重冰桿塔不平衡受力的原因分析

1、國(guó)網(wǎng)福建泉州供電公司 林旭鳴 2、福建電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 方欽藝

1 前言

桿塔的設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中其載荷控制與設(shè)定的重要指標(biāo)就是桿塔的不平衡受力。重冰桿塔的不平衡受力就是說(shuō)桿塔在覆冰嚴(yán)重的情況下，其不同方向上受力有一定差值的現(xiàn)象。形成桿塔不平衡受力的因素很多，對(duì)于重冰區(qū)域的桿塔來(lái)說(shuō)影響因素有電線上覆冰不對(duì)稱性、電線斷裂、覆冰脫落而引起的電線晃動(dòng)等等。其中電線上覆冰不對(duì)稱性是覆冰區(qū)域內(nèi)影響范圍最廣的不平衡受力情況，它可以致使懸垂直線桿塔或懸垂耐張桿塔的不同位置的受力發(fā)生不平衡現(xiàn)象，使得桿塔自身因不平衡受力的作用產(chǎn)生了彎矩或扭矩，進(jìn)而導(dǎo)致桿塔的傾斜或者斷裂等現(xiàn)象。

2 桿塔不平衡受力的研究現(xiàn)狀

對(duì)覆冰區(qū)桿塔的覆冰不對(duì)稱現(xiàn)象的研究是桿塔不平衡受力研究的主要內(nèi)容，桿塔不平衡受力的取值參數(shù)、數(shù)學(xué)模型、不同工況的適用方程等都是桿塔不平衡受力研究的重點(diǎn)。廖宗高、陳海波、肖立群等人對(duì)重冰區(qū)域內(nèi)的高壓電線進(jìn)行了不平衡受力的研究，并取得了一定的研究成果，在其研究的報(bào)告中提出了重冰區(qū)域、山區(qū)等桿塔線路的不平衡受力取值參數(shù)的意見(jiàn)。中國(guó)電力部門在2006年所做的輸電線路不平衡張力與斷線張力取值分析報(bào)告中建立了典型的重冰區(qū)桿塔受力數(shù)學(xué)模型，并系統(tǒng)地介紹了不同等級(jí)高壓線路在不同覆冰厚度的情況下不同類型桿塔的不平衡受力情況，通過(guò)模型分析出了各種類型的受力大小及影響因素。張子引、劉學(xué)軍等人采用桿塔間等長(zhǎng)線的計(jì)算方式，設(shè)計(jì)了連續(xù)桿塔的不平衡受力模型公式，研究了各種線路等級(jí)的桿塔不平衡受力情況和線路絕緣子偏移參數(shù)，就不同等級(jí)的線路中不平衡張力的取值參數(shù)提出了新的意見(jiàn)。程思勇、薛志方等人從不同的角度入手，分別探討了線路的設(shè)計(jì)安全參數(shù)、絕緣子參數(shù)、不同檔距、不同高差以及不同檔距差值等因素對(duì)于桿塔的不平衡受力影響的大小。

3 重冰桿塔不平衡受力的原因

3.1 檔距相差過(guò)大加重桿塔不平衡受力：桿塔通常都很難應(yīng)對(duì)重冰情況下的不平衡受力作用，如果輸電線上沒(méi)有覆冰而且環(huán)境中沒(méi)有風(fēng)作用時(shí)，盡管桿塔的檔距過(guò)大通常情況下桿塔是不會(huì)出現(xiàn)受力不平衡的現(xiàn)象，其完全可以承受輸電線所受到的重力作用，其受力情況見(jiàn)圖1。如果輸電線上有覆冰現(xiàn)象，由于桿塔兩側(cè)的檔距差別較大，導(dǎo)致桿塔兩側(cè)的受力情況差別也較大，就會(huì)使桿塔因受到較大的側(cè)拉力而發(fā)生傾斜或者斷裂，其受力情況見(jiàn)圖2。

圖1 桿塔無(wú)覆冰情況下的受力分析

圖2 桿塔覆冰且檔距不同情況下的受力分析

按照楊風(fēng)利、楊靖波、張子富等人的研究成果，依據(jù)有限元理論，構(gòu)建輸電線-絕緣子-覆冰的有限元數(shù)學(xué)分析模型，模型中的輸電線接觸點(diǎn)全部按照固定接點(diǎn)計(jì)算。先對(duì)分析輸電線沒(méi)有覆冰的受力情況，再對(duì)不同覆冰狀況下的輸電線受力情況分析，分析結(jié)果表明：當(dāng)采用LGJ630/45導(dǎo)線，對(duì)不同覆冰厚度、不同桿塔檔距差情況下輸電線的受力情況進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著覆冰厚度的增加以及桿塔檔距的加大，輸電線的不平衡受力情況越嚴(yán)重，其中輸電線所受的最大不平衡張力均超過(guò)了輸電線的正常使用受力，其受力情況見(jiàn)圖3。

圖3 不同覆冰厚度下桿塔的受力分析

其中：F為耐張桿塔所受到的側(cè)向拉力；I1為耐張桿塔左側(cè)的耐張長(zhǎng)度；I2為耐張桿塔右側(cè)的耐張長(zhǎng)度；θ為耐張桿塔兩側(cè)的輸電線轉(zhuǎn)彎角。

如果耐張桿塔的兩側(cè)拉力所形成的合力大于桿塔所能承受的最大應(yīng)力時(shí)，其就會(huì)發(fā)生傾斜或者斷裂。

3.3 高差過(guò)大導(dǎo)致桿塔受力不平衡加?。涸谝恍┥絽^(qū)或者地形起伏較大的區(qū)域，桿塔間不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定的高差。如果桿塔之間的高差過(guò)大，在不同高度的桿塔受力大小就差別較大，在輸電線覆冰時(shí)，桿塔的受力就嚴(yán)重不平衡，桿塔就會(huì)發(fā)生傾斜，甚至出現(xiàn)倒塌或斷裂的現(xiàn)象。我們以垂直型桿塔模型為例，分析不同高差以及不同覆冰程度對(duì)桿塔不平衡受力情況的影響。當(dāng)桿塔之間的高差在15%范圍內(nèi)，同等覆冰厚度條件下，高差越大桿塔所受的不平衡張力就越大。當(dāng)高差一定時(shí)，隨著輸電線覆冰厚度的增加，其所受的不平衡張力也越大。當(dāng)桿塔之間的高差為15%，覆冰厚度分別為30mm和50mm時(shí)，桿塔所受到的不平衡張力比例為34.2%與40.1%，都大于標(biāo)準(zhǔn)所要求的33%與39%。當(dāng)桿塔的兩側(cè)覆冰量不同時(shí)，其不平衡張力也不同。當(dāng)桿塔的兩側(cè)覆冰量為別為1和0.3時(shí)，桿塔所受的不平衡張力隨著高差的擴(kuò)大、覆冰厚度的增大而逐漸變大。

4 結(jié)語(yǔ)

輸電線桿塔的倒塌或者斷裂現(xiàn)象要在一定條件下才能發(fā)生，具有一定的偶然性與不可預(yù)測(cè)性，我們不應(yīng)該因?yàn)椴糠值貐^(qū)的桿塔損害問(wèn)題就盲目地加強(qiáng)對(duì)輸電設(shè)備的設(shè)計(jì)要求，防止不必要的資源浪費(fèi)。我們要依據(jù)每個(gè)地區(qū)的特別情況以及整體與個(gè)性的思想，對(duì)于桿塔已損害地區(qū)，尤其是相對(duì)濕度較大的地區(qū)進(jìn)行輸電線路的特別設(shè)計(jì)，以防止桿塔倒塌現(xiàn)象的發(fā)生。另外，可以依據(jù)科學(xué)的手段，合理地將我國(guó)一些容易出現(xiàn)重冰災(zāi)害的地區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分，在此區(qū)域內(nèi)的輸電線路可以根據(jù)實(shí)際情況合理地增加輸電線路的設(shè)計(jì)要求。

[1]宴致濤，李正良.重冰區(qū)輸電塔一線體系導(dǎo)線斷線分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(7)：92-97.

[2]劉怡春，董鳳舉，孫翔等.覆冰導(dǎo)線設(shè)計(jì)中的三類復(fù)雜問(wèn)題的探討[J].電力建設(shè)，2009，30(8)：60-62.