超高壓輸電塔在覆冰斷線作用下的動力響應

劉銳鵬,顏天佑,張耿斌,許志華,徐輝

(1.廣州電力設計院,廣州 510075;2.廣州供電局有限公司輸電管理所,廣州 510620)

超高壓輸電塔在覆冰斷線作用下的動力響應

劉銳鵬1,顏天佑1,張耿斌2,許志華1,徐輝1

(1.廣州電力設計院,廣州 510075;2.廣州供電局有限公司輸電管理所,廣州 510620)

以某500 kV典型輸電線路的塔-線體系為模型,借助非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA,在不考慮導線與地面碰撞接觸的情況下,模擬不均勻覆冰工況下,四分裂子導線同時斷裂、相繼斷裂兩種工況下,斷線沖擊荷載對輸電塔的動力效應。分析結果顯示,塔頭上的應力和位移動力效應明顯,采用擬靜力法計算斷線沖擊荷載是偏于不安全的。

輸電線路;不均勻覆冰;四分裂導線;沖擊荷載

1 前言

架空輸電線路斷線產生的縱向不平衡張力是輸電塔的重要設計荷載[1],雖然線路斷線事故是小概率事件,但一旦發生,不僅會損壞桿塔、絕緣子等電力設施,還會引起局部范圍的電力系統振蕩,嚴重時會導致輸電桿塔連續倒塔,嚴重的冰雪災害造成了多條輸電線路的大規模倒塔斷線事故,給電力系統造成了嚴重破壞[2]。

我國學者夏正春[3]利用ANSYS/LS-DYNA數值模擬了輸電塔在導地線斷線作用下的動態響應,但建立的塔-彈簧模型沒有充分考慮塔-線耦合作用;鮑立華[4]用ABAQUS建立了某大跨越輸電塔線體系模型,分析了四分裂導線斷一根子導線直至斷四根子導線工況下斷線荷載對輸電塔的沖擊作用,但其設定的子導線斷線工況較理想化;譚慶等[5]以晉東南-南陽-荊門1 000 kV輸電線路漢江大跨越工程為參考,利用兩塔三線模型分析了斷線工況下大跨越輸電塔的動力響應,但未考慮子導線的斷線工況。國外學者John D.Mozer等[6]對輸電線路塔-線體系模型進行試驗和數值模擬分析,得到了在斷線情況下輸電塔順線路方向的靜態、動態響應;M.B.Thomas等[7]提出了基于不同型號參數的輸電線斷線的時間歷程計算方法。

以500 kV典型輸電塔-線體系為參考,采用非線性有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立兩塔三線有限元模型,模擬并分析了超高壓輸電線路在不均勻覆冰下,四分裂子導線同時斷裂、子導線相繼斷裂工況下輸電塔的動力響應,并與擬靜力法結果進行對比。

2 基本理論

2.1 基本假設

在建立輸電塔-線耦合體系有限元模型和輸電線斷線分析過程中,作以下假設：

1)忽略輸電塔上覆冰對分析結果的影響;

2)忽略導線間隔棒的作用;

3)塔腳處為固結狀態;

4)無風工況;

5)邊相導線發生斷線,斷線點靠近導線耐張線夾出口處 (如圖1);

圖1 輸電塔-線耦合體系的有限元模型

6)認為在極短時間內斷線過程即完成,斷裂后作用在該導線上的應力在瞬時突變為0,不考慮導線與大地的碰撞接觸及脫冰影響。

2.2 體系的動力響應 [z,x]

導地線找形分析是斷線仿真的基礎,應采用非線性有限元迭代的方法實現。根據導地線的受力和變形特點,采用兩節點直線索單元模擬導地線。通過迭代計算,確定各節點在自重和初應力作用下達到力平衡的節點位移向量 g0gggggg,即有：

[K(g0gggggg]g0gggggg={W} (1)

式中：[K(g0gggggg)]]為結構剛度矩陣,由于幾何非線性,剛度矩陣與空間位置 g0gggggg有關; {W}為張拉力和自重等效節點荷載向量; g0gggggg為節點位移向量。

斷線時,由于突然釋放了導線的張力,帶動斷線點導線振動,并沿導線迅速向遠處傳播,體系在沖擊力作用下開始做強迫振動,由于沖擊時間很短,體系在獲得初始速度后做非線性自由振動,此時體系振動方程為

[M]{d¨(t)}+[C]{d·(t)}+[K({d·(t)})]g0gggggg=0 (2)

式中,[M]為質量矩陣,[C]為阻尼矩陣, [K(g0gggggg)]]為結構剛度矩陣,{d(t)}為結構的位移響應。

因阻尼的耗能作用,體系最終處在靜力平衡位置。

3 有限元模型

某500 kV輸電線路,水平檔距500 m,架空線兩端無高差,直線塔采用5A-ZM4型貓頭塔,塔高71.6 m,導線、地線材料特性參數見表1。覆冰厚度取15 mm,覆冰密度取0.8 g/cm3。

表1 導/地線材料特性參數

采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析軟件建立輸電塔-線耦合體系有限元模型,如圖1所示。

均勻覆冰厚度取15 mm,不均勻覆冰時將整檔架空線按覆冰厚度分為5個區段,每區段水平投影長度100 m,假設同一區段內導線和地線覆冰情況相同。不均勻覆冰分布工況見表2。

表2 不均勻覆冰分布工況

提取導線應力分析可知,線路均勻覆冰時,導線最大應力未超過其最大使用應力;不均勻覆冰工況B和C時,導線最大應力均超過了其最大使用應力,且以工況C時最為嚴重,故以工況C做為斷線時的線路覆冰工況。

4 斷線分析

4.1 導線斷線仿真

斷線模擬主要通過以下三個步驟來實現：

1)分析輸電塔-線體系在自重作用下的應力平衡,計算時間為0～5 s;

2)因雷擊、閃絡、金具磨損等外界因素作用下導線局部應力下降,在嚴重覆冰后,導線在第5 s突然斷裂,模擬四分裂導線同時斷裂工況下輸電塔-線體系的動力響應,總計算時間為13 s;

3)模擬分析四分裂導線相繼斷裂情況下的輸電塔-線體系動力響應,四分裂子導線相繼斷裂的時刻分別為計算時間的第5.00 s、第5.10 s、第5.16 s和第5.20 s。

4.2 輸電塔的動力響應

選取塔頭上代表桿件和節點為研究對象,如圖2所示,分析其在兩種斷線工況下的動力響應。

圖2 代表桿件和節點位置

圖3 1 611號桿件應力-時間變化

圖4 1 799號桿件應力-時間變化

圖5 472號節點X方向 (順線路方向)位移-時間變化

圖6 474號節點X方向 (順線路方向)位移-時間變化

4.3 規范中斷線計算方法

按照 《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》中的斷線張力工況,采用擬靜力法計算斷線不平衡張力對塔的靜力響應。均勻覆冰厚度取15 mm,輸電塔在覆冰斷一相導線工況下的荷載如圖7所示：

圖7 輸電塔在覆冰斷導線工況下的荷載

4.4 沖擊荷載和沖擊系數

為評價導線覆冰斷線對輸電塔的動力響應,引入沖擊比η：

式中,σmax為導線斷線后桿件應力的最大值, σ靜為利用規范擬靜力法計算出的斷線后桿件應力值,σ0為正常運行時桿件的應力值。

分別提取斷線后輸電塔-線體系中的主材桿件 (Z1-Z5)、斜材 (X1-X5)、塔頭處塔材 (T1 -T3)進行分析,具體數據見表3(表中拉力為正,壓力為負),各桿件具體位置見圖8所示。

圖8 主要分析塔材位置

表3 沖擊荷載和沖擊比

5 結束語

1)由于未斷子導線間的相互作用以及其他相導線間動力作用對鐵塔的疊加,兩種工況下同一桿件隨時間變化的受力狀態明顯不同,桿件拉、壓應力狀態變化劇烈。

2)濁正值越大,σmax與σ靜的差值越大,說明目前線路設計規范中采用擬靜力法計算線路斷線張力是偏于不安全的。

3)從表3中可以看出,塔頭和塔頸處桿件受到沖擊作用最大,塔腿處主材受到的沖擊荷載最小,塔身中部桿件同樣有較大沖擊荷載,不可忽視。

[1] 陳景彥,白俊峰.輸電線路運行維護理論與技術 [M].北京：中國電力出版社,2009：88-90.

[2] 彭向陽,周華敏,潘春平.2008年廣東電網輸電線路冰災受損情況及關鍵影響因素分析 [J].電網技術,2009,33 (9)：108-111.

[3] 夏正春,梁政平,李黎.大跨越輸電塔線的斷線振動及控制 [J].武漢理工大學學報,2008,30(9)：84-88.

[4] 鮑立華.輸電塔線體系的斷線分析 [D].杭州：浙江大學,2008,31-45.

[5] 譚慶,程華,王仲剛.輸電塔-線體系在斷線作用下的動力響應 [J].后勤工程學院學報,2009,25(3)：14-18.

[6] MozerJ.D.,Wood William A.,Hribar John A.Broken wire tests on a model transmission Line system[J].IEEE transactions on power apparatus and systems,1981,100(3)：224 -228.

[7] Thomas.M.B.Dynamic response of ruptured conductors in transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1982,PAS-101：145-149.

Research on the Dynamic Response of EHV Transmission Tower under Ruptured Icing Conduction

LIU Ruipeng1,YAN Tianyou1,ZHANG Gengbin2,XU Zhihua1,XU hui1
(1.Guangzhou Electric Power Design Institute,Guangzhou 510075; 2.Power Transmission Management Office of Guangzhou Power Supply Bureau Corporation,Guangzhou,510620)

Taking a typical 500 kV transmission tower-line system as an model,using nonlinear finite element software ANSYS/ LS-DYNA,without considering the collision impact between the wire and the ground,simulates two breakage conductions of breaking four sub-conductors at the same time and breaking sequentially under the uneven icing conduction,the dynamic effect of the conductor breakage impact load on the transmission tower is analyzed.The dynamic effects of stress and displacement of the tower head is obvious.

Transmission line;Uneven icing;Four sub-conductors;Impact load

TM75

B

1006-7345(2014)01-0059-04

2013-07-20

劉銳鵬 (1982),男,碩士,工程師,廣州電力設計院,從事架空輸電線路設計、運行與維護方面研究工作 (e-mail) 30052535@qq.com。