張國(guó)華

(寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川 750001)

輸電塔覆冰承載能力分析與研究

張國(guó)華

(寧夏回族自治區(qū)電力設(shè)計(jì)院，寧夏 銀川 750001)

我國(guó)冰雪災(zāi)害頻發(fā)，覆冰是造成輸電塔坍塌的重要原因?；谶@一現(xiàn)實(shí)，對(duì)輸電塔在覆冰情況下的承載能力進(jìn)行了分析。

輸電塔；覆冰；承載能力；導(dǎo)線舞動(dòng)

1 覆冰現(xiàn)象及其影響

覆冰，對(duì)于電力系統(tǒng)而言屬于一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害。輸電線路覆冰的隨機(jī)性、難以預(yù)測(cè)性，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。按照覆冰對(duì)電網(wǎng)的危害，輸電線路覆冰可分為雨凇、混合凇(硬霧凇)、霧凇(軟霧凇)、雪凇、霜凇5類(lèi)。覆冰鐵塔破壞有以下幾種情況：(1) 縱向不平衡張力將鐵塔拉壞或在拉、扭共同作用下破壞：不均勻覆冰和脫冰產(chǎn)生縱向不平衡張力與斷線產(chǎn)生縱向不平衡張力和沖擊荷載；(2) 覆冰產(chǎn)生的垂直荷載作用將鐵塔壓壞；(3) 導(dǎo)、地線不均勻覆冰舞動(dòng)破壞鐵塔，不平衡張力造成的倒塔占總數(shù)的95%以上；(4) 采用多分裂導(dǎo)線的鐵塔比采用單分裂導(dǎo)線的鐵塔更易受損；(5) 倒塌的鐵塔中，大檔距鐵塔和相鄰檔距相差較大的鐵塔占80%左右，微地形對(duì)鐵塔承載力的影響明顯。本文將著重就造成倒塔的不均勻覆冰舞動(dòng)進(jìn)行力學(xué)分析與鐵塔承載能力分析。

2 覆冰的力學(xué)分析與破壞分析

2.1 覆冰導(dǎo)線舞動(dòng)對(duì)塔線體系力學(xué)特性的影響

根據(jù)圖1對(duì)舞動(dòng)對(duì)導(dǎo)線張力的影響進(jìn)行推導(dǎo)。

圖1 舞動(dòng)對(duì)導(dǎo)線張力的影響

舞動(dòng)前導(dǎo)線撓度曲線方程為：

舞動(dòng)前靜長(zhǎng)度Ls為：

舞動(dòng)位移yg(x，t)為：

舞動(dòng)導(dǎo)線在t時(shí)刻的撓度曲線方程為：

yd(x,t)=ys(x)+yg(x,t)

舞動(dòng)導(dǎo)線在t時(shí)刻的長(zhǎng)度Lg為：

舞動(dòng)導(dǎo)線在t時(shí)刻的長(zhǎng)度變化量ΔL為：

導(dǎo)線水平張力變化量為：

舞動(dòng)前，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)B處的斜率為：

因此，舞動(dòng)前，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)豎向張力分量為：

由上可得，舞動(dòng)發(fā)生時(shí)，導(dǎo)線懸掛點(diǎn)處的斜率為：

舞動(dòng)引起的導(dǎo)線懸掛點(diǎn)B處豎向張力分量的變化量ΔTγB為：

2.2 覆冰的有限元計(jì)算

以500 kV的DFZ1直線塔為研究對(duì)象建立有限元模型：雙避雷針式，塔高46.8 m，塔底座8 m×6 m；采用等肢角鋼材質(zhì)，其最小截面為L(zhǎng)40×3 mm，最大截面為L(zhǎng)160×12 mm；塔架桿件均采用Beam188單元，建立的有限元模型共有1 162個(gè)節(jié)點(diǎn)和1 156個(gè)單元。DFZ1直線塔有限元模型如圖2所示，5點(diǎn)在受力分析時(shí)稱(chēng)為5個(gè)加載點(diǎn)。

圖2 DFZ1直線塔有限元模型

根據(jù)GB50545—2010規(guī)定，按照加載點(diǎn)不同，輸電塔受力狀態(tài)分為10個(gè)工況，如表1所示。通過(guò)ANSYS計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，不同工況下輸電塔破壞出現(xiàn)3種情況：(1) 塔腿位置屈服致使塔坍塌；(2) 加載點(diǎn)位置屈服導(dǎo)致局部破壞；(3) 塔體扭曲，嚴(yán)重變形。通過(guò)ANSYS仿真得到的3種破壞形式的受力云圖(部分)如圖3所示。

表1 不同工況描述

圖3 3種破壞形式的受力云圖

結(jié)合整個(gè)受力云圖得到不同工況下輸電塔破壞特征(表2)。

表2 不同工況下輸電塔架結(jié)構(gòu)的破壞特征

結(jié)合表1和表2數(shù)據(jù)可知：(1) 由工況1與工況2的屈服荷載分別為226 kN與173 kN可知，屈服荷載最大是在無(wú)偏心加載情況下。(2) 工況2、工況3、工況5、工況7、工況8的屈服荷載數(shù)據(jù)較工況1的一半可知，輸電塔承受偏心加載且扭轉(zhuǎn)變形小時(shí)，具有較好的承受力。(3) 從工況6、工況9、工況10的屈服荷載大約是工況1的1/3可知，輸電塔的承載能力最低發(fā)生在扭矩加載時(shí)，其大小分別為67.6 kN、90.9 kN、90.1 kN。因此應(yīng)避免輸電塔發(fā)生扭矩加載，增加輸電塔的極限承載能力。

從上面的分析可知設(shè)計(jì)輸電塔應(yīng)避免扭矩加載，但實(shí)際往往很難做到。偏心加載在一定程度上也會(huì)形成扭矩加載，如工況2、工況3、工況7這3種大偏心加載容易間接造成扭矩加載。

當(dāng)覆冰厚度為20 mm和60 mm時(shí)，通過(guò)計(jì)算給出輸電塔覆冰時(shí)的扭矩—轉(zhuǎn)角曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，工況2的抗扭能力最強(qiáng)，其他幾種工況能力差別不大；對(duì)比圖4(a)(b)可知，同一工況、同一加載條件下，當(dāng)覆冰厚度增加時(shí)，輸電塔的抗扭能力增強(qiáng)。

圖4 不同覆冰厚度輸電塔架的扭矩—轉(zhuǎn)角曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)輸電塔在覆冰情況下的承載能力進(jìn)行了分析與研究。通過(guò)對(duì)500 kV的DFZ1直線塔的有限元分析，得出不同工況下覆冰對(duì)輸電塔的破壞形式有3種，輸電塔對(duì)不同加載中扭矩加載的承載能力最低。本文的分析與研究對(duì)輸電塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定參考價(jià)值。

[1]趙滇生，金三愛(ài).有限元模型對(duì)輸電塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的影響[J].特種結(jié)構(gòu)，2004，21(3):8～11

2014-11-10

張國(guó)華(1986—)，男，云南宣威人，助理工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。