TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.7, July 201 4, pp . 5011 ~ 50 2 1   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i7.506 7          5011     Re cei v ed  No vem ber 6, 20 13; Re vised  Febr uary 9, 2 014; Accepte d  March 1, 20 14   Analysis of W e ak Positi on in Overhead line under  Heavy Icing Condition by  Finite  Eleme n t Method       Liu Chao* 1 , Ruan Jia ngjun 2 , Du Zhi ye 3 , Du We, Liu Yang,  Wa ng Zhuo   Schoo l of Elect r ical En gin eeri ng, W uhan U n i v ersit y , W u h a n ,  China   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : lcnha lcnh a@ 163.com * 1 , ruan30 8@1 26.co m 2 , Duzhi y e@ 126.com 3       A b st r a ct     Trans m i ssion tower is a  very important co m p onent of power syst em , and heavy iced  transmissio n   l i ne has beca m o ne of  t he  i m portant factors   aga inst its s a fe ty and st abi lity  in C h in a' s p o w e system thes e years  but the  transmi ssio n  li ne des ign ed fr om trad itio nal  standar d can't end ure the  mo re   w o rse enviro n m e n t. In this paper, for pos iti oni ng the w eak  points of the trans missi on l i n e  und er he avy  icin g   accurate ly and  providi ng acc u rate pos ition a l  para m et er s to onli ne  mo nit o rin g  devic es, the strain secti o n   mo de l is  bu ilt t o  a nalys is th eir  mech anic a pr operti es u n d e icing  a nd w i nd  cond itions. I n  p r opos ed  metho d ,   the cou p li ng ef fect betw een tow e r and l i nes  is consid er e d , then the w e a k  tow e r is picked out by strai n   section   mod e l   that is c o mbi n ed w i th  ei ght t o w e rs. T he  si n g le  on e-tow e r-tw o -lines   mod e l  of w eak t o w e r is   built to si mulat e  an d verify th e w eak po int a ccurately.  F i n a l l y the better w a y is defi n e d  to  get the loc a tio n  of   w eak structure combi ned w i th  the adva n tag e s  of both mo de ls.     Ke y w ords : tow e r-line  mo del,  heavy ice d  co ver, finite el e m ent method, u n bal ance d   tensi on, w eak poi nt     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Icing is o ne  of the comm on natu r al p henom eno n. Free zin g  rain  begin s  to ice whe n   encounte r ing   wire and  to wers,  and  ici ng al so  ha pp ens when  sn ow  melts with  the  con d ition  that  the tempe r at ure  rem a in betwe en mi n u 4 a nd 0   [1]. Power transmi ssion  li ne pl ays  a v e r y   importa nt role  in powe r  system [2], damage of it  woul d have gre a t impact on the  so ciety. Durin g   the 2008 S p ring Fe stival, huge di sa ste r  ca used by  rare free zin g  rain a nd sn ow ha ppe ne d in   Southern Chi na, cau s ing  mass de stru ction to  powe r  grid, whi c h made pe ople  began to ref l ect  the de sign  st anda rd s of th e po we r line s . Online m oni toring  device   for force  dete c tion al so  ha d   the attention.   Towe rs-lin es syste m  of t r an smi ssi on l i ne  i s  coupl ed system compo s ed   by   towe rs,   insul a tor  strin g s a nd  wire.  With differe nt geog ra p h i c al  con d ition s , the span  differen c e, h e ight  differen c e an d the co rne r  of each to wer are differe nt. Unre asona bl e desi gn of transmi ssion li ne,  like too large span difference  and  height difference,  will lead to  t o wer tension imbalance. The  imbalan ce a g g ravate s whe n  encounte r i ng bad  weat her  su ch a s  stron g  wi nd o r  free zing,  which  may cau s e t o we bre a k,   tower  collap s e an d lin e fracture, ma ki ng a   significant imp a ct  o n   peopl e's p r o d u ction a nd living [4]. At th e sam e  ti me, limited by the cal c ulatio n con d ition s  an con s tru c tion,  the in stallatio n  lo cation  of the tr a n smissi on line  towers  stre ss dete c tion  device  can   not be a c curately installe d in stress-concentratio n   steel st ru ctures defin ed a s  we ak  point s. It  redu ce the a c curacy of tower-li ne sy s t em s t ruc t ural failure predic tion.  As the mutu a l  cou p ling b e twee n the in sulator, tower  and  wire, ext e rnal fa cto r s i n volved  icing g r avity, wind a nd et c., it is difficult to  determin e   the initial sh a pe of the tower-li ne mo del,  and so is the  numeri c al a nalysi s . In literatu r e [1] and [9], based  on mech ani cs p r in ciple s   the   authors  used  the finite el e m ent meth od  that apply e d  icing  loa d  o n  wi re n ode s. Cal c ulation   o f   icing l oad i s   compl e x. Wh enever th e i c ing thickn ess is chan ged,  the load  on  node will ne ed  recalculation,  and there i s  a deviation in  the resul t. In  [14] it proposed to establi s h icing el eme n ts  whi c h sh ared  node s with wire el ement s on wi re  su rface. Avoidi ng the com p lex mecha n ical  cal c ulatio ns, i t  can ea sily control the i c i ng  thickn ess,  icing h e tero geneity and  uneven d e -i ci ng.  This pap er  d e scrib ed  the  relevant prin ciples of  the fi nite eleme n mech ani cs a nalysi s  of to wer- line mod e l fo r tran smi s sio n  line. It buil ded u p  ov e r a ll strai n  segm ent finite ele m ent me cha n ics  analysi s  mod e l of overhea d transmissio n line towe line system. T h rou gh si mul a tion, it inden tify  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5011 – 50 21   5012 the stru cturel y weak to wer in strain seg m ent.  Combi ned with a ccurate an alysi s  in one -tower- two-lin es m o de, the wea k  points in the wea k  towe r coul d be p o sition ed. Propo sed meth od  combi ned the  analysi s  cha r acte ri stics of strain  segm ent model an d one-to we r-t wo-li n e s  mod e l,   simplifing  the  analy s is pro c e s s an d eff e ctively im p r oving the  a c curacy  and   efficien cy of  th e   mech ani cal st ructu r e a naly s is of the ici n g tower-lin e system.      2. Mechanic s Finite Element An aly s is Theor y  of  To w e r - Line  Sy stem   2.1. Cons titu tiv e   Equation  Towe r m e cha n ics an alysi s   is  stru ctural str ength i s sue,  whi c h m eets the ba si c eq uation s   of elasti city. Elasticity, also kn own a s  t he theo ry  of elasti city,  is mainly  ab out the  stress, strain  and di spl a ce ment of the  obje c t wh en f a ctors  su ch   as exte rnal f o rce o r  a te mperature  ch ange   acted on it, so as to address the stre n g th and st iffness pro b lem s  of structu r al  or mech ani cal  desi gn. Sin c e  the mate rial  con c e r ne wi th is i s otr opi c, according  to  the theo ry of  ela s tic-pla s tic   mech ani cs, controllin g equ ations in clu d e d  two gro u p s  of equation s   as follo ws:   Differential e quation s  of mech ani cal eq uilibriu m     0 0 0 yx xz x xy y z y yz xz z X xy z Y xy z Z xy z                                                                                                            (1)    Material con s titutive  equations    1 [( ) ] 1 [( ) ] 1 [( ) ] 2( 1 ) 2( 1 ) 2( 1 ) xx y z yy x z zz x y yz yz xz x z xy x y E E E E E E                                                                                                                     (2)    x y z   yz T zy T x z T  =  zx T  and   x y T  =  yx T  of Equ a tion (1)  are  st ress  comp one nts   of different  dire ction s , X, Y, Z are the phy sical  comp one nts  of the unit volume in th ree  coo r din a te di rectio ns;  x y z , yz , x z  and   x y  of Equ a tion (2) are  strain  comp o nents of  different di re ction s , rep r e s entin g rel a tions  of di spla ceme nt and  strain  of any  points  within  the  obje c t when  deform a tion o c curs to it;  E  and   represent  the Young's  m odulu s  of elasticity and  Poisson' s ratio, meeting Hookela w . For con c rete  tower-li ne st ru cture  system, takin g  the ab ove   two formul as  as solving eq uation s , base d  on the  finite element m e thod, we  ca n bulid up e n tity  model  with the help of business software ANSYS [15 ]. It provides  elelment s of different types  with differe nts de gre e of freed om for m odelin g va rio u stru ctures,  whi c h would  be intro d u c ed  in   the next chap ter. We co uld  define  the propertie s  of the material an d take the the initial value of  strain  an direct fo rce of  sysytem a s   kn own  pa ram e ter to  figure o u t un kno w n  variabl es of e a c h   node  su ch  a s   stre ss,  disp lacem ent a n d  strain. It could b e  u s e d  to judg e the  relia bility of the   sy st em.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis of  Weak Po sition i n  Ove r he ad li ne  und er Hea vy Ici ng Cond ition by… (Liu  Chao 5013 2.2. To w e r Steel Stru ctur e Model   BEAM188 el ement i s  usually used on  tower stee l structure m o deling [18]. As what i s   sho w n  in Fi g u re  1(a), it i s  a  two - no d e s-3-D  linea r finite strain  element. It h a six o r   se ven   degree s of freedom  at ea ch n ode, in cl uding t r an sl a t ions in th x, y, and z  dire ction s  an rotation s a b o u t the x, y, and z  dire ction s  and  a opt io n a l deg ree  of freed om of  wa rping. It ha s t he  ability to wit h stand the t ensi on, com p ressi on, bending, twi s ti ng and shear. Based on  the   Timoshen ko  beam the o ry, the plane of  cro s s-se ctio n of the ele m ent ke ep s undi storted  a fter   deform a tion. The ela s tic, creep a nd pla s tic mate rial  model a r e su pporte d, and  also throug h the  definition  of cross-sectio n and se ctional   dire ct ion defi ned  p o int,  cross-se ction si mulation can  b e   achi eved. Th e simulatio n  functio n  cove rs a variet y of material s, su ch a s  steel a r ch sectio n, and  is suitable fo r analysi s  of the an gle ba r material  m o del of towe r.  As sh own in  Figure 1(b),  b y   setting the real constant s of BEAM188 element, we  can simulate the  sh ape and cros s-secti on  size of L-sha ped an gle ba r.        (a) Bea m 18 8 element       (b) mo del of L-shap ed an g l e bar  Figure 1. 3-D  Linea r Finite  Strain Beam  Element       2.3.  Wire and Ground  Wire Model   As a flexible comp one nt, wire a nd grou nd wire  have the cha r a c teri stic s that they are not  subj ecte d to  bendi ng m o ments  or stress a nd  only  with stand  te nsio n. They  can  be  preci s ely   pro c e s sed in  accordan ce  with the structure of t he si ngle cable. F o r the cro s s-se ctional  size  of  the cabl e is very small co mpared with  the length of  the cabl e, its flexural  stiffness is so sm all  that it can  be  igno red. Th e  cabl e mate ri al co mp lies with  Hooke's law.  U nde r it s o w weig ht, it  has  geom etri c shap e of a  caten a ry [9]. Comp ared  wi th the gen era l  cabl e st ru cture s  an d b r id ges  Lasso,  wire a nd g r ou nd  wi re have  small e stiffnes s, b i gger span,  d e flection  an a hig her de gree  of nonlinea rit y . The specifi c  bilinea r stiffness ma trix chara c te risti c s of LINK10 element ma kes it  a pole elem e n t which is o n ly under p r essure or  te nsio n In the axial dire ctio n. Openni ng  th e   tensio n-o n ly option, if the  unit is u nde pre s sure , stiffness  will di sa ppea r, so a s   to simulat e  th e   natural  relax a tion pro p e r ties of wi re an d grou nd wi re. LINK10 el ement ha s fu nction of solving  non-li nea r, stress stiffenin g  and larg e deform a ti on probl em s, makin g  it an ideal elem ent  to  analo g  wire a nd gro und  wire of transmi ssion lin e.    2.4.  Insulator Strings Model  Size of i n sula tor  string an d the  wire  co nne ction fittin g s i s  m u ch  smaller compa r ed  with  size of T o wer-Line  sy stem,  so  their influ n ce  fo me ch anics  analy s is of th e T o wer-Line  struct ure   is insig n ifica n t. Ignoring gravity of conn ection fi ttings  and insulato r string s, they can be a nalo ged  by the ri gid  conne cting  ro d elem ent LI NK8. Th e ele m ent with  two no des an three  deg ree s  of   freedo m co ul d be used for  the link of tower bea m elem ent and the wire ca ble ele m ent.  To effectively calculate  stress and  defo r ma tion  cau s ed by sp an, height differe nce a nd  uneven l oad  of multi-sp an To we rs-L ines  sy ste m , we  used B EAM188 el e m ent to an a l og  transmissio n tower, LI NK1 0  eleme n t to analog  wire  and g r oun d  wire  and LI NK8 elem ent  to   analo g  insul a tor strin g s a n d  con n e c tion fittings.  Con s i derin g the co upling of To wer-Line  syste m we  coul d cre a te overall  e n tity model. Beam el em e n t cross-se cti on of  the tra n smi ssi on to wer  model i s  " L " sh ape d, e c centri cly  con necte d.  Wi re  and  groun d  wire of t r a n smi ssi on li n e establi s h a  cable elem ent caten a ry mod e l, and  the prestre s s could  be determi n ed acco rdin g to  the installatio n  Actinoba cill us st re ss [15] Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5011 – 50 21   5014 3. Anal y s is o f  Weak Point of Strain  Se gment Mod e l of To w e r - Line Sy stem    3.1. Cate nar y   Structure   In this pape r, we use d  the  catena ry formula in line d e sig n  manu al  to simulate the wire   and groun d wire  stru ctu r e.   The 50 0kV  o v erhea d wi re s are fou r -spl it stru cture. T o  simplify the  modelin g proce s s,    four-split  wire s could  be eq uivalent to a  wire. T he  formulor  of cal c ulating e quivalent diam ete r  are   as  follows  [21]:     eq Sd dD D                                                                                                                                           (3)    S  is split number;  D  is se paratist diamete r d  is the diamet er of the ea ch  wire.   The co ndu cto r  caten a ry eq uation is a s  follows [16]:    2 00 00 0 0 0 0 2 (2 ) ( ) [sinh s in h ] [ s inh s inh ] 1 ( ) 22 2 2 h h h lx l x l x h y LL                                              (4)                                               In the equatio n, the param eter  0 h L  can be calcul ated a s  follows:     0 0 0 2 sinh 2 h l L                                                                                                                       (5)     l ——ho r izonta l  distan ce of the two suspe n sio n  point s   h ——verti cal d i stan ce of the  two su spe n si on point s   ——ratio of g r avity per unit  length of  wire and cro s s-section a l are a  of wire   0 ——st r e ss of  the wire lo we st point (the  cross-sectio n tensi on of wire per unit )   Coo r din a tes  of each di screte node on  caten a ry line  coul d be obta i ned acco rdi n g to th e   formula (5), value  of   is related to the  wire m odel  and value of  0  shoul d be th e avera g e   annu al ope rat i ng stre ss.     3.2. Finite Element Mod e l of the To w e r-line Sy stem   In this pa per,  we  sele cted  a micro c lim ate Strain  se gment of a  5 00kV lin e in  Central  Chin a to buil d  up finite el ement mod e l ,  which i n cl u ded 8 to wers and seven span s, numb e r ing   from 1 82#  to  189 #. The   182#  an d 18 9# to wer we re  strai n  to wers.  Co nsi d e r ing th at hei ght  differen c e a n d  uneve n  spa n  we re of  sig n ificant affe ct to Tower fo rce, coo r din a te s value s  of e a ch   tower in the   model  we re t a ke n from  th e actu al lin para m eters.  Each to we consi s ted  of two   kind s of ste e l material s,  Q235 an d Q345. Th e forme r  one  wa s usually use d  as a u xiliary  material s, an d the latter o ne was u s u a ll y used  as  m a in materi als.  Both of them  have “L ”-sh a ped   cro s s- se ct ion ,  as wa s sh o w n in Figu re  1(b ) .  Mat e rial  param eters of the strain  are a s  follows in  Table 1.       Table 1. The  Physical Prop erties of Mate rials  Entity  To w e r   Wir e   Grou nd w i re   Ty p e   Q345   Q235   LGJ-400/ 35   GJ -80   Cross-section ar ea (mm 2 661.74   79.39   Elastic modulus () Mpa   206000   206000   65000   181300   Densit y ( t/mm 3 7.85e-9   7.85e-9   3.1e-9   7.94e-9   Poisson's ratio  0.3  0.3  Y i eld strength () Mpa   345  235  97.73   443.97       In the mod e l, each an gle  bar of th e to wer wa equi valent to an  element, an d  the wh ole  insul a tor  stri ngs were  eq uivalent to  a n  elem ent. F o r the  wi re   and  gro und   wire, th ey were  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis of  Weak Po sition i n  Ove r he ad li ne  und er Hea vy Ici ng Cond ition by… (Liu  Chao 5015 equivalent to  hea d-tail-co nne cted  ele m ents  of 4.5   meters lo ng  acco rdin g to  its initial  sh ape.   There  were t o tally 208 62  eleme n ts  a nd 1 470 9 no des in th e fi nite elem ent  model  of  strain  segm ent. Fin i te element model of To wer-lin e strai n  segm ent system are  sh own in Fig u re 2.  Figure 2(a) i s  a 3-D finite element mo d e l of a  typical  tower  used i n  the strain  segment, Fig u re   2(b )  i s  a  full  model  diag ra m of the  entire st rain  se gm ents  of tran smissi on li ne s. The l a rge s t span   of strain  seg m ent attains  863m, lo cate d betwe en 18 4 # and 1 85  # towe r. The  maximum hei ght  differen c e is  61.3m, locate d betwe en 18 6 # and 18 7#  tower.           (a) ty pic a l sin g le towe r mo del       (b) strain se ct ion  model     Figure 2. Finite Element Model of Tra n smissi on Lin e       3.3. External  Force Load   Since the  co nce r ne d obj e c t is me ch ani cal p r op ertie s  of transmisson line s  an towers,  we mainly co nsid ere d  the effect of icing  gravit y and wind. Acco rdi ng to the formula of line d e sig n   manual, external force load  of the model coul d be calculated a s  follows:  (1)  Wind lo ad  on wire a nd  grou nd wi re    Whe n  the sp an of wire a n d  grou nd wi re  is  H l , the wind load is  cal c ula t ed as follo ws:    22 3 0. 62 5 ( 2 ) ( ) s i n 1 0 xs c c H h Wd l K v                                                                                (6)              In the  con d ition  with i c ing,  unit le ngth  wind   loa d  of  wire  p r od uce d  by h o ri zont al wi nd   coul d be calculated by the followin g  formula:    22 - 3 1 0. 6 2 5 ( 2 ) ( ) s in 10 , / sc h g dK N m                                                                           (7)     In the co ndition with out ici ng, unit lengt h wind  l oad  o f  wire p r od uced by ho rizon t al wind   can b e  cal c ul ated by the following fo rmul a:    22 - 3 2 0.6 2 5 ( ) s i n 10 , / sc h g dK N m                                                                                       (8)    In the equatio n,   the param eter  h K  could be  calculated a s  follows:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5011 – 50 21   5016 ) ( s h h h K                                                                                                (9)       h ——hei ght from the gro u n d  or wate r surface to win d s h ——ref ere n ce height of wi nd sp eed of the line s   ——the coefficient rel a ted to surfa c rou ghne ss. For g eneral landli n e it takes 0.1 6   d  ——diamete r of wire o r  ground  wire   s c ——wi r e sha pe co efficient   c  ——the win d  load adju s tm ent factor of  wire s’ effect o n  tower in 5 0 0 kV line   ——the p r escriptive desi g n  wind spee d at high ba seli ne hs ,; with the unit of m/s   h K ——hig coef ficient of  vari ation of  the  wind  spe ed at the  wi re s ave r age   h e ight h .   In   con d ition that   h  is equivalten  to  s h , value of  h K  is  1   ——wi r e ice thickne s s ,; wit h  the unit of mm   H l  ——horiz ontal s p an of tower ,; with the  unit of m   ——the an gle  betwee n  win d  dire ction an d wire axial.       (2)  Wind lo ad  on tower  Wind lo ad pe rpen dicular to  the surfa c e o f  the structu r e  can be  cal c ul ated as follo ws:    2 1.6 tz T c v Fk k k A                                                                                                                        (10)  k ——wi nd loa d  sha pe coefficient, whi c h i s  usually 1.3;  z k ——wi nd pre s sure va riatio n coeffici ent of height   T k ——wi nd loa d  adju s tment factor   c A ——tod wi n a r ea.       (3) Ici ng loa d  on wire and g r oun d wi re   Icing loa d  on  wire a nd g r ou nd wire pe r u n it length ca n  be cal c ulate d  as follo ws:     g 3  = 9.8×0.9 πδ ( d + δ 10 -3 N/m                                                                                         (11)      Cal c ulating   wind lo ad  and   icing  loa d  o n  wi re  and  gro und  wire  per  unit len g th, we can   cal c ulate loa d  on element a c cordi ng to the length.  Dev i ding the load  on element b y  two, we can   get nod e loa d  on two sid e s  of elem ent. In the  sam e   way, nod e lo ad on to we element al so  can  be obtain ed.   For to wer fo u ndation s  a r deeply bu rie d  in the  soil  a nd po ure d  wit h  co ncrete, they ca n   be con s ide r e d  to be  rigi con n e c tion in  the st ru ctur e .  In the finite  element m o d e l, all de gre e s  of  freedo m of tower fou ndatio n node s were  app lied the  constraints val ue of ze ro.     3.4. Strain Segment-line Model Simulation Results  The  purpo se  of this pa pe r i s  to i dentif y st ru cturally we ak poi nts of tower-line  syste m   throug h a nal ysis  of the m e ch ani cal p r o pertie s   of th e  towe r-li ne  system un de the condition  of  icing. Con s id ering the  effect of lateral  wind lo ad s, by changi ng combinatio n of icing thickn e s and wind sp e ed,  we ca b u ild  up re cycl able cal c ulat e program of  the strain  se ction to a naly z force of to wer-lin e syst em model.  Acco rdi ng to  line desi g n  manual a s  well as lo cal  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis of  Weak Po sition i n  Ove r he ad li ne  und er Hea vy Ici ng Cond ition by… (Liu  Chao 5017 meteorologi cal con d ition  of several years, the  cal c ulation was  divided into  16 group s, a s  is   sho w n in Ta b l e 2:      Table 2. The  Load ed Data   Grou p numbe r   Icing  thicknes mm   Wind  speed(m/s)   0 30   0 30   ·  ·  ·  ·  ·  ·  ·  ·  ·  14  26  0 30   15  28  0 30   16  30  0 30       Und e r ce rtai clim atic condition s,  si mula tion  re sults of di spl a cem ent a n d  stress  distrib u tion  of the st rain  se gment-li ne m odel a r e  sh o w n in  Fig u re   3 an d Fig u re   4. By cal c ulat ing   stre ss on ea ch bar,  we ca n obtain ratio  of actual   stress and yiel d  stre ss,  whi c h can  be u s e d  to   determi ne instability of st rain  segm ent  line-tower  system. If the rati o i s  bi gger than 1,  strain  segm ent line - tower  syste m  sho u ld b e  consi dered a s  failure fo r safe ope ration  of power g r i d s.  Loadi ng diffe rent combin a t ions of icin g  thickn es s a nd win d  sp e ed, we could  get cro s sov e r   failure data  of strain  seg m ent line (in  the condi tio n  that strain  segme n t line is impen di ng   stru ctural da mage ).          Figure 3. Displacement Di stributio n of Strain Sectio n-l i ne                        Figure 4. Stress Di stributi on of Strain Section - line     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5011 – 50 21   5018 Table 3. The  aggregatio n o f  critical failu re data       Icing  thickness mm   Wind speed  m/s   Element num. of  w e ak points  To w e r num.  of  w e ak points  Actual str e ss   kN/m 2   Ratio  12  16  8944   188#   -57933   0.1679   14  16  4641   185#   -59529   0.1725   16  12  8944   188#   -56970   0.1651   18  12  8944   188#   -58513   0.1696   20  10  8944   188#   -46276   0.1341   22  12  8944   188#   -59647   0.1729   26  14  8944   188#   -66969   0.1941   28  16  8944   188#   -71977   0.2086       Data of ice thickne s s and  wind  spe ed  list ed in Ta bl e 3 are th e input load when the  tower st ruct u r wa s cro s sover failure. Du ring th e  simul a tion  pro c e ss,  we  found  out t hat  increa sing either wind sp e ed  or  icin thi c kne ss of  ce rtain crossove r failure data,  stre ss of we ak  points li sted i n  the table would in cre a se  a lot  and excee d  the yield stre ngth of   the angle b a r,  and in th sa me time di spl a cem ent of n ode s on th wea k  p o ints  wa s mu ch l a rger th an b e fo re,  whi c h me ant  the angl e ba r wa s st ru cturally destroy e d . This  wo uld  se riou sly affect the  safe  and  stable  op erati on of th e tran smissio n  lin e s . In th cal c ulation  of ea ch cli m ate  co n d ition, be ca u s e   the icin g thi c kne ss i n cre a se s 2 mm  or  wind  sp e ed in crea se s 2m/s, the  acq u ire d   cli m ate   threshold  just  app roximate  on the  real t h re shol d an d  the a c qui red  ratio  wa s un able to b e  g e clo s e to 1.  As ca n be  se en from T abl e 3, whe n  the  ice thic kn ess increa se s, the criti c al valu e of the  wind sp eed d o se not  mo n o tonically  de cre a se,  whic h mea n critical failu re i c i ng thickn ess  and  wind spee d of the strain  segm ent line  are non -line a r relatio n shi p , and the trend is compl e x.  E v en somet i mes  whe n  ic e t h ic kne ss i n cr ea se s,  ma x i mum wind  spe ed t hat  t h e t r an smi sso n line   can with stan d increa se in steadly.  For  example, wh en the thickn es s of the ice cover in cre a se from 22mm t o  26mm, its maximum afforda b le wi nd  load increa ses from 1 2 m/ s to 14m/s. T h is  situation  is m a inly du e to t he diffe rent  d i rectio n of  th e ici ng l oad   and  win d  lo a d  which  cau s es   internal  imb a l ance ten s io n  to offset. Thi s  p a rtly expl a i ns  why ta kin g  de -i cing  op eration s  in th e   con d ition  of strong  win d   (melting i c e  with DC to  re d u ce  ici ng thi c kne s s of  the  line) may  ca use   damag e to the origin ally stable tower-lin e system.    Analyzing of simulatio n  re sults, we can  find out  that  in all critical f a ilure  situatio ns, 188#   and 185 to wer suffere d   greater stre ss  an d stre ss   ratio. M e a n whil e, amo n g  several  sol v ing   pro c e ss, the  wea k  point m a inly focu sed  on elem ent 8 944 whi c h lo cated on the 1 88# tower. T h is   mean s that  unde r differe nt climatic  condition s,  stress-con ce ntrated iro n  ba r in the  stra in  segm ent is  unchan ged. I t  can  com e   to the pre lim inary con c lu sion: for the  strain  segme n system, 18 8#  tower i s  the  wea k  tower of the strain  segm ent, and elem ent 8944 lo cate d  on    wea k  tower h a s the mo st concentrate d stress, and i s  also the  wea k  point of the strain se gme n t.      4. The Improv ed Mechanical Analy s is  Metho d  of Strain Segmen t We ak Point   The metho d  introdu ce d a bove ca n used to find the wea k  towe r and  wea k   point, but  recy cled  cal c ulation of entire strain seg m ent model   woul d co st a lot of time. In orde r to work  more  effectively, we try to analyze one -towe r-t wo -lin e model  of the alre ady fou nd wea k  tower,   who e s mod e l  is  sh own in   Figure 5. In  t he a nalysi s we l oad ed th e same  limat e conditio n as   strain  segme n t model  ana lysis, so a s  t o  figur e out  mech ani cal p r ope rtie s of 1 88# to we r. O n e   cal c ulatio n of the one-to we r-two-lin e mo del, usin g hig h -pe r forman ce com puter, t a ke s 8 min u tes,   and to  compl e te cal c ul atio n of all condit i ons  nee ds   total of 30 ho urs.  Com pare d  with the tim e   co st of strain  segm ent mod e l of one cal c ulation,  60 mi nutes, the former on e is re ally efficient.   It can be see n  from Table  4 that the maximu m stre ss ratio occurs  on eleme n t 611 in all  critical failu re  co ndition s,  whi c h m ean s the a ngle  ba corre s po ndi ng to  elem en t 611 i s  th weak  point of one-t o wel - two - line  model of 188 # towel.  By compa r ison, we can find o u t element 611  on   the on e-to wel - two - line  mod e l an d ele m e n t 894 4 on  th e strain  se gm ent mod e correspon d to th same  an gle  bar. In  anoth e way, wea k  p o ints  obta i ned from th e two  differe nt method are   c o ns is tent.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Analysis of  Weak Po sition i n  Ove r he ad li ne  und er Hea vy Ici ng Cond ition by… (Liu  Chao 5019   Figure 5. Stress  Dist ributio n of Wea k  To wer      Table 4. The  Aggre gation  of Critical F a il ure Data   Icing thickness  mm   Wind speed  m/s   Element num. of  w e ak point  Stress N/m 2   Ratio  20  611  -5209113 3   0.151   20  20  611  -4573427 6   0.1326   24  22  611  -4701084 8   0.1363   26  10  611  -5596582 4   0.1622   30  14  611  -5224695 2   0.1514           Figure 6. The  Contra st Dia g ram b e twe e n  Different M odel s’ Stress      As sho w n in  Figure 5, co mpared with  the  st rain  se gment  re sult ,  t he max i mum st re ss  ratio occu rs at the same region,  an d the distrib u tion s of the st re ss co ncentrati on are a  are also   con s i s tent. Selectin g 20  element s ne ar the lo cation of the element 611  whe r e st re ss is  con c e n trated  to make a  contra st betwe en two m ode ls, we  can fin d  out the val ues of  stre ss in   two mod e ls  h a ve little differen c e. Acco rding to  a naly s is above, we   can co ncl u d e re sults of  o n e - tower-two-lin e model  a c cu rately refle c singl e tower  mech ani cal p r ope rtie s of the st rain  se g m ent  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 7, July 201 4:  5011 – 50 21   5020 model, an d a nalysi s  of th e forme r  on e  coul d obtai n  the sa me re sults  as th strain  se gme n model.   Thro ugh  ab o v e cal c ul ation  of the  st rain   segm ent m o d e l an d o n e - to wer-two-lin model  of  wea k   to wer, we  a c q u ire a kind of  more effective  met hod for po sitioning  stru ctu r ally wea k  p o i n t o f   the strai n  segment: Firstly calculate  results  of strain  se gme n t model in  several cli m ate  con d ition s  to  figure o u t the  wea k  to wer,  and the n  buil d  up o ne-to wer-t wo-li ne m odel of the  weak  tower to obtai n the pre c ise posit io n of we ak poi nt(an g l e  bar).      5. Conclusio n   Based  on  st udy of me ch anics finite  e l em ent a naly s is on  overh ead lin e, pre c ise 1:1  model s of  strain  segm e n t and o ne-tower-tw o-lin e syste m of 500 kV ov erhe ad lin are  establi s h ed i n  this pa per.   For th e m a ximum of  win d   spe ed  and  ici ng thi c kne s that might  occur  to this  ce rtai n line, m e ch anics finite  e l ement  cal c ul ating of th model s u nde r ma ny different  con d ition s  of combin ation  of wind sp eed and i c in g thickne ss  are do ne. Throu gh stu d i e mentione d ab ove, the following  con c lu si ons a r e obtai ned:    (1) T h ro ugh  simulatio n  of strain  seg m e n t model and  one-to we r-t wo-li ne mo de l, result of these two  model s are found to be  consi s tent. So  it present s a  relatively simple app ro ach for  positio ning  structu r ally we ak poi nt of the strain  seg m ent.  (2) Th rou gh  simulatio n  of  strain  seg m ent mod e l, th e wea k  to we r of  strai n   se gment i s   found, whi c provide s  tech nical  sup port  for anti-i c e di sa ster.    (3) Un der different con d itio ns  of wind sp eed  a nd i c ing  thickne ss  co mbination, th e we ak  tower is  not  fixed. The m o st da nge ro u s  to wer  doe s exist from  the pe rspe ctive of proba bili ty.  Cap a city to   withsta nd l o a d of i c ing  a nd  wind   in  the diffe rent t o we rs in  st ra in segm ent  are  different.   (4) In the  stra in segm ent m odel, for the  dire ction diffe ren c e of wi nd  load and i c in g load,  with the increase of cro s sover  wind speed, t he co rre sp ondi ng cro s sove r ici ng thickne s s of  tower-lin e sy stem would i n crea se rath er than d e cr ease. In som e  con d ition s , it is structu r ally  stable  whe n  the icing i s  thick. On the  contra ry , in the deici ng p r ocess, with  icing thi c kne ss  decrea s in g, certain tower o f  the strain  se gment may h a ve stru cture damag e.  (5) Th rou gh  simulatio n  of strain segm ent model an d one-to we r-t wo-li ne mod e l , weak  point  of   the whol e strai n  segm ent syst em can   be   p o siton ed, whi c h provide s  reliable   ba si s for  installatio n  of stre ss monito ring devi c e.       Referen ces   [1]  Li N a . Dra w   fin i te el eme n t an al ysis  an d stru cture o p timizati on of c a b l es st a y ed  V-sha p e d  iron  to w e r .   Master Degr ee   T heses of Xi ’a Univ ersit y   of T e chnolog y. 2 008.   [2]  W angj un Hu an g. Model ing  an d Simul a tion R e searc h   on L i g h tnin g Over vol t age of 50 0kV H y dro e lectr i c   Station.  T E LKOMNIKA Indon esia n Journ a l o f  Electrical Eng i ne erin g . 201 2; 10(4): 619- 62 4.  [3]  P Srikanth, Ash w a n i Kumar  Cha nde l. Inver s S-T r ansform Based Dec i sion T r ee for Po w e r S y stem  F aults Identific ation.  T E LKOMNIKA Indone sian Jo urna l of Electrical E ngi neer ing . 2 011;  9(1): 99-1 06.   [4]  Xi ao hui  Xi ao, Jing W u Simulati on an d Effects Evaluati o n of Anti-Gallo pin g  Devic e s for Overhea d   Transmission Lines.  Key  B r idge Marriott. 4th IEEE Conf erence on Automation  Scienc e and  Engi neer in g, W a shin gton D C , USA. 2008: 808- 813.   [5]  Mozer JD, Pohlman  JC . L ong i t u d i n al  l o ad  a n a ly si of  transmission line s y stems.  IEEE  T r ansacti on s   on Pow e r App a ratus an d Sys t ems. 1 977; 0 1 ( 5 ). PAS-96.  [6]  W U  Li-hui, Z H ANG Ming, Z HU W en-tao. Anal ysis  of factors effecting D C  flashov er pe rformance of   insul a tor u n d e r  icin g an dl o w   atmosph e ric pr essure c o n d itio n.  Hig h Volt ag e Eng i n eeri ng.  200 6; 32( 6):   15-1 7 [7]  W U  W en-hu i.  Caus es a nd  pr ecauti on m eas ure for tr i ppi ng  trou-bl e of tra n smissio n  l i n e   covere w i t h   ice.  Hig h Volta ge Eng i n eeri n g .  2006; 32( 2): 110-1 11.   [8]  JIANG Xin g -li a ng, MA Jun, W A NG Shao-h u a , et al T r ansmission l i n e ’s i c e accid ents a nd an al ysis  of  the formative factors.  Electric  Power.  2005; 38(1 1 ): 27-3 0 [9]  Lu Ji a-zh eng,  Liu  chu n , Ch en H o n g -do n g ,  etc. F i nite e l eme n t calc ula t ion of  50 0kV  iced  po w e r   transmission s y stem.  Hig h Vo ltage En gi neer i n g . 200 7; 3(10) : 167-16 9.  [10]  Liu  chu n , L u  J i a-zh eng, Z h ou  W e i-hu a, etc.  Lo ad  A n a l ysis  of Back w a rd   V-t y p e  Insu lato rs b y  F E M.   High V o ltag e E ngi neer in g. 20 08 ; 34(3) 5 69- 572.   [11] Liu  c h u n Lu J i a-zhe n g Ch en  Hon g -d ong.  C ause  an al ysis   of to w e r fa lli ng  do w n  a n d  ice  accretio n i n   Hun an 5 00kV  po w e r transmis s ion li ne.  Hu na n Electric Pow e r . 2005; 2 5 (5) 1-3 11.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.