一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法与流程

1.本发明属于输电杆塔监测技术领域，尤其涉及一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法。


背景技术：

2.在输电线路覆冰情况下，往往会造成线路、杆塔严重受力不均匀，使得杆塔实际荷载远超出其设计承载力，造成杆塔倒塌或破坏，由覆冰造成的倒塔主要有以下三种典型模式：覆冰纵向不平衡张力，由于杆塔两侧的导线不均匀覆冰或脱冰，多出现在导线还没有因覆冰过载而出现断裂、掉落等情况下；覆冰垂直荷载，主要是由于导地线、杆塔等的自重加上冰重后，超过杆塔实际承压能力；导线舞动，舞动是导线在覆冰初期由于冰形不规则，在风力作用下产生的大幅度上下翻飞振荡，由于振动幅值大，持续时间长，使得杆塔承受很大的往复拉、压和扭力。
3.风偏或覆冰情况下往往会造成线路、杆塔严重受力不均匀，使得杆塔实际荷载远超出其设计承载力，造成杆塔倒塌或破坏，因此需要监测评估杆塔受力稳定情况，预防杆塔受力超限而造成的事故。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题：提供一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，以监测评估杆塔受力稳定情况，预防杆塔受力超限而造成的事故等。
5.本发明技术方案是：
6.一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，所述方法包括：
7.步骤1、获取非冰期无风情况下导线位置三维坐标信息，经过二维多项式拟合作为导线运行状态位置基准信息；
8.步骤2、计算有风情况下导线弧垂变化量和速率，并进行风偏转向夹角计算，从而计算得到风荷载；
9.步骤3、计算冰期导线覆冰荷载；
10.步骤4、对杆塔受力进行分解与评估。
11.步骤1所述获取非冰期无风情况下导线位置三维坐标信息，经过二维多项式拟合作为导线运行状态位置基准信息的方法包括：
12.步骤2.1、在t号杆塔与t+1号杆塔之间的导线中分别于弧垂最低点位置p1、弧垂最低点至t号杆塔悬挂点的中间点位置p2、弧垂最低点至t+1号杆塔悬挂点的中间点位置p3安装北斗定位装置；
13.步骤2.2、在非冰期的无风情况下，通过所安装的北斗定位装置获取上述3个点的三维坐标信息p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3)，x1、x2和x3为经度，y1、y2和y3为纬度，z1、z2和z3为高程；
14.步骤2.3、基于导线中p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3)三个点的三维
坐标数据，采用最小二乘算法从水平面及顺线路走向竖直平面进行二维多项式拟合，得到无风情况下被监测导线的空间位置曲线方程f0，通过导线曲线方程f0得到无风情况下弧垂f0和垂直档距l0，作为导线运行状态位置基准信息。
15.步骤2所述计算得到风荷载的方法包括：
16.步骤2.1、将多分裂导线等效为一根悬索，等效直径d
eq
计算公式为：
[0017][0018]
式中：n为导线分裂数，df为导线分裂直径，d为导线直径；
[0019]
步骤2.2、根据导线悬链线数学模型，得到悬链线上各离散节点p的坐标，同时通过调节γ和σ0值来调整线路的弧垂；
[0020][0021]
式中y为离散节点p的经度，σ0为导线最低点水平应力，h为两悬挂点的垂直距离，γ为垂直比载，l
h-0
为拟合系数，x为离散节点p的纬度，l为两悬挂点的水平距离。
[0022]
当导线水平距离为lh时，其风荷载w
x
计算表达式为：
[0023]wx
＝0.625αμ
sc
βc(d+2δ)lh(khv)2×
[0024]
sin2θ
×
10-3
＝ghlhβcsin2θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3)
[0025]
式中：α为风压不均匀系数，μ
sc
为体型系数，βc为风荷载调整系数，d为导线计算外径之和，δ为导线直径，lh为垂直档距，kh为风压高度变化系数，v为设计风速，θ为导线风偏与无风期间基准状态轴向夹角，gh为基本风压。
[0026]
计算冰期导线覆冰荷载的方法为：
[0027]
步骤3.1、通过北斗定位装置获取覆冰情况下p1、p2、p3三个点的三维坐标值，采用最小二乘算法从水平面、顺线路走向竖直平面进行二维多项式拟合，得到当前冰期情况下被监测导线的空间位置曲线方程f，通过导线曲线方程f得到当前覆冰情况下弧垂f和垂直档距l；
[0028]
步骤3.2、将l与位置基准信息l0进行相差计算得到垂直档距变化量l，基于当前弧垂f与l计算覆冰荷载。
[0029]
步骤3.2计算覆冰荷载的公式为：
[0030][0031]
式中：β为导线两端挂点高差角；f为前覆冰情况下弧垂；σ
ioc
为水平应力、γ
ioc
为垂直荷载。
[0032]
步骤5所述对杆塔受力进行分解的方法为：以大号杆塔为前进方向，将杆塔两侧的
导线荷载分别沿顺线路方向和垂直线路方向进行分解，得到杆塔前侧顺线路方向受力m1、杆塔前侧垂直线路方向受力m2、杆塔后侧顺线路方向受力m3、杆塔后侧垂直线路方向受力m4，(m3
±
m1)为杆塔水平方向受力分解结果，方向相同为+，方向相反为-；(m4
±
m2)为杆塔垂直方向受力分解结果，方向相同为+，方向相反为-。
[0033]
将杆塔两侧的导线荷载分别沿顺线路方向和垂直线路方向进行分解的方法为：如果是非冰期则对风荷载进行分解，冰期则对覆冰荷载进行分解。
[0034]
对杆塔受力进行评估的方法为：将杆塔水平方向受力和垂直方向受力与设计值进行对比，受力达到设计值的0～30％杆塔稳定性评估结果为1级，受力达到设计值的31％～60％杆塔稳定性评估结果为2级，受力达到设计值的61％～90％杆塔稳定性评估结果为3级，受力达到设计值的91％～100％杆塔稳定性评估结果为4级，受力大于100％杆塔稳定性评估结果为5级。
[0035]
本发明有益效果是：
[0036]
本发明建立塔-线结构受力模型，结合风偏、覆冰荷载，对非冰期导线、杆塔受风偏影响受力稳定性进行分析，同时对于冰期首先基于弧垂或最大弧垂变化量及变化速率，判断此次线路运行状态受风偏或覆冰影响，其次根据判断出的受力影响类型，对杆塔综合受力情况分析，并对杆塔受力稳定性进行评估；实时监测评估杆塔受力稳定情况，预防杆塔受力超限而造成的事故；降低现有技术的故障率。
[0037]
本发明采用用北斗高精度定位装置可以得到高精度的坐标信息，用高精度的坐标信息反算可以计算得到准确的杆塔受力值；提高了测量精度，实现了对杆塔受力的准确实时监控，解决了风偏或覆冰情况下往往会造成线路、杆塔严重受力不均匀，使得杆塔实际荷载远超出其设计承载力，造成杆塔倒塌或破坏等技术问题。
附图说明
[0038]
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
[0039]
一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，具体包括：
[0040]
步骤1、获取非冰期无风情况下导线位置三维坐标信息，并将其作为坐标基准信息。
[0041]
(1)在t号杆塔与t+1号杆塔之间的导线中分别于弧垂最低点位置p1、弧垂最低点至t号杆塔悬挂点的中间点位置p2、弧垂最低点至t+1号杆塔悬挂点的中间点位置p3安装北斗高精度定位装置；
[0042]
(2)在非冰期的无风情况下(风速≤0.2m/s)，通过所安装的北斗高精度定位装置获取上述3点的三维坐标信息p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)，其中x1、x2、x3为经度，y1、y2、y3为纬度，z1、z2、z3为高程；
[0043]
(3)基于导线中p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)三个点的三维坐标数据，采用最小二乘算法从水平面、顺线路走向竖直平面进行二维多项式拟合，精确得到无风情况下被监测导线的空间位置曲线方程f0，通过导线曲线方程f0得到无风情况下弧垂f0、垂直档距l0，将其作为导线运行状态位置基准信息。
[0044]
步骤2、计算非冰期有风情况下导线风荷载。
[0045]
通过北斗高精度定位计算有风情况下导线弧垂变化量和速率，并进行风偏转向夹角计算，从而计算得到风荷载。
[0046]
输电线路塔-线结构系统为典型的单索体系，多分裂导线可等效为一根悬索，具有大位移小应变的几何特性，其等效直径d
eq
计算公式为：
[0047][0048]
式中：n为导线分裂数，df为导线分裂直径，d为导线直径。
[0049]
同时，根据导线悬链线数学模型，可以得到悬链线上各离散节点p的坐标，同时通过调节γ和σ0值大小，可调整线路的弧垂。
[0050][0051]
式中：y为离散节点p的经度，σ0为导线最低点水平应力，h为两悬挂点的垂直距离，γ为垂直比载，l
h-0
为拟合系数，x为离散节点p的纬度，l为两悬挂点的水平距离。
[0052]
当导线水平距离为lh时，其风荷载w
x
计算表达式为：
[0053]wx
＝0.625αμ
sc
βc(d+2δ)lh(khv)2×
[0054]
sin2θ
×
10-3
＝ghlhβcsin2θ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(式3)
[0055]
式中：α为风压不均匀系数，μ
sc
为体型系数，βc为风荷载调整系数，d为导线计算外径之和，δ为导线直径，lh为垂直档距，kh为风压高度变化系数，v为设计风速，θ为导线风偏与无风期间基准状态轴向夹角，gh为基本风压。
[0056]
3、计算冰期导线覆冰荷载。
[0057]
(1)通过北斗高精度定位装置，获取覆冰情况下p1、p2、p3三个点的三维坐标值，采用最小二乘算法从水平面、顺线路走向竖直平面进行二维多项式拟合，精确得到当前冰期情况下被监测导线的空间位置曲线方程f，通过导线曲线方程f得到当前覆冰情况下弧垂f、垂直档距l；
[0058]
(2)将l与位置基准信息l0进行相差计算得到垂直档距变化量l，基于当前弧垂f与l计算覆冰荷载。
[0059]
弧垂f与水平应力σ
ioc
、垂直荷载γ
ioc
关系表达式为：
[0060][0061]
式中：β为导线两端挂点高差角。
[0062]
4、杆塔受力分解与评估
[0063]
(1)杆塔受力分解
[0064]
以大号杆塔为前进方向，将杆塔两侧的导线荷载分别沿顺线路方向和垂直线路方向进行分解(非冰期对风荷载进行分解，冰期对覆冰荷载进行分解)，得到杆塔前侧顺线路方向受力m1、杆塔前侧垂直线路方向受力m2、杆塔后侧顺线路方向受力m3、杆塔后侧垂直线路方向受力m4，(m3
±
m1)为杆塔水平方向受力分解结果(方向相同为+，方向相反为-)，(m4
±
m2)为杆塔垂直方向受力分解结果(方向相同为+，方向相反为-)。
[0065]
(2)杆塔受力稳定性评估
[0066]
将杆塔水平方向受力和垂直方向受力与设计值进行对比，受力达到设计值的0～30％杆塔稳定性评估结果为1级，受力达到设计值的31％～60％杆塔稳定性评估结果为2级，受力达到设计值的61％～90％杆塔稳定性评估结果为3级，受力达到设计值的91％～100％杆塔稳定性评估结果为4级，受力大于100％杆塔稳定性评估结果为5级。

技术特征：
1.一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：所述方法包括：步骤1、获取非冰期无风情况下导线位置三维坐标信息，经过二维多项式拟合作为导线运行状态位置基准信息；步骤2、计算有风情况下导线弧垂变化量和速率，并进行风偏转向夹角计算，从而计算得到风荷载；步骤3、计算冰期导线覆冰荷载；步骤4、对杆塔受力进行分解与评估。2.根据权利要求1所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：步骤1所述获取非冰期无风情况下导线位置三维坐标信息，经过二维多项式拟合作为导线运行状态位置基准信息的方法包括：步骤2.1、在t号杆塔与t+1号杆塔之间的导线中分别于弧垂最低点位置p1、弧垂最低点至t号杆塔悬挂点的中间点位置p2、弧垂最低点至t+1号杆塔悬挂点的中间点位置p3安装北斗定位装置；步骤2.2、在非冰期的无风情况下，通过所安装的北斗定位装置获取上述3个点的三维坐标信息p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3)，x1、x2和x3为经度，y1、y2和y3为纬度，z1、z2和z3为高程；步骤2.3、基于导线中p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)和p3(x3,y3,z3)三个点的三维坐标数据，采用最小二乘算法从水平面及顺线路走向竖直平面进行二维多项式拟合，得到无风情况下被监测导线的空间位置曲线方程f0，通过导线曲线方程f0得到无风情况下弧垂f0和垂直档距l0，作为导线运行状态位置基准信息。3.根据权利要求1所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：步骤2所述计算得到风荷载的方法包括：步骤2.1、将多分裂导线等效为一根悬索，等效直径d
eq
计算公式为：式中：n为导线分裂数，d
f
为导线分裂直径，d为导线直径；步骤2.2、根据导线悬链线数学模型，得到悬链线上各离散节点p的坐标，同时通过调节γ和σ0值来调整线路的弧垂；式中y为离散节点p的经度，σ0为导线最低点水平应力，h为两悬挂点的垂直距离，γ为垂直比载，l
h-0
为拟合系数，x为离散节点p的纬度，l为两悬挂点的水平距离。
当导线水平距离为l
h
时，其风荷载w
x
计算表达式为：式中：α为风压不均匀系数，μ
sc
为体型系数，β
c
为风荷载调整系数，d为导线计算外径之和，δ为导线直径，l
h
为垂直档距，k
h
为风压高度变化系数，v为设计风速，θ为导线风偏与无风期间基准状态轴向夹角，g
h
为基本风压。4.根据权利要求1所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：计算冰期导线覆冰荷载的方法为：步骤3.1、通过北斗定位装置获取覆冰情况下p1、p2、p3三个点的三维坐标值，采用最小二乘算法从水平面、顺线路走向竖直平面进行二维多项式拟合，得到当前冰期情况下被监测导线的空间位置曲线方程f，通过导线曲线方程f得到当前覆冰情况下弧垂f和垂直档距l；步骤3.2、将l与位置基准信息l0进行相差计算得到垂直档距变化量l，基于当前弧垂f与l计算覆冰荷载。5.根据权利要求4所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：步骤3.2计算覆冰荷载的公式为：式中：β为导线两端挂点高差角；f为前覆冰情况下弧垂；σ
ioc
为水平应力、γ
ioc
为垂直荷载。6.根据权利要求1所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：步骤5所述对杆塔受力进行分解的方法为：以大号杆塔为前进方向，将杆塔两侧的导线荷载分别沿顺线路方向和垂直线路方向进行分解，得到杆塔前侧顺线路方向受力m1、杆塔前侧垂直线路方向受力m2、杆塔后侧顺线路方向受力m3、杆塔后侧垂直线路方向受力m4，(m3
±
m1)为杆塔水平方向受力分解结果，方向相同为+，方向相反为-；(m4
±
m2)为杆塔垂直方向受力分解结果，方向相同为+，方向相反为-。7.根据权利要求6所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：将杆塔两侧的导线荷载分别沿顺线路方向和垂直线路方向进行分解的方法为：如果是非冰期则对风荷载进行分解，冰期则对覆冰荷载进行分解。8.根据权利要求6所述的一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，其特征在于：对杆塔受力进行评估的方法为：将杆塔水平方向受力和垂直方向受力与设计值进行对比，受力达到设计值的0～30％杆塔稳定性评估结果为1级，受力达到设计值的31％～60％杆塔稳定性评估结果为2级，受力达到设计值的61％～90％杆塔稳定性评估结果为3级，受力达到设计值的91％～100％杆塔稳定性评估结果为4级，受力大于100％杆塔稳定性评估结果为5级。

技术总结
本发明公开了一种基于北斗高精度定位信息的杆塔受力稳定性计算方法，包括：步骤1、获取非冰期无风情况下导线位置三维坐标信息，经过二维多项式拟合作为导线运行状态位置基准信息；步骤2、计算有风情况下导线弧垂变化量和速率，并进行风偏转向夹角计算，从而计算得到风荷载；步骤3、计算冰期导线覆冰荷载；步骤4、对杆塔受力进行分解与评估；提高了测量精度，实现了对杆塔受力的准确实时监控，解决了风偏或覆冰情况下往往会造成线路、杆塔严重受力不均匀，使得杆塔实际荷载远超出其设计承载力，造成杆塔倒塌或破坏等技术问题。造成杆塔倒塌或破坏等技术问题。造成杆塔倒塌或破坏等技术问题。


技术研发人员：杨秋 杨柳 熊浩 吴寿长 方曦 冉爽 廖永彬 田刚 陈星宇 喻群 田飞龙
受保护的技术使用者：贵州电网有限责任公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/14