一种基于风速风向分布的避雷针响应分析方法

技术领域

本发明涉及避雷针抗风分析技术领域，特别涉及一种基于风速风向分布的避雷针响应分析方法，即基于实测风速风向联合分布模型的避雷针流场响应分析方法。

背景技术

避雷针是防雷系统中最基本但也是最为关键的一环，直接关系到变电站的安全运行和供电系统的稳定性。常见的避雷针常采用不同直径的圆钢管连接而成，风荷载易使这类结构频繁地振动，导致避雷针连接处的构件变脆，最终可能在薄弱位置发生断裂。其振动与结构的动力特性、结构的几何形态和尺寸、尤其是空气流经结构时的绕流特征有关。因此，有必要考虑避雷针在实际风速流场下的受力，考虑实际风速下避雷针受力的设计将大幅提高避雷针的抗风性能。

针对避雷针抗风性能的计算通常根据相关规范计算结构的荷载，并根据相关规范进行结构受力的验算或使用有限元仿真计算，例如，中国专利申请一种单柱钢管式避雷针性能计算方法(CN116046301A)，计算了避雷针的荷载并进行了各构件的强度验算，目前该种计算分析方法使用单一风速进行荷载计算，不能充分考虑实际风速风向作用下避雷针在流场中的受力情况，所获得的结果难以充分估计实际运行中避雷针的风振情况。此外，对于避雷针在流场中的有限元仿真，目前通常使用整体结构进行，难以达到分析绕流影响所需的精度，不能精确估计避雷针的横风向振动。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于风速风向分布的避雷针响应分析方法，该方法更充分地考虑实际风速与风向的影响，与概率分布模型结合，对避雷针在风场中的受力进行更全面的考虑，同时结合流场中的有限元仿真，对避雷针因空气绕流的受力进行更充分的考虑，从而获得更加精确的避雷针抗风计算结果，可以有效提高对实际运行中避雷针的受力及风振情况的估计的准确度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于风速风向分布的避雷针响应分析方法，包括以下步骤：

步骤(1)、使用风速传感器收集避雷针塔顶点等高位置处的风速和风向数据；

步骤(2)、对数据进行预处理；

步骤(3)、构建风速和风向的联合分布模型；

步骤(4)、使用联合分布模型构建避雷针附近风场；

步骤(5)、对避雷针进行流场下的有限元模拟；

步骤(6)、对避雷针进行在流场中受力规律的拟合；

步骤(7)、进行避雷针抗风设计计算；

步骤(8)、使用抗风设计计算结果优化避雷针塔的结构参数。

所述的步骤(2)具体包括以下步骤：

(2.1)对风速数据进行预处理；

处理缺失值及异常值，检查数据中是否存在缺失的风速值，进行填充，填充方法包括平均值、中位数、插值；检测并处理异常的风速值，进行修正或删除；

(2.2)对风向数据进行预处理；

将风向数据统一转化为角度值，并处理缺失值及异常值；如果存在缺失的风向值，进行填充，方法包括最频繁的风向值或插值；检测并处理异常的风向值，进行修正或删除。

所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)对风速风向数据统计分析；

分别对经过预处理的风速数据和风向数据进行统计，获取其边缘分布函数；

(3.2)选择合适的Copula函数；

根据边缘分布函数中显示的风速和风向的概率分布特征选择Copula函数，Copula函数包括Gaussian-Copula函数、t-Copula函数、Frank-Copula函数、Gumbel-Copula函数，并对Copula函数的参数进行计算；

(3.3)优选使用的Copula函数；

采用赤池信息量准则或贝叶斯信息量准则，对Copula函数的参数进行比较实用效果，选取最优的Copula函数；

(3.4)建立风速风向的联合分布函数：

使用选出的最优的Copula函数，构建风速和风向的联合概率分布函数，表示为：

F(X

式中，F

所述的步骤(4)具体包括，根据联合分布模型生成概率值数对，再使用风速和风向各自的边缘累积分布函数的逆变换函数，进行逆变换获得风速和风向的值，根据时间排序进而得到符合联合分布模型的风速风向序列，进而构建出避雷针附近风场。

所述的步骤(5)具体包括以下步骤：

(5.1)将避雷针进行分段建模并计算相关参数；

将避雷针沿高度方向分段，并认为每段内的直径不变，对每段所处的流场进行有限元建模；

(5.2)针对避雷针周围流场进行模拟；

将步骤(4)所得的联合分布模型的风向风速序列作为入口条件进行加载，获取避雷针各段表面的压力分布情况，并通过积分获得每个小段在流场中受到的总压力。

所述的步骤(6)具体包括，进行避雷针在流场中受力规律的拟合，即对避雷针各个小段在流场中受到的压力进行拟合，获得受力大小沿圆柱截面直径变化的函数。

所述的步骤(7)具体包括以下步骤：

(7.1)建立避雷针的整体结构有限元模型；

(7.2)将拟合获得的避雷针的不同高度处的受力施加在模型上，查看其应力分布与位移情况。

相较于现有技术，本发明的优点为：

1、本发明的步骤(3)和步骤(4)应用实测数据构建风速和风向的联合分布函数，采用该概率分布生成的风场进行避雷针抗风设计计算，与现有技术中应用单一风速进行计算相比，更加贴近实际运行中的情况，更具有合理性。

2、本发明的步骤(5)针对避雷针在风场中的响应，通过流场仿真，获得了避雷针在风场中的力学响应结果；同时通过分段仿真，提高了计算的精度，以获得更加准确的避雷针力学响应结果。与现有技术中将风速直接转换为荷载力施加在避雷针上相比，考虑了避雷针在流场中的受力的复杂性，获得了更符合实际的计算结果。

综上，本发明将避雷针抗风计算与实际风速风向概率分布结合，基于实测数据获取风速、风向的联合概率分布，再利用这种分布生成风的时间序列，利用流场仿真与结构仿真结合进一步解决了避雷针在风场中的响应计算问题。相较于现有方法，提高了计算风速风向与实际情况的符合程度，可以有效计算出符合实际风速风向分布的避雷针振动响应情况。

附图说明

图1为避雷针的分段流场建模模型。

图2为流场风速分布图。

图3为表面压力分布图。

图4为避雷针抗风设计计算结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种基于风速风向分布的避雷针响应分析方法，包括以下步骤：

步骤(1)、使用风速传感器收集避雷针塔顶点等高位置处的风速和风向数据；

(1.1)确定数据采集目标；

确定需要了解的风速和风向的特定信息，例如，是需要短期观测数据还是长期历史数据，以及数据的时空分辨率等；

(1.2)使用风速传感器对避雷针顶点等高位置处的风速进行收集。

步骤(2)、对数据进行预处理；

(2.1)对风速数据进行预处理；

检查数据中是否存在缺失的风速值，如果有，可以选择进行填充。常用的填充方法包括平均值、中位数、插值等。

检测并处理异常的风速值，可以使用统计方法进行判断。超出合理范围的数值可能是错误的观测，可以进行修正或删除。

(2.2)对风向数据进行预处理；

将风向数据从字符型转换为数值型表示。例如，将风向按照特定规则转换为角度值；

检查数据中是否存在缺失的风向值，如果有，可以选择进行填充。常用的方法包括使用最频繁的风向值或进行插值；

检测并处理异常的风向值，例如检查是否有超出风向范围的值(通常为0到360度)，进行修正或删除。

步骤(3)、构建风速和风向的联合分布模型；

(3.1)对风速风向数据统计分析；

分别对经过预处理的风速数据和风向数据进行统计分析，获取其边缘分布函数，分析其分布特征。

(3.2)选择合适的Copula函数；

根据边缘分布函数中显示的风速和风向的概率分布特征选择Copula函数，Copula函数包括Gaussian-Copula函数、t-Copula函数、Frank-Copula函数、Gumbel-Copula函数，并对Copula函数的参数进行计算；

(3.3)优选使用的Copula函数；

比较不同种类的Copula函数的实用效果，选取最优的函数，可采用赤池信息量准则(Akaike Information Criterion，AIC)或贝叶斯信息量准则(Bayesian InformationCriterion，BIC)进行计算比较。

(3.4)建立风速风向的联合分布函数：

使用选出的最优Copula函数，构建风速和风向的联合概率分布函数，表示为：

F(X

式中，F

步骤(4)、使用联合分布模型构建避雷针附近风场；

根据联合分布模型，生成一系列风速风向数据的概率值数对，使用风速和风向各自的边缘累积分布函数的逆变换函数，进行逆变换获得一系列风速和风向的值。根据时间排序进而得到符合联合分布模型的风速风向序列，构建出避雷针附近风场。

步骤(5)、对避雷针进行流场下的有限元模拟；

(5.1)将避雷针进行分段建模并计算相关参数：

将避雷针沿高度方向分段，并认为每段内的直径不变，对每段所处的流场进行有限元建模，如图1所示，使用精细化的网格划分策略以保证绕流计算的精度。

(5.2)针对避雷针周围流场进行模拟：

设置合适的边界条件，将步骤(4)所得风向风速序列作为入口条件进行加载，计算避雷针周围的流场参数，如图2是流场中的风速分布。进而获取避雷针各段表面的压力分布情况，如图3所示，并通过积分获得每个小段在流场中受到的总压力。

步骤(6)、对避雷针进行在流场中受力规律的拟合；

对避雷针各个小段在流场中受到的压力进行拟合，获得受力大小沿圆柱截面直径变化的函数，可选择多项式函数为拟合函数；

步骤(7)、进行避雷针抗风设计计算；

(7.1)建立避雷针的整体结构有限元模型；

(7.2)将拟合获得的避雷针的不同高度处的受力施加在模型上，查看其应力分布与位移情况。如图4是避雷针整体的位移变形情况，从图中看出避雷针在风的作用下发生了弯曲摆动，其位移随高度而增加。

步骤(8)、使用抗风设计计算结果优化避雷针塔的结构参数。

根据计算获得的应力分布与位移情况，优化避雷针结构的抗风设计，可根据情况选择增加加劲板、加强螺栓、采用套筒法兰等方式对避雷针薄弱处进行加固，提高避雷针的抗风能力。

本发明将避雷针抗风计算与实际风速风向概率分布结合，更充分地考虑实际风速与风向的影响，再利用这种分布生成风的时间序列，同时结合流场中的有限元仿真，对避雷针因空气绕流的受力进行更充分的考虑，解决了避雷针在风场中的响应计算问题。相较于现有方法，提高了计算风速风向与实际情况的符合程度，可以有效计算出符合实际风速风向分布的避雷针振动响应情况，可以有效提高对实际运行中避雷针的受力及风振情况的估计的准确度。