覆冰荷載下輸電塔的力學(xué)性能分析

劉法棟，張慶華，胡曉煒，曹玲

(1.云南省電力學(xué)校，昆明 650204;2.云南建源電力工程有限公司，昆明 650011;3.國(guó)網(wǎng)江西金溪縣供電有限責(zé)任公司，江西 撫州 344800)

0 前言

覆冰給輸電線(xiàn)路的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，威脅著供電系統(tǒng)的可靠性。研究覆冰荷載作用下輸電線(xiàn)路的力學(xué)性能具有重要意義。

1 覆冰預(yù)測(cè)模型

電網(wǎng)覆冰事故主要是由雨凇、霧凇和濕雪交疊在一起形成的混合凍結(jié)造成的。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，小半徑導(dǎo)線(xiàn)的覆冰形狀是圓形，而大半徑導(dǎo)線(xiàn)覆冰則是橢圓形。導(dǎo)線(xiàn)覆冰的理論模型已相當(dāng)精確。例如Imai 模型、Lozowski 模型、Lenhard 模型、Ackley 模型、Poots 模型、Jones 模型、Chaine 模型［1］、Goodwin 模型［2］以及Makkonen 模型［3］等。關(guān)于導(dǎo)線(xiàn)均勻覆冰的簡(jiǎn)單模型，得出了覆冰厚度與過(guò)冷卻水滴直徑、降水率、風(fēng)速、時(shí)間等參數(shù)的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)關(guān)于導(dǎo)線(xiàn)均勻覆冰的簡(jiǎn)單模型預(yù)測(cè)結(jié)果有相當(dāng)?shù)木龋茌^好地符合實(shí)際［4］。［5］根據(jù)華中電網(wǎng)輸電線(xiàn)路覆冰事故的資料，分析了該地區(qū)覆冰的基本特征，得出了導(dǎo)線(xiàn)的霧凇覆冰模型。楊靖波等［6］對(duì)造成輸電線(xiàn)路嚴(yán)重受損的氣象條件和覆冰特征進(jìn)行了分析，對(duì)倒塔事故進(jìn)行了調(diào)查，總結(jié)了輸電鐵塔失效破壞的幾種典型特征，提出了提高輸電線(xiàn)路抗覆冰災(zāi)害的建議。

2 建立模型

本文選取5B－ZB1 直線(xiàn)酒杯塔作為研究對(duì)象。本模型水平檔距為420 m，垂直檔距為550 m，代表檔距為350 m，根開(kāi)7.76 m，呼高42 m，塔高47.5 m，塔身的平面形狀為正方形。絕緣子每串共28 片XWP－240，總長(zhǎng)度為4.34 m，兩個(gè)邊相絕緣子串采用“I”型布置，中相采用“V”型布置。導(dǎo)線(xiàn)用4×LGJ－400/35，地線(xiàn)用JLB4－150。輸電塔主材選用Q345 角鋼，斜材和輔材選用Q235 角鋼，所有梁?jiǎn)卧x用BEAM188 單元模擬，桿單元均選用LINK8 單元模擬，導(dǎo)地線(xiàn)都選用LINK10 單元模擬，絕緣子串選用LINK8 單元模擬，絕緣子與導(dǎo)線(xiàn)、絕緣子與橫擔(dān)均采用鉸接。

3 施加荷載

考慮輸電塔自身覆冰的情況，認(rèn)為覆冰均勻包裹在角鋼表面;考慮導(dǎo)地線(xiàn)覆冰荷載時(shí)，認(rèn)為均勻包裹在其表面的覆冰截面為圓形，冰的密度取900 kg/m3，鋼材的密度取7 860 kg/m3。通過(guò)設(shè)置材料密度，來(lái)實(shí)現(xiàn)將覆冰荷載和輸電塔的自重荷載共同加載到模型上?？紤]覆冰厚度從10 mm 開(kāi)始，通過(guò)逐級(jí)增加覆冰厚度的方法，得出不同覆冰厚度下導(dǎo)地線(xiàn)對(duì)應(yīng)的荷載值，等效施加到輸電塔模型節(jié)點(diǎn)上，直至輸電塔破壞。10 mm、20 mm、30 mm、40 mm 四種厚度的覆冰荷載，在ANSYS 中的密度設(shè)置分別為:12 400 kg/m3、18 460 kg/m3、26 040 kg/m3、35 130 kg/m3。

為了更好的模擬實(shí)際情況，在施加覆冰荷載的基礎(chǔ)上加入風(fēng)荷載，本模型取覆冰風(fēng)速為10 m/s。按風(fēng)壓高度變化系數(shù)的不同，將輸電kg/m3塔模型從下到上分為11 個(gè)區(qū)間，分別計(jì)算出各個(gè)區(qū)間內(nèi)的風(fēng)壓，將風(fēng)壓乘以相應(yīng)的區(qū)間面積得到整個(gè)區(qū)間的等效作用于區(qū)間形心的集中力。按力矩等效原理，可以得出等效作用于輸電塔模型節(jié)點(diǎn)上的集中力。導(dǎo)地線(xiàn)的重力荷載加載在掛點(diǎn)上。中相導(dǎo)線(xiàn)風(fēng)荷載加載在絕緣子串掛點(diǎn)處，其余導(dǎo)地線(xiàn)風(fēng)荷載加載到輸電塔掛點(diǎn)上。輸電塔荷載施加情況如圖1 所示。

4 工況分析

當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的某項(xiàng)功能要求時(shí)的狀態(tài)就是極限狀態(tài)。對(duì)于輸電塔而言，主要看其桿件是否超過(guò)鋼材的屈服強(qiáng)度和節(jié)點(diǎn)的最大位移是否在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

4.1 應(yīng)力分析

按照以上的荷載施加方法，依次對(duì)輸電塔施加不同覆冰厚度下的荷載進(jìn)行計(jì)算，提取輸電塔破壞時(shí)的桿件最大應(yīng)力.

通過(guò)分析上述輸電塔在覆冰荷載下的桿件最大應(yīng)力可知:在覆冰荷載下正常運(yùn)行時(shí)，輸電塔塔腿及塔身?xiàng)U件的應(yīng)力一般小于塔頭和橫擔(dān)處桿件的應(yīng)力，且小于鋼材的允許應(yīng)力。在輸電塔發(fā)生破壞時(shí)，塔身及塔腿部位的桿件應(yīng)力都在鋼材允許應(yīng)力范圍內(nèi)，上下曲臂受壓桿、導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)附近的橫擔(dān)受壓桿應(yīng)力超出鋼材的允許應(yīng)力。

在計(jì)算44 mm 覆冰時(shí)，整體剛度矩陣奇異，程序退出工作。程序不收斂是因?yàn)槭芰U件的應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，桿件產(chǎn)生了過(guò)大的塑性變形，輸電塔達(dá)到極限承載能力。此時(shí)輸電塔的破壞主要是部分桿件達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度而發(fā)生的失穩(wěn)破壞。

4.2 位移分析

按照以上的荷載施加方法，依次對(duì)輸電塔施加不同覆冰厚度下的荷載進(jìn)行計(jì)算，分別提取出相應(yīng)覆冰厚度下的輸電塔頂點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)最大位移.通過(guò)分析輸電塔在覆冰荷載下的位移可知:在各覆冰厚度下，塔身及塔腿部位的桿件發(fā)生的位移相對(duì)較小，塔頭背風(fēng)側(cè)桿件、地線(xiàn)支架及橫擔(dān)的桿件發(fā)生的位移相對(duì)偏大。

在計(jì)算43 mm 覆冰時(shí)，塔頂?shù)鼐€(xiàn)支架處的最大位移占塔高的0.51%，小于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的變形值2%［7］。輸電塔模型節(jié)點(diǎn)最大位移處的位移占該節(jié)點(diǎn)對(duì)地位移的0.64%，也小于《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的變形值2%。

5 結(jié)束語(yǔ)

在覆冰荷載作用下，輸電塔的主要破壞是上下曲臂受壓桿、導(dǎo)線(xiàn)掛點(diǎn)附近的橫擔(dān)受壓桿、地線(xiàn)支架下部受壓桿達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度而發(fā)生的失穩(wěn)破壞;塔身和塔腿桿件工作性能良好;節(jié)點(diǎn)最大位移仍在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

本文只考慮了輸電塔均勻覆冰的模型，在工程實(shí)際中，覆冰并不是均勻覆蓋在鋼材表面的，且輸電塔不同部位的覆冰厚度也有所區(qū)別。對(duì)于建立更能符合實(shí)際情況的輸電塔覆冰模型還有待于進(jìn)一步的開(kāi)展。

［1］Chaine P M，Casfonguay G.New approach to radial ice thickness concept applied to bundle like conductors ［R］.Industrial Meteorology study IV，Environment Canada，Toronto，1974，11.

［2］Goodwin E J，etal.Predicting ice and snow loads for transmission lines.Proceedings ［C］.First IWAIS，1983:267～273.

［3］Makkonen L.Modeling power line icing in freezing precipitation［C］.7th International Workshopon Atmospheric Icing of Structures，1996，Canada.195～200.

［4］劉和云，周迪，付俊萍，等.導(dǎo)線(xiàn)雨凇覆冰預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單模型的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21 (4):44～47.

［5］孫才新，蔣興良，熊啟新，等.導(dǎo)線(xiàn)覆冰及其干濕增長(zhǎng)臨界條件分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23 (3):0141～0145.

［6］楊靖波，李正，楊風(fēng)利，等.2008 年電網(wǎng)冰災(zāi)覆冰及倒塔特征分析［J］.電網(wǎng)與水力發(fā)電進(jìn)展，2008，24 (4):4～8.

［7］上海市建設(shè)和交通委員會(huì).高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50135－2006)［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.