風(fēng)載荷作用下混凝土電桿的破壞分析

馬 輝 李 超

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

風(fēng)載荷作用下混凝土電桿的破壞分析

馬 輝 李 超

(三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

臺(tái)風(fēng)天氣嚴(yán)重威脅到沿海地區(qū)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，由于配電網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較低，配電設(shè)施受到的影響較大．架空配電線路混凝土電桿破壞現(xiàn)象已成為配電故障的重要因素，有必要對(duì)其破壞進(jìn)行深入分析．本文對(duì)混凝土電桿受風(fēng)載作用下的應(yīng)力分布及彎矩進(jìn)行了研究，并考慮最嚴(yán)重的情況，對(duì)導(dǎo)線承受風(fēng)載時(shí)電桿支持點(diǎn)彎矩進(jìn)行了計(jì)算，得到了電桿支持點(diǎn)截面、迎風(fēng)面與背風(fēng)面中心線的應(yīng)力分布，分析了不同風(fēng)速下的桿體最大應(yīng)力變化趨勢(shì)，并比較了設(shè)計(jì)風(fēng)速下桿身和導(dǎo)線分別承受風(fēng)載時(shí)桿根支持點(diǎn)的彎矩，可為配電網(wǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)維工作提供依據(jù)．

風(fēng)載荷； 配電網(wǎng)； 混凝土電桿； 破壞

臺(tái)風(fēng)天氣給沿海地區(qū)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)．2004年，臺(tái)風(fēng)“云娜”導(dǎo)致浙江電網(wǎng)輸電線路損壞3 342 km，500 kV線路跳閘10次，9座220 kV變電所失電[1]；2008年，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”侵襲廣東，造成110 kV及以上輸電線路大量跳閘及停運(yùn)，35 kV和10 kV及低壓配電線路大量跳閘，并發(fā)生倒桿、斷桿現(xiàn)象[2]；2012年，颶風(fēng)“桑迪”造成美國(guó)800萬(wàn)用戶斷電，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)500億美元[3]．在全球呈現(xiàn)的熱帶氣旋增大趨勢(shì)下，風(fēng)災(zāi)已成為危害沿海地區(qū)電網(wǎng)安全的重要因素之一．

臺(tái)風(fēng)對(duì)電網(wǎng)的威脅中，風(fēng)致輸電線路桿塔受損與線路舞動(dòng)造成的危害較為嚴(yán)重．尤其在配電線路中，由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，桿塔受損普遍，主要集中在水泥桿倒桿、斷桿．據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”造成三亞10 kV農(nóng)網(wǎng)斷桿133根，倒桿106根，混凝土桿傾斜287根[4]；2008年，受超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“黑格比”影響，陽(yáng)江電網(wǎng)海陵島試驗(yàn)區(qū)、江城區(qū)和陽(yáng)西縣10 kV配網(wǎng)倒、斷桿塔4 997基，茂名電網(wǎng)10 kV線路倒桿2 230基，低壓臺(tái)區(qū)倒桿17 614基，湛江電網(wǎng)倒桿、斷桿2 615基[2]；2009年，臺(tái)風(fēng)“莫拉克”造成福建電網(wǎng)10 kV線路受損桿塔102基，典型電桿破壞如圖1所示．

圖1 典型的電桿折斷現(xiàn)象

臺(tái)風(fēng)期間，除了電桿直接遭受風(fēng)荷過(guò)載外，臺(tái)風(fēng)吹襲線路走廊周圍樹木傾倒，伴隨臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)降水導(dǎo)致的基礎(chǔ)塌方，導(dǎo)線承受的風(fēng)荷載等間接因素都可能造成水泥桿倒桿、斷桿．目前，針對(duì)電桿性能的研究，主要有采用抗彎承載能力試驗(yàn)研究和仿真模擬等[5-7]，但多采用集中加載方式，少有分析電桿在風(fēng)載荷分布受力條件下的破壞情況．本文針對(duì)風(fēng)載荷下水泥桿破壞現(xiàn)象，采用有限元方法，對(duì)風(fēng)載荷下混凝土電桿的應(yīng)力及彎矩進(jìn)行了分析，可為混凝土電桿設(shè)計(jì)及運(yùn)維提供依據(jù)．

1 風(fēng)載荷作用下混凝土電桿受力分析

本文采用Comsol Multiphysics軟件，基于有限元法對(duì)典型混凝土電桿在不同風(fēng)速下的應(yīng)力分布及彎矩進(jìn)行了分析，揭示風(fēng)載荷作用下，混凝土電桿的受力情況．混凝土電桿為普遍采用的G級(jí)、長(zhǎng)L為12 m的混凝土電桿[8]，根徑D為350 mm，梢徑d為190 mm，壁厚δ為50 mm，主筋直徑為16 mm，主筋數(shù)量為12，如圖2所示．混凝土楊氏模量E1=25 GPa，泊松比μ1=0.33；主筋楊氏模量E2=200 GPa，泊松比μ2=0.33，電桿支持點(diǎn)高度L2為2 m．

圖2 混凝土電桿典型結(jié)構(gòu)示意圖

在模型中，電桿自桿根至桿梢軸向?yàn)檎齴向，風(fēng)速方向?yàn)檎齳向，由于桿身并非處處與風(fēng)向垂直，故在桿身上產(chǎn)生的單位面積載荷隨著該截面圓半徑xm不同而不同，結(jié)合文獻(xiàn)[8]對(duì)混凝土電桿受力的分析可知，單位面積電桿的受力可以用式(1)進(jìn)行計(jì)算，本文將其作為計(jì)算中的施加載荷．

(1)

式中，C為體形系數(shù)，取值為0.7；V為風(fēng)速(m/s)．在分析中，取支持點(diǎn)截面作為固定約束．

在有限元計(jì)算中，采用四面體單元對(duì)電桿進(jìn)行剖分，網(wǎng)格單元數(shù)量為708 630．桿身von Mises應(yīng)力分布如圖3所示．

圖3 桿身von Mises應(yīng)力分布圖

從圖3可以看出，在電桿桿身受到風(fēng)載荷作用時(shí)，其根部受到應(yīng)力最大．為了研究不同風(fēng)速下電桿典型區(qū)域的應(yīng)力分布，采用3種風(fēng)速，分別為25 m/s、35 m/s和45 m/s，研究固定約束截面的von Mises應(yīng)力分布，如圖4所示．

從圖4可以看出，在約束截面上，3種風(fēng)速下，背風(fēng)面應(yīng)力均呈現(xiàn)應(yīng)力大于迎風(fēng)面的現(xiàn)象，且分布在桿身表面．為了更進(jìn)一步分析桿身表面的應(yīng)力分布情況，以桿身表面迎風(fēng)面和背風(fēng)面中心線為研究路徑，獲取高度方向上的應(yīng)力分布，分別如圖5～6所示．

圖5 不同風(fēng)速下桿身表面迎風(fēng)面中心線路徑上的應(yīng)力分布

圖6 不同風(fēng)速下桿身表面背風(fēng)面中心線路徑上的應(yīng)力分布

從圖5可以看出，在桿身迎風(fēng)面中心線上，V=25 m/s，35 m/s和45 m/s時(shí)，應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在支持點(diǎn)截面，隨風(fēng)速變化其值變化不大，隨著高度增加，距支持點(diǎn)垂直距離增大，應(yīng)力總體上呈下降趨勢(shì)．但是，隨著距支持點(diǎn)垂直高度增加，在臨近約束截面處，出現(xiàn)了第一個(gè)應(yīng)力極小值，接著應(yīng)力值突變至第一個(gè)極大值并繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，下降至一較小值之后，應(yīng)力值隨垂直高度增加又上升，繼而緩慢下降，分別形成第二個(gè)極小值和極大值點(diǎn)，且第二個(gè)應(yīng)力極小值點(diǎn)出現(xiàn)的高度隨著風(fēng)速增大呈增大趨勢(shì)．從圖6可以看出，在桿身背風(fēng)面中心線上，最大值亦出現(xiàn)在支持點(diǎn)截面，隨風(fēng)速增大其值增加明顯，隨高度增加，應(yīng)力變化呈單調(diào)減小趨勢(shì)．

除了對(duì)面上的應(yīng)力進(jìn)行分析外，對(duì)桿體最大應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)合3種研究風(fēng)速和V=47.5 m/s時(shí)桿體的情況，得出不同風(fēng)速下桿體最大應(yīng)力如圖7所示．可以看出，隨著風(fēng)速的增大，桿體最大應(yīng)力呈指數(shù)規(guī)律增大，在本文研究中，滿足下式：

(2)

圖7 電桿桿體最大應(yīng)力

2 混凝土電桿及導(dǎo)線風(fēng)荷載作用下彎矩分析

根據(jù)GB/T 4623-2006《環(huán)形混凝土電桿》[9]，本文所研究的整根鋼筋混凝土錐形桿承載力檢驗(yàn)彎矩Mu為48.76 kN·m．為了直觀分析混凝土電桿的破壞因素，分別分析了混凝土電桿和導(dǎo)線直接承受風(fēng)載作用時(shí)的支持端的彎矩．

將上述有限元分析中采用的單位面積載荷對(duì)迎風(fēng)面進(jìn)行積分，得電桿直接承受風(fēng)載的支持端彎矩，見(jiàn)表1．

表1 混凝土電桿直接承受風(fēng)載支持端彎矩

對(duì)配電線路常用導(dǎo)線進(jìn)行電桿支持點(diǎn)彎矩計(jì)算，導(dǎo)線選取外徑較大的LGJ-240/30，外徑為21.6 mm，3根導(dǎo)線按照三角排列，層間距離為0.8 m，線路檔距60 m．由于風(fēng)吹向?qū)Ь€時(shí)僅產(chǎn)生與導(dǎo)線軸線垂直的風(fēng)荷載，按照最嚴(yán)重的情況，風(fēng)速方向垂直導(dǎo)線軸線，且考慮地面粗糙類別A類(近海面、海島及海岸等)，可以根據(jù)式(3)和(4)計(jì)算得到支持點(diǎn)彎矩[8，10]，見(jiàn)表2．

(3)

(4)

式中，M為導(dǎo)線風(fēng)載荷引起的支持點(diǎn)彎矩(N·m)；P為單根導(dǎo)線的線風(fēng)荷載(N/m)；l為檔距(m)；hk為第k根導(dǎo)線與支持點(diǎn)的垂直距離；n為電桿上懸掛的導(dǎo)線根數(shù)；Dw為導(dǎo)線外徑(m)；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)；μsc為導(dǎo)線體型系數(shù)；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)．

表2 導(dǎo)線承受風(fēng)載電桿支持端彎矩

從表1和表2可以看出，以在該強(qiáng)度下線路設(shè)計(jì)風(fēng)速為35 m/s作為計(jì)算值，可得電桿桿身直接承受風(fēng)載桿根彎矩僅為承載力檢驗(yàn)彎矩的13%，而導(dǎo)線承受風(fēng)載桿根彎矩達(dá)載力檢驗(yàn)彎矩的65.8%．

3 結(jié) 論

本文基于有限元法，以配電網(wǎng)常用的G級(jí)混凝土電桿作為研究對(duì)象，對(duì)混凝土桿塔受風(fēng)載作用下的受力分布及彎矩進(jìn)行了研究，并考慮最嚴(yán)重的情況，對(duì)導(dǎo)線承受風(fēng)載時(shí)電桿桿根彎矩進(jìn)行了計(jì)算．研究表明：

1)電桿在承受風(fēng)載作用時(shí)，約束截面背風(fēng)側(cè)應(yīng)力最大．隨著風(fēng)速的增大，約束截面迎風(fēng)側(cè)應(yīng)力變化不大，而背風(fēng)側(cè)應(yīng)力增加較為明顯．

2)隨著距支持點(diǎn)垂直距離增加，桿身表面迎風(fēng)面中心線應(yīng)力整體呈下降趨勢(shì)，但在下降過(guò)程中出現(xiàn)波動(dòng)，有兩個(gè)極小值和兩個(gè)極大值；而背風(fēng)面中心線應(yīng)力則單調(diào)下降．

3)電桿桿體最大應(yīng)力隨著風(fēng)速的增大，呈指數(shù)規(guī)律增加．

4)在本文嚴(yán)重風(fēng)條件下，導(dǎo)線引起的支持點(diǎn)彎矩為承載力檢驗(yàn)彎矩的65.8%，而電桿桿身直接承受風(fēng)載彎矩僅占13%，由此可見(jiàn)，導(dǎo)線承受風(fēng)載對(duì)混凝土電桿造成的破壞十分明顯，需要引起重視．此外，除了桿身和導(dǎo)線承受風(fēng)載荷之外，混凝土電桿的破壞應(yīng)重視導(dǎo)線舞動(dòng)、桿身疲勞及基礎(chǔ)松動(dòng)等因素．

[1] 吳勇軍，薛禹勝，謝云云，等．臺(tái)風(fēng)及暴雨對(duì)電網(wǎng)故障率的時(shí)空影響[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2016，40(2)：20-29，83．

[2] 彭向陽(yáng)，黃志偉，戴志偉．配電線路臺(tái)風(fēng)受損原因及風(fēng)災(zāi)防御措施分析[J]．南方電網(wǎng)技術(shù)，2010，4(1)：99-102．

[3] 趙子威，李樹平．颶風(fēng)“桑迪”的影響及啟示研究[J]．環(huán)境科學(xué)與管理，2013，38(9)：189-194．

[4] 厲天威，江巳彥，趙建華，等．南方電網(wǎng)沿海地區(qū)輸電線路風(fēng)災(zāi)事故分析[J]．高壓電器，2016，52(6)：23-28．

[5] 劉思遠(yuǎn)，夏開(kāi)全，陳宗平．在役鋼筋混凝土電桿抗彎承載能力研究[J]．混凝土，2011(6)：60-63，72．

[6] 曾憲樂(lè)，許 飛，夏開(kāi)全．超期服役鋼筋混凝土電桿抗彎承載能力研究[J]．廣西電力，2010，33(6)：1-3，24．

[7] Masmoudi R, Mohamed H， Metiche S． Finite Element Modeling for Deflection and Bending Responses of GFRP Poles [J]．Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2008, 27(6): 639-658．

[8] 蘭 穎．考慮臺(tái)風(fēng)影響的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估和規(guī)劃[D]．重慶：重慶大學(xué)，2014．

[9] GB/T 4623-2006．環(huán)形混凝土電桿[S]．

[10] GB 50545-2010．110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[責(zé)任編輯 張 莉]

Analysis of Failure of Power System Concrete Poles Subjected to Wind Loads

Ma Hui Li Chao

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Typhoons pose a great threat to the secure and stable operation of power systems in coastal areas; and the power distribution facilities are greatly affected due to the lower design standards. The failure of concrete poles in overhead lines is an important factor in distribution fault; so it is necessary to perform a deep analysis of it. In the paper, the stress and the bending moments of concrete poles subjected to wind loads are studied; and the bending moments of the support point resulted from transmission lines is calculated considering severe cases. Both the stress distribution of the cross-section of the support point and that of the center line of windward side and leeside of the pole are obtained. The maximum stresses of the pole body are analyzed; and the bending moments of the support point resulted from pole and transmission lines are compared. The results can provide basis for the design, operation and maintenance of power distribution network.

wind load; power distribution network; concrete pole; failure

2017-02-25

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(5150070317)；湖北省微電網(wǎng)工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金(2016KDW03)

馬 輝(1985-)，男，講師，博士，主要從事智能配電網(wǎng)技術(shù)、配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理、高效率多電平變流技術(shù)等方面的研究． E-mail：mahui22119@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.015

TM752+.5

A

1672-948X(2017)03-0066-04