特高压输电线路通道多工况仿真模拟分析

王胜利 周璋鹏 成 保 白宏明 马长山

（国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州730070）

电力系统为我国社会经济的快速发展提供强而有力的动力支持，而输电线路对供电的安全稳定性具有直接的影响，因此，保证输电线路，尤其是特高压输电线路在运行过程中的安全可靠性具有十分重要的意义[1]。由于特高压输电线路跨越区域范围广、所处地形复杂、所在自然环境恶劣、设备长期暴露在外,导致输电线路非常容易受到机械张力作用、雷击闪络、材料老化、覆冰、高温等因素的影响而出现断股、磨损甚至是腐蚀等各种问题[2-3]。

一直以来，输电线路的维护以及走廊巡检工作均依靠人工现场勘探，这种方式工作效率低下，工作人员的安全得不到保障，且受到地形、地势的影响，输电线路隐患问题不能被及时发现，具有严重的安全隐患[4]。

本文研究一种基于激光点云数据的输电线路通道多工况仿真模拟分析算法，动态模拟在不同的温度、风速、风向等气象条件下，风偏、弧垂等的变化状态，结合三维地形和三维模型，实现线路安全运行状态检测。

1 多工况仿真模拟分析

1.1 导线弧垂拟合

本研究采用悬链线方程的简化形式抛物线方程，抛物线方程可以满足工程应用的精度要求，斜抛物线方程为：

其中，φ- 高差角。

1.1.1 比载计算

在导线计算中，常把导线受到的机械荷载用比载表示。由于导线具有不同的截面，因此仅用单位长度的重量不宜分析它的受力情况[5]。

此外比载同样是矢量，其方向与外力作用方向相同。所以比载是指导线单位长度、单位截面积上的荷载，常用的比载共有七种，包括自重比载、冰重比载、导线自重和冰重总比载、无冰时风压比载、覆冰时的风压比载、无冰有风时的综合比载和有冰有风时的综合比载。

1.1.2 导线温度与应力计算

由于气象条件变化时，架空线所受温度和荷载也发生变化，相应其水平应力σ0 和弧垂f 也随着变化。为此要确定σ0大小，则必须要研究气象条件（或称状态）变化时，导线的应力会怎样的变化关系，因而引出了状态方程，即导线内的水平应力随气象条件的变化规律可用导线状态方程来描述[6]。由斜抛物线方程确定的形式，略去推导过程，得到状态方程如下：

式中：

gm- 初始气象条件下的比载，N/m.mm2；

gn- 待求气象条件下的比载，N/m.mm2；

tm- 初始气象条件下的温度，℃；

tn- 待求气象条件下的温度，℃；

σm- 在温度tm 和比载gm 时的应力，MPa；

σn- 在温度 和比载 时的应力，MPa；

α- 线温度线膨胀系数，1/℃；

E- 导线的弹性系数，MPa；

φ- 导线悬挂点高差角；

l- 档距，m。

1.1.3 导线载流量与温升计算

根据热平衡原理,架空导线吸收的热量应等于散发的热量，即导线上电流产生的热量加上日照吸收的热量等于辐射散发的热量加上对流散发的热量[7]。

1.1.4 弧垂调整

由机载LiDAR 点云获取的三维电力线模型数学表达简单，为了进行电力线安全的实时评估，需要模拟不同气象条件下的导线弧垂状态，首先要确定瞬时工况条件下应力参数。由于导线的弧垂受气象条件影响，其悬链线形态是动态变化的，需要根据实际情况才能更加精确模拟现场情况。实时拟合算法需要加入风速、温度因子，使导线的拟合模型能够在不同环境下进行智能化的参数调整，求出实时最优解。

1.2 导线风偏与弧垂

导线风偏（舞动、弧垂）是威胁架空输电线路安全稳定运行的重要因素之一，常常造成线路跳闸、导线电弧烧伤、断股、断线等严重后果，且风偏的发生常伴有大风和雷雨现象，给故障的判断及查找带来一定的困难。

（1）风偏后导线弧垂计算。需要计算架空线风偏后，在垂直及水平投影平面内的弧垂、应力及悬挂点应力等[8]。如图1 所示，将风偏平面内的架空线向垂直平面xy 投影，投影曲线ACB上仅作用有垂直比载γv、悬挂点垂直应力分量συA和συB、线路方向的水平应力分量συA=συB=σ0。将风偏平面内的架空线向水平面xz 投影，投影曲线A"C"B"上仅作用有横向水平比载γh、垂直于线路方向的悬挂点水平应力σhA和σhB、顺线路方向的水平应力σ0。

图1 风偏模型

（2）最大弧垂判定。为确定杆塔高，校验导线对地面、水面或交叉跨越物间的安全距离及杆塔位置等，需要知道导线的最大弧垂及其出现的气象条件[9]。最大弧垂出现的气象条件一般为最高气温或者最大垂直比载出现，可以通过临界温度法确定，计算公式如下：

将计算的临界温度tj和最高气温tmax相比较，温度高者为出现最大弧垂的控制条件。若tj>tmax，则最大弧垂发生在最大垂直比载气象条件，反之最大弧垂发生的最高温气象条件。

（3）风偏分析。模拟大风环境下风偏情况，根据风向、最大风速，用风偏模型对线路进行风偏模拟计算。计算出不同运行情况下风偏角的大小，按照导线弧垂情况决定绝缘子的空间位置，将输电线路的实际情况展示在三维可视化平台中。然后把风偏的实时情况与输电线路的风偏极限值进行对比，一旦超出设定值就会发出预警信息。

1.3 覆冰模型

覆冰对于电力系统是一种严重的自然灾害，常会引起输电线路倒杆、倒塔，导线舞动、断线（股），金具损伤、损坏，导线相间或对地放电，绝缘子闪络跳闸等重大事故，给电力系统的安全稳定运行带来严重危害。

本研究采用两种覆冰模型计算覆冰厚度，即通过覆冰截面积计算覆冰厚度和通过输电线路静力学模型计算覆冰厚度。

（1）覆冰截面积计算覆冰厚度。通过分析悬链线悬点处导线张力，分别计算风偏平面内参数及垂直线路的导线水平风荷载，从而计算风偏情况下覆冰导线总截面积。覆冰厚度计算公式可得：

（2）通过线路静力学模型计算覆冰厚度。

图2 是风偏平面内输电线路的模型，分析导线覆冰后垂直风向上的静力学平滑，设覆冰密度为ρ，导线直线为D，认为覆冰形状为均匀圆柱体，则可得到导线等效覆冰厚度：

图2 风偏平面内输电线路的模型

2 基于航巡数据的特高压输电线路通道多工况仿真模拟分析

基于航巡数据的特高压输电线路通道多工况仿真模拟分析流程如图3 所示。

图3 特高压输电线路通道多工况仿真模拟分析流程图

基于航巡数据的特高压输电线路通道多工况仿真模拟分析，包括若干个处理流程和步骤：

步骤1 线路走廊三维建模。基于基础地理信息数据，包括激光点云数据、地形数据和影像数据，进行线路走廊三维建模，生成线路三维地形和地面、障碍物模型。

步骤2 建立输电线路导线和杆塔模型。基于激光点云数据，进行点云数据筛选、杆塔定位、范围裁剪、自动分类和人工交互等自动建模过程生成杆塔精确位置信息数据和杆塔模型、导线模型。

步骤3 计算应力系数。利用激光点云数据、瞬时工况信息和杆塔、导线台账信息，生成在特定温度、风速、光照、负荷条件下的导线弧垂曲线，进行比载计算、温度与应力计算、弧垂调整计算、负载与升温计算和风偏计算，得到导线应力系数。

步骤4 生成调整导线弧垂曲线。利用步骤2、步骤3 的计算结果，在不同的温度、覆冰、风速、光照、负荷等条件下，计算生成调整导线弧垂曲线。

步骤5 多工况仿真模拟分析。基于步骤1 和步骤4 的成果，按照输电线路运行规程设置各种地物到导线的安全距离，计算多种工况条件下的各种安全距离、自动提示安全隐患、动态模拟显示进行报警、生成分析报表。

3 结论

本文研究在不同的温度、风速、风向等气象条件下，风偏、弧垂等的变化状态，结合三维地形和三维模型，实现线路安全运行状态检测。经过理论和现场验证，这种方法具有准确性和实用性的特点，适用于常见的输电线路，特别是特高压输电线路通道，可以快速找出输电线路的潜在故障，提高电网系统日常运行的稳定性。