基于ANSYS的地線支架覆冰失穩原因分析

洪建平，曹雷，鄧長征，王鴻

(1.湖南省電力公司常德檢修公司，湖南 常德 415000;2.三峽大學，湖北 宜昌 443000)

1 引言

自2008年冰災以來，我國南方地區多次出現輸電線路覆冰事故，給電網建設帶來巨大損失［1］。目前，由于過電流融冰法、短路電流融冰法以及直流電流融冰法等大電流融冰法的廣泛應用，導線覆冰得到了有效解決，但地線覆冰目前仍然沒有很好的解決方法。在“冰害”的超強外力作用下，地線支架不能承受其荷載就會出現受損失穩甚至垮塌的情況，導致檔距內導、地線弧垂移位，出現導、地線交叉現象及安全距離不夠等事故，嚴重影響了輸電線路的正常運行。

本文以某條500 kV輸電線路JZ2型直線塔地線支架為研究對象，結合現場調研情況，利用ANSYS軟件建立地線支架、中橫擔、邊橫擔以及上曲臂模型，進行最大覆冰工況下受力計算，對地線支架受損垮塌的原因進行了深入分析，并將分析結果與地線支架的實際破壞情況進行對比，找出地線支架失穩的根本原因—地線支架承受的壓應力遠遠超過了其歐拉應力［2］。最后根據地線支架失穩垮塌原因，提出補強建議，為線路運行單位提供參考。

2 地線支架覆冰失穩事故分析

近年來，自然環境日趨惡劣，長時間、高強度、大面積的冰凍災害天氣是地線支架失穩垮塌的先決條件［3］，特別是山區的微地形、微氣象條件，白天和晚上溫差比較大，雨、雪交替出現加重了導、地線的鐵塔的覆冰情況。罕見的惡劣天氣固然是一個重要原因，但也揭露了線路覆冰設計標準較低，經不起極端冰雪天氣的考驗。該條線路設計于2007年，設計覆冰厚度為15mm，且穿越山區，線路高差較大。據現場勘測顯示，冰厚一般為30mm，有些地區達到35mm，導線不均勻覆冰厚度超過10mm，遠遠超過了線路設計標準。當地線覆冰積累到一定體積和重量后，地線重量倍增，超過地線支架的極限荷載承受能力時，地線支架局部失穩，頂端彎曲變形。當覆冰繼續加重，嚴重超過地線支架的承受能力時，地線支架整體失穩垮塌［4］，見圖1。

圖1 地線支架整體失穩垮塌

3 受損地線支架的ANSYS分析

3.1 有限元模型建立

某500kV輸電線路JZ2型直線塔，塔高32m，線路通過山區微地形、微氣象區，導線為4×LGJ－400/35，地線為GJ－100，絕緣子型號為 FXBW4－500/300，水平檔距Lh=450m，垂直檔距Lv=600m。根據現場調研發現，該JZ2型直線塔只是地線支架受損，其他部分完好。因此，本文ANSYS建模只建立該鐵塔地線支架、中橫擔、邊橫擔以及上曲臂四部分進行仿真分析［5］。考慮到輸電鐵塔在實際運行中各桿件均需承擔不同的剪力和彎矩，且結構具有較強的幾何非線性，故輸電各桿件均采用自定義截面形狀的BEAM188梁單元建模。鐵塔主材采用Q345角鋼，輔材采用Q235角鋼，各桿件單元節點搭接成一個整體。ANSYS模型單元劃分的密度理論上越高越好，但是根據鐵塔的制造規范，確定單元邊緣長度為100mm，網格劃分后的地線支架模型見圖2。

圖2 地線支架模型

3.2 荷載計算

本文分析JZ2直線塔在最大覆冰、有相應風速、未斷線工況(最大覆冰 30mm，風速 10m/s)下的荷載［6，7］，估計地線金具重量 GJB=100N，地線有關參數見表1，微氣象有關參數交表2。

表1 地線有關參數

表2 微氣象有關參數

地線垂直荷載標準值:

GB=(γ1ALV+GJB)+［γ2ALV+(K －1)GJB］=26786(N)地線風壓荷載標準值:

PB=γ5ALP=2475(N)

地線垂直荷載設計值:

GB=1.2(γ1ALV+GJB)+1.2［γ2ALV+(K －1)GJB］=32143(N)

地線風壓荷載設計值:

PB=1.2γ5ALP=2970(N)

3.3 加載與求解

根據概率極限狀態設計法原理，用荷載的設計值來校核地線支架的強度，對上曲臂的四個腳點處的節點進行約束，包括X、Y、Z和其自由度都設為0，分析結果見圖3。

圖3 地線支架強度變形云圖

通過對地線支架在最大覆冰工況下進行ANSYS受力分析，得出如下數據，見表2。

表3 地線支架最大應力值

4 計算結果分析

本鐵塔采用Q235和Q345兩種材質的鋼材，其抗拉強度和抗壓強度幾乎相等，分別為310Mpa和210Mpa［8］。地線支架在最大覆冰時承受的拉應力和壓應力最大，但均未超過其抗拉強度和抗壓強度，由此可以推測“地線支架垮塌原因為其承受的壓應力超過了受壓失穩的臨界應力(歐拉應力)”。

單獨分析受壓應力最大的桿，桿長1285mm，截面為∟50×4，該桿為兩端鉸支，長度因素u=1，柔度極限值 γ1=100，ix0=1.92cm，iy0=0.98cm，角鋼截面見圖4。

圖4 角鋼截面圖

因此，該桿為大柔度桿，歐拉應力為:

綜上所述，該地線支架失穩垮塌是其承受的壓應力遠超出其歐拉應力所致。在長時間的覆冰超載作用下，地線支架由局部變形逐漸演變成整體失穩，導致檔距內導、地線弧垂移位，出現導、地線交叉現象，與現場照片基本吻合。

5 結語

本文以某條500kV輸電線路JZ2直線塔受損地線支架為研究對象，運用ANSYS軟件建立地線支架、中橫擔、邊橫擔以及上曲臂模型，對其在微氣象條件、最大覆冰工況下進行受力分析，從分析結果可知導致地線支架失穩垮塌是其承受的壓應力遠超出其歐拉應力所致。針對地線支架失穩原因，可以適當增加地線支架輔材，將受力較大的桿件由大柔度桿改為中柔度桿，以增加其穩定性。

［1］許樹楷，趙杰.電網冰災案例及抗冰融冰技術綜述［J］.南方電網技術，2008，4，2(2):1 －6.

［2］劉鴻文.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2004.1.

［3］吳向東，張國威.冰雪災害對電網的影響及防范措施［J］.中國電力，2008，41(12):14 －18.

［4］包永忠，馮德奎，等.輸電線路鐵塔抗冰設計［J］.電網與清潔能源，2009，25(11):13 －16.

［5］段進.ANSYS10.0結構分析從入門到精通［M］.北京:北京科海電子出版社，2006.

［6］陳祥和，劉在國，肖琦.輸電桿塔及基礎設計［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［7］孟遂民，孔偉.架空輸電線路設計［M］.北京:中國電力出版社，2007.

［8］陳紹蕃，顧強.鋼結構［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.