輸電塔覆冰承載能力分析與研究

張國華

(寧夏回族自治區電力設計院，寧夏 銀川 750001)

輸電塔覆冰承載能力分析與研究

張國華

(寧夏回族自治區電力設計院，寧夏 銀川 750001)

我國冰雪災害頻發，覆冰是造成輸電塔坍塌的重要原因。基于這一現實，對輸電塔在覆冰情況下的承載能力進行了分析。

輸電塔；覆冰；承載能力；導線舞動

1 覆冰現象及其影響

覆冰，對于電力系統而言屬于一種嚴重的自然災害。輸電線路覆冰的隨機性、難以預測性，對電網的安全運行構成了嚴重威脅。按照覆冰對電網的危害，輸電線路覆冰可分為雨凇、混合凇(硬霧凇)、霧凇(軟霧凇)、雪凇、霜凇5類。覆冰鐵塔破壞有以下幾種情況：(1) 縱向不平衡張力將鐵塔拉壞或在拉、扭共同作用下破壞：不均勻覆冰和脫冰產生縱向不平衡張力與斷線產生縱向不平衡張力和沖擊荷載；(2) 覆冰產生的垂直荷載作用將鐵塔壓壞；(3) 導、地線不均勻覆冰舞動破壞鐵塔，不平衡張力造成的倒塔占總數的95%以上；(4) 采用多分裂導線的鐵塔比采用單分裂導線的鐵塔更易受損；(5) 倒塌的鐵塔中，大檔距鐵塔和相鄰檔距相差較大的鐵塔占80%左右，微地形對鐵塔承載力的影響明顯。本文將著重就造成倒塔的不均勻覆冰舞動進行力學分析與鐵塔承載能力分析。

2 覆冰的力學分析與破壞分析

2.1 覆冰導線舞動對塔線體系力學特性的影響

根據圖1對舞動對導線張力的影響進行推導。

圖1 舞動對導線張力的影響

舞動前導線撓度曲線方程為：

舞動前靜長度Ls為：

舞動位移yg(x，t)為：

舞動導線在t時刻的撓度曲線方程為：

yd(x,t)=ys(x)+yg(x,t)

舞動導線在t時刻的長度Lg為：

舞動導線在t時刻的長度變化量ΔL為：

導線水平張力變化量為：

舞動前，導線懸掛點B處的斜率為：

因此，舞動前，導線懸掛點豎向張力分量為：

由上可得，舞動發生時，導線懸掛點處的斜率為：

舞動引起的導線懸掛點B處豎向張力分量的變化量ΔTγB為：

2.2 覆冰的有限元計算

以500 kV的DFZ1直線塔為研究對象建立有限元模型：雙避雷針式，塔高46.8 m，塔底座8 m×6 m；采用等肢角鋼材質，其最小截面為L40×3 mm，最大截面為L160×12 mm；塔架桿件均采用Beam188單元，建立的有限元模型共有1 162個節點和1 156個單元。DFZ1直線塔有限元模型如圖2所示，5點在受力分析時稱為5個加載點。

圖2 DFZ1直線塔有限元模型

根據GB50545—2010規定，按照加載點不同，輸電塔受力狀態分為10個工況，如表1所示。通過ANSYS計算分析發現，不同工況下輸電塔破壞出現3種情況：(1) 塔腿位置屈服致使塔坍塌；(2) 加載點位置屈服導致局部破壞；(3) 塔體扭曲，嚴重變形。通過ANSYS仿真得到的3種破壞形式的受力云圖(部分)如圖3所示。

表1 不同工況描述

圖3 3種破壞形式的受力云圖

結合整個受力云圖得到不同工況下輸電塔破壞特征(表2)。

表2 不同工況下輸電塔架結構的破壞特征

結合表1和表2數據可知：(1) 由工況1與工況2的屈服荷載分別為226 kN與173 kN可知，屈服荷載最大是在無偏心加載情況下。(2) 工況2、工況3、工況5、工況7、工況8的屈服荷載數據較工況1的一半可知，輸電塔承受偏心加載且扭轉變形小時，具有較好的承受力。(3) 從工況6、工況9、工況10的屈服荷載大約是工況1的1/3可知，輸電塔的承載能力最低發生在扭矩加載時，其大小分別為67.6 kN、90.9 kN、90.1 kN。因此應避免輸電塔發生扭矩加載，增加輸電塔的極限承載能力。

從上面的分析可知設計輸電塔應避免扭矩加載，但實際往往很難做到。偏心加載在一定程度上也會形成扭矩加載，如工況2、工況3、工況7這3種大偏心加載容易間接造成扭矩加載。

當覆冰厚度為20 mm和60 mm時，通過計算給出輸電塔覆冰時的扭矩—轉角曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，工況2的抗扭能力最強，其他幾種工況能力差別不大；對比圖4(a)(b)可知，同一工況、同一加載條件下，當覆冰厚度增加時，輸電塔的抗扭能力增強。

圖4 不同覆冰厚度輸電塔架的扭矩—轉角曲線

3 結語

本文主要對輸電塔在覆冰情況下的承載能力進行了分析與研究。通過對500 kV的DFZ1直線塔的有限元分析，得出不同工況下覆冰對輸電塔的破壞形式有3種，輸電塔對不同加載中扭矩加載的承載能力最低。本文的分析與研究對輸電塔的優化設計有一定參考價值。

[1]趙滇生，金三愛.有限元模型對輸電塔架結構動力特性分析的影響[J].特種結構，2004，21(3):8～11

2014-11-10

張國華(1986—)，男，云南宣威人，助理工程師，從事輸電線路結構設計工作。