鋼鋁混合門式輸電塔試驗方案設(shè)計與仿真研究

張 鳴 屈 勇 張 棟 方燕華 趙 爽 方子帆

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 佛山供電局,廣東 佛山 528000;2.佛山電力設(shè)計院有限公司,廣東 佛山 528000;3.三峽大學(xué) 機械與動力學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

輸電塔線系統(tǒng)是架空輸電線路中最為關(guān)鍵的單元,是國家最為重要的電力生命線,其中輸電塔又極易由于各種惡劣極端工況而造成斷線、倒塔等事故發(fā)生.原有的搶修塔在搶修過程中需打多條臨時拉線,而現(xiàn)場通常由于場地等原因不具備打拉線的條件.鑒于此,本文設(shè)計出一種在輸電線路發(fā)生破壞,電力供給中斷等情況下,能夠繼續(xù)滿足電力需求110 k V 的1C1W6-JZQL型搶修塔.該塔是根據(jù)廣東省典型氣象條件和應(yīng)急搶修導(dǎo)地線型號研發(fā)設(shè)計的單回路鋁合金自立式搶修塔,可以避免因拉線搶修塔占地面積較大,在場地環(huán)境受限條件下無法展開搶修的問題.該塔采用雙地線、三角形排列導(dǎo)線及直線耐張通用設(shè)計的思路,其桿塔結(jié)構(gòu)采用主柱模塊化設(shè)計,材料為鋁-鋼混合材料[1-3].由于采用模塊化設(shè)計,該搶修塔施工簡單、安裝方便,其安全可靠性、經(jīng)濟合理性均對高壓線路的搶修應(yīng)用具有十分重大的意義.對該結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析[4],獲取結(jié)構(gòu)薄弱部位并進行增強.為了保證真型試驗的安全性和可靠性,結(jié)合工況和真型實驗場條件設(shè)計了4種典型工況,根據(jù)這4種工況對搶修塔進行有限元仿真分析[5-6],進一步調(diào)整結(jié)構(gòu),為后續(xù)搶修塔真型試驗的研究提供了理論基礎(chǔ).

1 鋁合金搶修塔的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 呼稱高度的設(shè)計

鋁合金搶修塔的呼稱高度與檔距、地理條件、電壓等級、氣象及電氣條件等因素有關(guān).通過調(diào)研廣東省近15年的氣象,得出南方氣象特點見表1.

表1 南方氣象特點

搶修塔下橫擔(dān)的下弦邊緣線到地面的垂直距離H為桿塔的呼稱高度,如圖1所示.

圖1 桿塔呼稱高度示意圖

呼稱高度是桿塔的基本高度,采用公式(1)進行計算:

式中:λ為懸垂絕緣子串的長度(m);fmax為導(dǎo)線的最大弧垂(m);h x為導(dǎo)線到地面及被跨越物的安全距離(m);Δh為施工裕度(m).

國標GB 50061—2010、GB 20545—2010 規(guī)定,根據(jù)操作過電壓及雷電過電壓要求,110 k V 絕緣子串絕緣子片數(shù)不少于7片且單片絕緣子長度不低于146 mm.為了達到使用條件,選擇10 片長度為150 mm 的單片絕緣子,故懸垂絕緣子長度λ為1.5 m.絕緣子串型號及參數(shù)見表2.

表2 絕緣子型號及參數(shù)

導(dǎo)線的最大弧垂可利用最高氣溫情況求得應(yīng)力,然后根據(jù)最大弧垂的計算公式來計算,即:

式 中:γ為比載(MPa/m);Lj為水平檔距(m);σ為 導(dǎo)線最低點的應(yīng)力(MPa).

選取的導(dǎo)線參數(shù)見表3.

表3 導(dǎo)地線型號及參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)可計算出比載及導(dǎo)線在最低點應(yīng)力,選擇兩塔水平檔距為350 m,由式(2)計算得到導(dǎo)線最大弧垂fmax為7.5 m.

導(dǎo)線到地面及被跨越物的安全距離h x是指導(dǎo)線在最大弧垂時導(dǎo)線對地面上的構(gòu)筑物及架空電線等跨越和交叉的最小距離.根據(jù)《架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》可得,110 k V 輸電塔的導(dǎo)線對地面的最小垂直距離為7 m,安全考慮取h x=8.5 m.施工裕度Δh是考慮搶修塔在安裝過程中出現(xiàn)誤差而預(yù)留的寬度,Δh一般取0.5～1.4 m,取Δh=0.5 m.最后由式(1)計算得出整個搶修塔的呼稱高度為18 m.

1.2 橫擔(dān)長度的設(shè)計

搶修塔的橫擔(dān)長度是根據(jù)導(dǎo)線的水平線間距和最小空氣間隙并考慮帶電作業(yè)的要求來確定的.當絕緣子串長度、風(fēng)偏角度和最小空氣間隙確定后,上下橫擔(dān)長度按照式(3)、(4)計算:

式中:R為最小空氣間隙(m);λ為懸垂絕緣子串長度(m);φ為懸垂絕緣子串風(fēng)偏角(°);b為搶修塔上腳釘外露部分加桿徑一半的長度(m).

表4為部分帶電部分與塔之間的最小間隙,本文設(shè)計的搶修塔電壓等級110 k V,得最小空氣間隙R=1 m.

表4 最小空氣間隙(部分)(單位:m)

懸垂絕緣子串風(fēng)偏角為導(dǎo)線與絕緣子串在風(fēng)載荷作用下使懸垂絕緣子串偏離的角度.圖2為懸垂絕緣子串風(fēng)偏角示意圖.

圖2 風(fēng)偏角示意圖

對A 點取力矩平衡方程得:

整理得:

式中:PD為導(dǎo)線風(fēng)荷載;GD為導(dǎo)線垂直荷載;PJ為懸垂絕緣子串風(fēng)荷載;GJ為懸垂絕緣子串垂直荷載;Lp、LV分別為水平檔距和垂直檔距;γ1、γ4分別為導(dǎo)線的自重比載和風(fēng)壓比載;A為導(dǎo)線的截面積.

最后通過式(4)計算得到下橫擔(dān)長度為10.9 m.本文搶修塔采用模塊化設(shè)計,讓上下橫擔(dān)采用相同的結(jié)構(gòu)參數(shù),采用上橫擔(dān)長度為10.9 m.

由1.1和1.2所述及相關(guān)計算,得到該鋁合金搶修塔基本尺寸,見表5.

表5 鋁合金搶修塔基本尺寸 (單位:m)

1.3 搶修塔的模塊設(shè)計

為了施工簡單、安裝方便以及從安全、經(jīng)濟性考慮,本文桿塔結(jié)構(gòu)采用主柱模塊化設(shè)計.模塊結(jié)構(gòu)為:在兩端采用強度較好的鋼材Q255,中間采用鋁合金2A12組合成一個柱模塊,在柱模塊之間采用鋼材Q355進行連接,得到單層模塊,如圖3所示.然后由單層模塊以及柱模塊進行組合,最終得到鋁合金自立式搶修塔模型.

圖3 鋁合金搶修塔單個模塊結(jié)構(gòu)圖

搶修塔采用的材料參數(shù)如下:2A12高強度鋁合金,彈性模量為72 GPa,密度為2 800 kg/m3,泊松比為0.3;Q255鋼,彈性模量為210 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.27;Q355 鋼,彈性模量為206 GPa,密度為7 850 kg/m3,泊松比為0.3.本鋁合金搶修塔角鋼及角鋁規(guī)格尺寸見表6.

表6 鋁合金搶修塔角鋼/角鋁規(guī)格尺寸

2 有限元模型的建立及模態(tài)分析

2.1 有限元模型建立

在輸電塔有限元模型的建立過程中,通常將橫向和豎向桿件視為只承受軸向力,不承受剪力和彎矩作用的二力桿.但實際當輸電桿塔結(jié)構(gòu)有較大變形和轉(zhuǎn)動時,桿件會受到彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,因此將主材考慮定義為梁單元[7-8].BEAM 188梁單元各個端點包含X,Y,Z3個方向的位移和圍繞三軸的扭轉(zhuǎn)共6個自由度,選用該單元來模擬搶修輸電塔受力特性.輸電塔有限元模型如圖4所示,該模型共有4 948個節(jié)點,3 366個單元.

圖4 鋁合金搶修塔有限元模型

2.2 模態(tài)分析

為了解該鋁合金搶修輸電塔的結(jié)構(gòu)動力特性[9],利用Block Lanczos模態(tài)分析法對搶修塔進行模態(tài)求解,選取輸電塔的前3階振型進行分析.搶修塔的前3階固有頻率見表7,前3階振型圖如圖5所示.

表7 搶修塔前3階固有頻率及振型

圖5 搶修塔模態(tài)振型

可以看出搶修塔的前三階為扭轉(zhuǎn)及軸向彎曲振型,根據(jù)振型特點對橫擔(dān)區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.在變形較大的橫擔(dān)兩端,加大角鋁截面尺寸,增加剛度,減小共振的影響.

3 搶修塔的試驗研究及數(shù)值模擬

3.1 關(guān)鍵測點布置

觀測點的布置需能反映出鐵塔的整體撓度、變形和受力,主要布置在如下位置:桿塔主要構(gòu)件,如塔身、塔腿、橫擔(dān)主材;桿塔各試驗工況下受力較大的桿件;桿塔局部構(gòu)造薄弱和關(guān)鍵傳力部位.根據(jù)以上規(guī)則,位移測點和應(yīng)力測點布置如圖6所示.

圖6 測點布置

在真型實驗中應(yīng)注意:根據(jù)構(gòu)件規(guī)格和受力特點采用不同的應(yīng)變片粘貼方式.一般斜材及受力較小的構(gòu)件在連接肢或兩個肢上沿心線位置粘貼;對受力較大構(gòu)件或承受較大次彎矩的構(gòu)件可酌情增加應(yīng)變片粘貼數(shù)量;當應(yīng)變觀測點貼片數(shù)量大于4時,應(yīng)將應(yīng)變片控制在桿件同一橫截面上.

3.2 試驗工況設(shè)計

輸電塔在設(shè)計時要考慮各種工況的相應(yīng)風(fēng)載荷、覆冰載荷、安裝載荷和斷線載荷等.將作用在塔身上的風(fēng)載荷,按照塔身的高度系數(shù)進行分段,最終將風(fēng)載荷分配到相應(yīng)的節(jié)點上用以模擬真實風(fēng)載.輸電線路常用工況有正常運行工況、安裝檢修工況和事故斷線工況等.斷線事故一般系外力所致,計算斷線情況的目的,主要是確定斷線時桿塔所受的載荷用以校驗桿塔強度.

單回路懸垂型搶修塔斷線工況為:任意一相導(dǎo)線斷(地線不斷)或地線斷(導(dǎo)線不斷);懸垂搶修塔安裝工況為:提升導(dǎo)線地線等重量和安裝工人及工具的附加荷載,一般按2倍計算;正常運行工況為:90°大風(fēng)工況和長期運行工況.采用這4種典型工況來校驗桿塔強度,具體工況設(shè)計說明見表8.

表8 搶修塔4種典型工況設(shè)計表

根據(jù)《110 k V—750 k V 架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》(GB 50545—2010)及導(dǎo)地線參數(shù)表,計算得出各個工況的載荷加載數(shù)值,將導(dǎo)地線的荷載等效作用在與輸電塔連接的節(jié)點上.各個工況載荷加載情況見表9.載荷類型為線條載荷.

表9 各工況加載荷載表(單位:k N)

載荷加載時采用分段分級加載方式,便于觀察和分析桿塔受力變化過程和判斷強度極限點,載荷加載比例隨時間變化過程如圖7所示.

圖7 載荷加載分級圖

3.3 數(shù)值模擬

將鋁合金搶修塔的底部16個節(jié)點固定,根據(jù)表9和圖7對搶修塔進行數(shù)值模擬仿真[10-12],最終得到輸電塔各節(jié)點的位移及應(yīng)力分布,位移與應(yīng)力隨時間變化曲線與載荷加載曲線一致.C1檢測點為地線連接點處,C4檢測點為導(dǎo)線連接點處,可知兩處為關(guān)鍵檢測點,兩處測點位移曲線如圖8所示.

工況1最大位移為C4測點的241.43 mm,工況2最大位移為C1測點的228.4,工況3 最大位移為C4測點的337.92 mm,工況4最大位移為C4測點的191.5 mm.根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定,輸電塔塔頂水平位移應(yīng)小于等于桿塔總高的1/75;本輸電塔塔高25.4 m,即最大位移不能超過338 mm,滿足規(guī)范要求.仿真中最大試驗載荷是實際搶修塔載荷的150%～200%,故搶修塔不會發(fā)生破壞.為防止極端情況出現(xiàn)破壞問題,在位移較大的C1 測點處與C4測點處,應(yīng)適當加大兩部位的角鋁截面尺寸.

根據(jù)應(yīng)力大小來判斷材料是否發(fā)生破壞的規(guī)則主要有最大拉應(yīng)力準則、最大剪應(yīng)力準則及最大畸變能準則等.本文采用的判斷準則是最大畸變能準則,該準則是當材料的最大畸變能達到該材料的畸變能極限值時,材料會發(fā)生屈服(或剪斷),主要適用于韌性材料.其以主應(yīng)力形式來表達的公式為:

式中:σeq為等效應(yīng)力;σ1、σ2、σ3分別為3個主應(yīng)力.

應(yīng)力較大的D1 測點處與D4 測點處的應(yīng)力曲線,如圖9所示.

圖9 關(guān)鍵檢測點應(yīng)力圖

經(jīng)過靜力學(xué)分析計算,工況1最大應(yīng)力為D1測點的328.87 MPa,工況2 最大應(yīng)力為D1 測點的245.19 MPa,工況3 最大應(yīng)力為D4 測點的246.08 MPa,工況4最大應(yīng)力為D1測點的228.69 MPa.可知D1與D4測點為應(yīng)力關(guān)鍵測點,最大等效應(yīng)力為328.87 MPa,小于2A12鋁合金材料345 MPa極限,材料不會發(fā)生破壞.為保證運行安全,在D1測點處與D4測點處,同樣應(yīng)適當加大角鋁截面尺寸.

4 結(jié)語

設(shè)計了一種能夠在輸電線路發(fā)生倒塔等災(zāi)害時迅速恢復(fù)電力供給的模塊化鋁合金搶修塔.對搶修塔進行模態(tài)分析,并在搶修塔真型試驗之前進行4種典型工況的數(shù)值仿真,主要得到以下結(jié)論.

1)根據(jù)振型特點對橫擔(dān)區(qū)域進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在變形較大的橫擔(dān)兩端加大角鋁截面尺寸,增加剛度,減小共振的影響.

2)在安裝工況下導(dǎo)地線與搶修塔連接部位變形較大,且等效應(yīng)力接近屈服極限,應(yīng)適當加大導(dǎo)地線與桿塔連接處的角鋁截面尺寸.

3)在斷線工況下,位移和應(yīng)力未超出設(shè)計規(guī)范與材料的強度,但是均與極限值接近,應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu),防止應(yīng)力集中,且應(yīng)盡量避免在極端天氣下進行搶修工作.

本文在搶修塔上使用鋼鋁混合材料代替高強度鋼材料,驗證了其滿足安全性及穩(wěn)定性的要求,為真型試驗提供了理論基礎(chǔ)和優(yōu)化方案.