輸電線路桿塔疲勞可靠性

摘要：輸電線路桿塔疲勞不僅在電網(wǎng)線路輸電運(yùn)行中存在著較大的安全隱患，而且可能對于電力系統(tǒng)電網(wǎng)線路的正常和穩(wěn)定運(yùn)行有著很大的不利影響。進(jìn)行輸電線路桿塔疲勞可靠性的研究，有利于對于輸電線路桿塔疲勞情況進(jìn)行有效防治，保證電力系統(tǒng)和電網(wǎng)線路的安全穩(wěn)定輸電運(yùn)行。本文主要依照輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)以及環(huán)境荷載特征，通過建立輸電線路桿塔疲勞損傷模型，以陣風(fēng)環(huán)境下輸電線路桿塔的荷載特征分析為主，進(jìn)行輸電線路桿塔疲勞損傷可靠性的分析研究。

關(guān)鍵詞：輸電線路；桿塔；疲勞損傷；可靠性；環(huán)境荷載；研究

輸電線路桿塔疲勞問題對于電力系統(tǒng)和電網(wǎng)線路的正常輸電運(yùn)行有著很大的危害影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及電力用戶的電力需求不斷增長，高聳結(jié)構(gòu)輸電線路桿塔在電力運(yùn)行輸送中應(yīng)用數(shù)量越來越多，因此，輸電線路桿塔疲勞對于電網(wǎng)線路運(yùn)行安全影響越來越大，輸電線路桿塔疲勞可靠性在進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)中也被列為重要考慮范圍。高聳結(jié)構(gòu)輸電線路桿塔在環(huán)境荷載作用下的疲勞損傷主要有低頻循環(huán)與高頻循環(huán)兩種類型。其中，低頻循環(huán)輸電桿塔疲勞損傷主要是指頻次相對較少的強(qiáng)風(fēng)暴雨對于輸電線路桿塔疲勞的加劇損傷；高頻循環(huán)輸電桿塔疲勞是指在輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，由于低水平應(yīng)力循環(huán)的重復(fù)作用，對于桿塔疲勞的加劇累積損傷。

1、桿塔疲勞損傷可靠性分析

1.1 疲勞損傷分析模型建立

電力系統(tǒng)的電網(wǎng)線路中，對于輸電線路桿塔的疲勞損傷分析，主要是從環(huán)境荷載作用與輸電導(dǎo)線本身的附加動(dòng)力作用對于輸電線路桿塔疲勞損傷影響的兩個(gè)方面進(jìn)行的。結(jié)合以往對于輸電線路桿塔疲勞損傷情況的分析試驗(yàn)結(jié)果可以知道，輸電導(dǎo)線中的電流流場情況以及輸電導(dǎo)線本身的懸掛和不懸掛情況，對于輸電導(dǎo)線附加動(dòng)力作用的疲勞損傷增加影響作用并不大。所以，在進(jìn)行輸電線路桿塔疲勞損傷分析模型建立時(shí)，主需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行建模分析。首先，在進(jìn)行輸電線路桿塔的疲勞應(yīng)力作用分析時(shí)，可以將輸電導(dǎo)線的質(zhì)量因素歸入到輸電導(dǎo)線附加動(dòng)力疲勞損傷加劇影響作用中。其次，在進(jìn)行輸電線路桿塔疲勞可靠性分析中，對于輸電導(dǎo)線的疲勞影響不進(jìn)行考慮。最后，在進(jìn)行輸電線路桿塔疲勞可靠性分析模型的建立時(shí)，是以輸電線路桿塔剛度與強(qiáng)度情況分布均勻，并且輸電線路桿塔連接點(diǎn)之間連接可靠為條件，假設(shè)輸電線路桿塔疲勞損傷發(fā)生在桿塔的最不利于荷載的界面結(jié)構(gòu)中。

1.2環(huán)境荷載作用特征

進(jìn)行輸電線路桿塔的環(huán)境荷載作用特征分析，主要就是對于陣風(fēng)以及暴雨環(huán)境條件下的輸電線路桿塔的荷載情況進(jìn)行分析。

首先，陣風(fēng)環(huán)境條件下的輸電線路桿塔荷載主要是指順風(fēng)向的湍流脈動(dòng)作用。對于這種情況下的輸電線路桿塔荷載的計(jì)算，是在假定陣風(fēng)作用是平穩(wěn)并且隨機(jī)的狀態(tài)下，通過陣風(fēng)風(fēng)速功率譜密度函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，如下列公式（1）（2）所示。

（1）

（2）

如上述兩個(gè)公式中，公式（1）表示的是空間兩點(diǎn)i與j之間的互功率譜密度函數(shù)關(guān)系，而公式（2）則表示的是公式（1）空間兩點(diǎn)之間的相干函數(shù)關(guān)系。建立公式（2）中的函數(shù)關(guān)系是通過建立計(jì)算坐標(biāo)，在已知計(jì)算點(diǎn)的平均風(fēng)速情況與順風(fēng)向的湍流頻率情況下進(jìn)行公式關(guān)系的建立。

陣風(fēng)作用對于輸電線路桿塔的疲勞影響，根據(jù)風(fēng)速大小的隨機(jī)分布風(fēng)湍流情況有不同的影響作用。通常情況下，一年中風(fēng)湍流在10米高度處的概率情況，可以通過下列公式（3）中的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出，而一年中，風(fēng)湍流處于最大情況概率的計(jì)算則如下列公式（4）所示。

（3）

（4）

通常情況下，在暴風(fēng)環(huán)境條件下，平均風(fēng)速的變化是根據(jù)暴風(fēng)發(fā)生的時(shí)間先升高然后減低的，暴風(fēng)發(fā)生的整個(gè)過程一般在3分鐘到25分鐘之間。

對于輸電線路的雨荷載特征的分析，是將中等的降雨量作為荷載特征分析標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)年降雨量情況進(jìn)行具體分析。通常情況下，在進(jìn)行輸電線路桿塔的雨荷載特征分析時(shí)，只是通過雨對于輸電桿塔結(jié)構(gòu)的平均作用力進(jìn)行分析的。

2、陣風(fēng)響應(yīng)荷載特征分析

在輸電線路桿塔的疲勞損傷影響因素中，風(fēng)力荷載作用下的輸電桿塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)是一個(gè)比較重要的影響因素。在進(jìn)行電力系統(tǒng)電網(wǎng)線路的設(shè)計(jì)過程中，由于風(fēng)力環(huán)境作用與輸電桿塔結(jié)構(gòu)荷載的不確定，就會(huì)給輸電線路的架設(shè)設(shè)計(jì)帶來一定的困難，對于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的陣風(fēng)荷載作用特征進(jìn)行分析，有利于對于輸電線路桿塔疲勞可靠性進(jìn)行把握，以保證電網(wǎng)線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在風(fēng)力作用下，輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的荷載特征根據(jù)風(fēng)力作用情況的不同，可以分為兩種。第一種是基于位移的陣風(fēng)響應(yīng)因子對于桿塔結(jié)構(gòu)荷載作用影響。這一種風(fēng)力作用對于桿塔結(jié)構(gòu)荷載的影響變化特征，主要是由位移變化的風(fēng)力作用峰值與風(fēng)力作用的平均值進(jìn)行計(jì)算得出的。在進(jìn)行基于位移的陣風(fēng)響應(yīng)因子變化特征分析中，根據(jù)風(fēng)力變化峰值以及風(fēng)力平均值的計(jì)算公式如下（5）所示。

（5）

在上述對于基于位移的陣風(fēng)響應(yīng)因子作用變化的計(jì)算，是在進(jìn)行陣風(fēng)響應(yīng)變化的隨機(jī)假設(shè)情況下，根據(jù)對于風(fēng)力峰值變化因子的統(tǒng)計(jì)，最終計(jì)算出來的?？傊?，在基于位移的陣風(fēng)響應(yīng)因子作用中，輸電桿塔結(jié)構(gòu)的荷載的變化主要呈現(xiàn)出以下規(guī)律，在風(fēng)力作用下，隨著風(fēng)力作用變化中的平均風(fēng)速以及風(fēng)速湍流強(qiáng)度的加大，輸電桿塔的塔頂位移動(dòng)力響應(yīng)也會(huì)逐漸加大，而這時(shí)的位移陣風(fēng)響應(yīng)因子也是呈現(xiàn)逐漸加強(qiáng)變化。如下圖1所示，為輸電桿塔塔頂?shù)奈灰乒β首兓闆r。

圖1 輸電桿塔塔頂位移功率譜密度

此外，陣風(fēng)作用下，桿塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)變化的另一響應(yīng)因子，是指基于彎矩的陣風(fēng)響應(yīng)因子，它在不同的風(fēng)俗條件下也呈現(xiàn)不同的響應(yīng)變化特征。

3、輸電線路桿塔疲勞可靠性的研究

根據(jù)上述對于輸電線路桿塔疲勞可靠性分析模型，在對于輸電線路桿塔疲勞可靠性進(jìn)行分析時(shí)，首先應(yīng)注意對于疲勞可靠性分析條件進(jìn)行假設(shè)，以保證輸電線路桿塔疲勞可靠性分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。其次，需要對于輸電線路桿塔疲勞可靠性的失效概率進(jìn)行確定。在進(jìn)行輸電線路桿塔疲勞可靠性失效概率確認(rèn)過程中，可以通過完全分布法對于概率進(jìn)行確認(rèn)，也可以通過具一次二階矩法對于輸電線路桿塔疲勞可靠性失效概率進(jìn)行確認(rèn)。在確定了輸電線路桿塔疲勞可靠性的失效概率之后，根據(jù)輸電線路桿塔的結(jié)構(gòu)情況，輸電線路桿塔是一種由桿件拼裝成的桿塔結(jié)構(gòu)形式，因此，在對于輸電桿塔疲勞可靠性進(jìn)行分析時(shí)，輸電桿塔中的單根桿件以及桿塔階段單元的疲勞可靠性分析都可以看做是一個(gè)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析，最后通過串聯(lián)或者是并聯(lián)的方法，對于輸電線路的桿塔疲勞可靠性進(jìn)行分析。對于輸電線路桿塔疲勞可靠性的表示形式，主要通過對于輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)整體失效率表示出來的。

4、結(jié)束語

總之，對于輸電線路桿塔疲勞可靠性的研究，有利于提高輸電線路桿塔的疲勞可靠性，保證電力輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的研究價(jià)值和意義。

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