覆冰輸電線路導(dǎo)線脫冰對塔線耦合體系動(dòng)態(tài)響應(yīng)的數(shù)值分析

楊曉持

【摘 要】文章通過搭建輸電線路特殊區(qū)域的塔線耦合體系的有限元模型，以數(shù)據(jù)的形式模擬了覆冰厚度、脫冰概率、脫冰位置以及結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的檔距、高差等參考數(shù)據(jù)對線路脫冰動(dòng)態(tài)特征的影響，描述了導(dǎo)線脫冰之后，導(dǎo)線的中點(diǎn)位置移動(dòng)振蕩的幅度、導(dǎo)線不平衡的拉力以及絕緣子串途徑線路方向的擺動(dòng)幅度等與實(shí)踐變化的關(guān)系，并對線路的設(shè)計(jì)給出有效的建議。

【關(guān)鍵詞】覆冰輸電線路導(dǎo)線脫冰;塔線耦合體系;動(dòng)態(tài)響應(yīng)

引言：輸電線路脫冰，其實(shí)就是在各種外力氣候因素的影響下，覆冰導(dǎo)線整體或部分脫冰的情況，進(jìn)而引起線路跳閘或輸電塔振動(dòng)，導(dǎo)致地線短路、金具損壞、斷股斷線、輸電塔不穩(wěn)坍塌等事故發(fā)生。本文將對覆冰輸電線路導(dǎo)線脫冰對塔線耦合體系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值為論點(diǎn)，分析脫冰給塔線耦合體系的安全帶來的不利影響。

1.兩塔三檔塔線耦合體系的力學(xué)模型

通過ANSYS搭建特殊區(qū)段兩塔三檔塔線耦合體系的有限元模型，如圖一所示，各檔間的距離為400米，其中導(dǎo)線最開始的戰(zhàn)力為32kn，弧度為5.9米和2.79米。

2.覆冰的厚度對脫冰的影響

設(shè)立對中間相的導(dǎo)線進(jìn)行脫冰，其概率為百分之50，不同部分厚度覆冰下不同導(dǎo)線的中心點(diǎn)唯一曲線、導(dǎo)線的水平張力。覆冰越厚，導(dǎo)線跳躍導(dǎo)致的最大高度偏差不超過5米，導(dǎo)線跳躍的幅度隨覆冰厚度增加而增大，且四條曲線具有一致的特征，在三個(gè)振蕩周期過后，振蕩的幅度迅速減小，曲線逐漸接近平穩(wěn)。從數(shù)值模擬的結(jié)論中可以得知，覆冰厚度超過40毫米時(shí)，超過單線所能承載的符合，導(dǎo)線拉斷。

基于絕緣子串受到不同導(dǎo)線不平衡的拉力，在導(dǎo)線脫冰后，絕緣子串會(huì)線路方向的擺動(dòng)[1]。脫冰率的增加也促進(jìn)絕緣子串振動(dòng)的位置發(fā)生轉(zhuǎn)移。

3.脫冰的位置對于輸電線路脫冰作業(yè)的影響

在輸電線路檔距內(nèi)，導(dǎo)線全檔同時(shí)脫冰，不同脫冰位置的脫冰動(dòng)力響應(yīng)，脫冰位置越靠近導(dǎo)線的中心，則導(dǎo)線中心點(diǎn)的脫冰跳躍振動(dòng)的幅度越大，其水平張力幅度也逐漸增大，一致于振蕩曲線的變化趨勢。

4.檔距對輸電線路脫冰的影響

假設(shè)不同檔距來研究檔距杜宇輸電線路脫冰響應(yīng)的具體影響，各種事故情況下最開始的張力為32kn，覆冰的厚度為20毫米，只將第二檔脫冰，其脫冰率為百分之50，不同檔距下的墨子能夠在脫冰后的中心點(diǎn)豎直位移曲線?？梢缘弥瑱n距的增大與導(dǎo)線覆冰后的幅度成正比，進(jìn)而致使脫冰跳躍幅度好的振動(dòng)周期也也逐漸增大。各檔在脫冰后導(dǎo)線的水平張力，檔距越大覆冰后導(dǎo)線的張力也就越大，其振動(dòng)幅度也逐步增大，但在三個(gè)振蕩周期后，振蕩幅度會(huì)大范圍減小。

5.輸電塔高度差距對輸電線路脫冰響應(yīng)的影響

基于輸電線路所處地形的復(fù)雜多樣，導(dǎo)致不同地域的輸電塔有著不同的高度差異，因此輸電塔的高度差異可能會(huì)對輸電線路的脫冰帶來什么樣的影響，是十分有意義的關(guān)注點(diǎn)[2]。以此為探究點(diǎn)，建立三個(gè)不同檔距的模型，第一檔與第三檔之間不存在高度差距，僅讓第二檔有高度的差異。導(dǎo)線間的檔距為400米，覆冰的厚度20毫米，僅將第二檔脫冰，其余檔不動(dòng)，其脫冰率為百分之50。三種不同高度差距下導(dǎo)線中心點(diǎn)的唯一曲線，輸電塔的高度差距在輸電線路脫冰的初級階段，其導(dǎo)線中心點(diǎn)位移的影響很小，特別是對于其最大的跳躍高度，其影響可以忽略不計(jì)。較高的懸掛點(diǎn)處的導(dǎo)線的張力曲線，可得知，輸電塔的高度差越大，相同檔距下高懸掛點(diǎn)的張力就越大，在可研究的輸電塔高度差距范圍內(nèi)，導(dǎo)線張力曲線的振幅都在三個(gè)周期后急速減小，基本等同于其他不同檔距作用下的結(jié)果。

6.對于電力隧道襯砌結(jié)構(gòu)有限元的分析

近幾年飛速發(fā)展的國民GDP，讓電力建設(shè)的發(fā)展在收獲了更多機(jī)遇的同時(shí)也面臨著全新的改革與挑戰(zhàn)[3]。我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)讓居民的生產(chǎn)生活更加的依賴于電力資源，電力電纜的建設(shè)逐漸向電纜回路多、電力工程規(guī)模浩大的方向邁進(jìn)，以最大限度的確保城鄉(xiāng)居民穩(wěn)定安全的用電服務(wù)。在電力電纜工程積極的更新與發(fā)展過程中，電力電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是工程應(yīng)用的主要手段，其常見的方法是有點(diǎn)遠(yuǎn)計(jì)算軟件的應(yīng)用。將電力電纜的襯砌結(jié)構(gòu)以有限單元為單位進(jìn)行劃分，借助梁單元來模擬襯砌結(jié)構(gòu)，通過彈性鏈桿單元來模擬隧道襯砌與圍巖之間的相互作用關(guān)系，以隧道襯砌所承受的荷載作為節(jié)點(diǎn)荷載，加之襯砌單元之上，并且對襯砌單元的邊界施加約束條件，進(jìn)而進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的分析。在計(jì)算收到襯砌單元的內(nèi)力后，再對襯砌進(jìn)行截面檢查計(jì)算，同時(shí)進(jìn)行配筋的計(jì)算。此種計(jì)算方法在使用時(shí)過于繁復(fù)，并不適用于電力工程的施工。

全新的計(jì)算方法研究，是以有限元計(jì)算為基礎(chǔ)，充分與不同形式的隧道襯砌結(jié)構(gòu)的不同受力狀態(tài)進(jìn)行有效結(jié)合，以拉鋸位移法為手段，按照各種規(guī)章準(zhǔn)則為依據(jù)，對電力施工常見的電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)、車輛的荷載計(jì)算以及施加的彈性鏈桿單元、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算等步驟進(jìn)行了整理劃分和充分的整合拓展，借助FORTRAN90語言，進(jìn)行電力電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件PT的編制，僅電力電纜的襯砌結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行受理方面的分析。將PT與有限元分析軟件ANSYS的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析比較，以此來優(yōu)化改進(jìn)電力電纜的隧道襯砌厚度。依照相關(guān)文件對于電力電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算方法--矩陣位移法，應(yīng)該計(jì)算圍巖對襯砌變形的約束作用力例如彈性抵抗力[4]。彈性抵抗力的大小及其分布可以依照襯砌在荷載作用下的變形以及回填的情況，再加上圍巖的變形性質(zhì)等因素來進(jìn)行計(jì)算。

但由于地下空間范圍資源的約束，隧道的埋深程度越來越大，進(jìn)而增大了襯砌結(jié)構(gòu)所受到的圍巖荷載，也致使襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)厚度也越來越大。這不利于工程資源的節(jié)約，會(huì)給工程的經(jīng)濟(jì)效益帶來負(fù)面影響。

結(jié)語：基于本文的探索，應(yīng)充分重視在設(shè)計(jì)輸電線路時(shí)，脫冰對于塔線耦合體系動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，并且結(jié)合考慮冰風(fēng)載荷的共同作用因素。編制電力電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建復(fù)合式的襯砌結(jié)構(gòu)符合模型，對其實(shí)行有限元的計(jì)算。將PT與ANSYS對電力電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力好的計(jì)算結(jié)果對比分析，以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的厚度設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] DL/T 5484-2013.電力電纜隧道設(shè)計(jì)規(guī)程[S]

[2] 隧道工程[M]：長沙：中南大學(xué)出版社，2014

[3] 隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算[M]：北京：人民交通出版社，2012

[4] 胡國良 任繼文.ANSYS 13.0有限元分析實(shí)用基礎(chǔ)教程[M].北京：國防工業(yè)出版社，2012

（作者單位：中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司）