數最多。冰雪條件下對輸電線路的危害主要表現為以下幾點：

（1）當輸電線路上發生覆冰情況時，覆積厚度會越來越厚，給輸電線路增加了較大的載荷，運行壓力不斷提高。當厚度達到一定程度時，最終超過輸電線路所能夠承受的最大載荷，導致出現輸電線路鐵塔倒塔或者是桿塔被壓彎等情況。同時，由于在輸電線路上附著了較厚的冰塊，故當輸電線路還受到大風吹的影響時，更容易導致輸電線路出現倒塔，或者是輸電線路發生嚴重的搖晃現象。

（2）輸電線路在冰雪條件下會容易發生污損情況，為了避免輸電線路出現閃絡的情況，需要加強對輸電線路中污穢的定期清理，并且對覆冰厚度加以控制，才能夠避免覆冰對輸電線路運行造成的影響。

（3）在冰雪條件下輸電線路容易發生接地短路事故。當覆冰厚度較高時，此時輸電線路的整體重量也會得到明顯增加，如果線路出現了斷線則造成接地短路事故。

（4）輸電線路壓垮問題，當輸電線路某個部位的覆冰情況較為嚴重時，此時會導致輸電線路在耐張端出現張力不平衡的情況，此時輸電線路中的耐張桿塔就容易發現向一側傾倒的事故，進而發展為整條輸電線路倒塌的事故。為了應對冰雪天氣對輸電線路安全運行所造成的影響，本文介紹了輸電線路薄弱點辨識及優化加固技術，以下進行詳細的分析和介紹。

2 輸電鐵塔典型塔薄弱環節辨識及其優化加固技術分析

輸電線路在運行過程中，一旦發生事故，則情況往往較為嚴重，還可能會造成人身傷亡，故對輸電線路典型塔中所存在的薄弱環節應可靠計算并辨識出來，及時發現輸電線路中的缺陷，并加以治理，從而提高輸電線路的穩定運行能力。在輸電線路薄弱點辨識及優化加固技術中，需要根據復雜氣象對輸電線路運行所造成的影響，并且通過風險評價技術，確定好在各類復雜氣象下輸電線路的風險等級。之后再根據所評估出來的輸電線路風險等級，選擇出容易發生安全事故的典型輸電線路鐵塔或者是桿塔，并對該典型塔進行優化加固補強，以提高輸電線路應對各類惡劣天氣條件的能力。

2.1 輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術的應用步驟

輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術在實際的應用中，需要嚴格按照步驟來進行評估分析，保證分析結果的準確性。首先，第一步是明確輸電線路在各類不同天氣條件下的風險等級，完成輸電線路的風險評價工作。第二步是采用有限元分析軟件ANSYS建立好輸電線路的具體結構模型，可以采用多種不同的建模方式，之后再接著計算輸電線路的靜動力特性。第三步是將輸電線路在加固前后的力學試驗結果進行對比分析。第四步是針對各種不同的輸電線路建模方式，計算各種結果，分析建模方式對薄弱點辨識結果的影響，從而進一步提出合適的優化加固補強技術方案，并作為最終的加固技術方案，圖1為輸電線路薄弱點辨識及其優化加固的應用流程圖。

圖1 輸電線路薄弱點辨識及其優化加固的應用流程圖

2.2 輸電線路薄弱點辨識及其優化加固的應用技術要點

在計算完輸電線路的靜動力特性之后，就可以找到輸電線路桿塔中最為薄弱的部位，并據此提出加固技術措施。其中在輸電線路風險評價中，需要分析的氣象條件應涵蓋臺風、雨雪、覆冰、雷電、冰雹以及低溫等多種場景。在風險評價算法選擇上，可以選用灰色模糊理論來加以綜合評估。對于輸電塔的結構模型，輸電塔有限元模型的準確構建是順利進行輸電塔結構分析的基礎，可以采用建立輸電線路典型塔的空間桁架模型。這種建模方式和空間剛架模型以及混合有限元模型相比，對薄弱點的辨識結果更為準確，也更為實用。

3 基于蟻群算法的輸電塔的優化加固技術

3.1 輸電線路典型塔的優化加固

對輸電線路典型塔的優化加固，包括對輸電線路桁架結構的截面進行優化加固、拓撲結構進行優化加固、以及桁架結構的形狀進行優化加固等。以桁架結構的截面進行優化加固為例進行分析，其屬于組合優化技術范疇，即從各類輸電線路截面組合方案中，需要最佳的截面組成方案。當輸電線路較長，涉及到的優化變量數較多時，此時截面的組合數也快速增長，屬于大規模的組合優化問題。為此可以利用蟻群算法來處理這類大規模優化問題，該算法能夠很好地處理眾多的優化變量和規模較大的可行解數量，其優化加固的流程圖如圖2所示。

從圖2輸電線路桁架結構的截面優化加固計算流程圖中可以看出，首先將輸電線路結構模型中的相關變量進行初始化，之后再進行輸電線路結構的承載力數據。如果當前輸電線路的承載力不滿足安全穩定運行約束條件，則需要利用蟻群算法重新尋找線路截面組合方案，并在迭代計算過程中不斷更新尋找最優解的路徑。當計算到滿足算法的收斂條件時，將輸電線路的結構截面優化計算結果輸出，程序計算結束，從而得出了輸電線路的截面組合優化技術方案。

圖2 輸電線路桁架結構的截面優化加固計算流程圖

3.2 輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術的應用優勢

通過采用本文所分析的輸電線路薄弱點辨識及其優化加固計算，可以準確反映并辨識出在不同天氣條件下，輸電線路中具體的薄弱環節，從而以最低的成本提高輸電線路的安全運行能力，防止輸電設備因天氣原因而受到損壞。通過對輸電塔加固前后的有限元進行對比分析，并開展塔身縮尺模型加固前后的力學試驗對比，可以確定出最終的輸電線路加固方案。同時，采用該技術也可以提高供電可靠性，降低電力系統的停電風險和停電經濟損失，從而提高電力用戶的用電滿意度。此外，由于輸電線路運行更為堅強，故輸電設備的使用壽命也相對更長，也更能夠防止輸電線路發生人身傷亡等安全事故。

將本文所分析的輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術應用到華中某省電網輸電線路中，通過對不同風險等級下的典型塔進行有限元的靜力分析和模態分析，尋找輸電線路中的薄弱部分。并且進行輸電塔加固前后的有限元對比分析，以及塔身縮尺模型加固前后的力學試驗對比，結構發現輸電線路經過優化加固之后，輸電線路在多種氣候條件下，各個運行指標依然處于合格范圍內。對輸電線路薄弱環節采取加固補強措施，可在追加投入少的情況下顯著提高在運輸電線路的承載能力，避免因不同天氣以及傳統設計不足引發的輸電塔壓彎、網絡閃絡、污閃、接地短路，甚至輸電線路壓垮等問題，提高輸電線路應對惡劣天氣的能力，確保電網運行的安全和穩定。

4 結語

對輸電線路采取加固措施，可以提高輸電線路的抗風險抵御能力。本文首先分析了輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術的應用背景，之后闡述了具體的輸電線路薄弱點辨識及其優化加固技術原理。通過采用該薄弱點辨識及其優化加固技術，可以提升輸電塔的抗災水平，保證輸電線路的可靠運行。