輸電線路桿塔疲勞可靠性

摘要：輸電線路桿塔疲勞不僅在電網線路輸電運行中存在著較大的安全隱患，而且可能對于電力系統電網線路的正常和穩定運行有著很大的不利影響。進行輸電線路桿塔疲勞可靠性的研究，有利于對于輸電線路桿塔疲勞情況進行有效防治，保證電力系統和電網線路的安全穩定輸電運行。本文主要依照輸電線路桿塔結構以及環境荷載特征，通過建立輸電線路桿塔疲勞損傷模型，以陣風環境下輸電線路桿塔的荷載特征分析為主，進行輸電線路桿塔疲勞損傷可靠性的分析研究。

關鍵詞：輸電線路；桿塔；疲勞損傷；可靠性；環境荷載；研究

輸電線路桿塔疲勞問題對于電力系統和電網線路的正常輸電運行有著很大的危害影響。隨著社會經濟的發展以及電力用戶的電力需求不斷增長，高聳結構輸電線路桿塔在電力運行輸送中應用數量越來越多，因此，輸電線路桿塔疲勞對于電網線路運行安全影響越來越大，輸電線路桿塔疲勞可靠性在進行輸電線路設計中也被列為重要考慮范圍。高聳結構輸電線路桿塔在環境荷載作用下的疲勞損傷主要有低頻循環與高頻循環兩種類型。其中，低頻循環輸電桿塔疲勞損傷主要是指頻次相對較少的強風暴雨對于輸電線路桿塔疲勞的加劇損傷；高頻循環輸電桿塔疲勞是指在輸電線路桿塔的結構使用期內，由于低水平應力循環的重復作用，對于桿塔疲勞的加劇累積損傷。

1、桿塔疲勞損傷可靠性分析

1.1 疲勞損傷分析模型建立

電力系統的電網線路中，對于輸電線路桿塔的疲勞損傷分析，主要是從環境荷載作用與輸電導線本身的附加動力作用對于輸電線路桿塔疲勞損傷影響的兩個方面進行的。結合以往對于輸電線路桿塔疲勞損傷情況的分析試驗結果可以知道，輸電導線中的電流流場情況以及輸電導線本身的懸掛和不懸掛情況，對于輸電導線附加動力作用的疲勞損傷增加影響作用并不大。所以，在進行輸電線路桿塔疲勞損傷分析模型建立時，主需要從以下幾個方面進行建模分析。首先，在進行輸電線路桿塔的疲勞應力作用分析時，可以將輸電導線的質量因素歸入到輸電導線附加動力疲勞損傷加劇影響作用中。其次，在進行輸電線路桿塔疲勞可靠性分析中，對于輸電導線的疲勞影響不進行考慮。最后，在進行輸電線路桿塔疲勞可靠性分析模型的建立時，是以輸電線路桿塔剛度與強度情況分布均勻，并且輸電線路桿塔連接點之間連接可靠為條件，假設輸電線路桿塔疲勞損傷發生在桿塔的最不利于荷載的界面結構中。

1.2環境荷載作用特征

進行輸電線路桿塔的環境荷載作用特征分析，主要就是對于陣風以及暴雨環境條件下的輸電線路桿塔的荷載情況進行分析。

首先，陣風環境條件下的輸電線路桿塔荷載主要是指順風向的湍流脈動作用。對于這種情況下的輸電線路桿塔荷載的計算，是在假定陣風作用是平穩并且隨機的狀態下，通過陣風風速功率譜密度函數實現的，如下列公式（1）（2）所示。

（1）

（2）

如上述兩個公式中，公式（1）表示的是空間兩點i與j之間的互功率譜密度函數關系，而公式（2）則表示的是公式（1）空間兩點之間的相干函數關系。建立公式（2）中的函數關系是通過建立計算坐標，在已知計算點的平均風速情況與順風向的湍流頻率情況下進行公式關系的建立。

陣風作用對于輸電線路桿塔的疲勞影響，根據風速大小的隨機分布風湍流情況有不同的影響作用。通常情況下，一年中風湍流在10米高度處的概率情況，可以通過下列公式（3）中的函數關系式計算出，而一年中，風湍流處于最大情況概率的計算則如下列公式（4）所示。

（3）

（4）

通常情況下，在暴風環境條件下，平均風速的變化是根據暴風發生的時間先升高然后減低的，暴風發生的整個過程一般在3分鐘到25分鐘之間。

對于輸電線路的雨荷載特征的分析，是將中等的降雨量作為荷載特征分析標準，并根據年降雨量情況進行具體分析。通常情況下，在進行輸電線路桿塔的雨荷載特征分析時，只是通過雨對于輸電桿塔結構的平均作用力進行分析的。

2、陣風響應荷載特征分析

在輸電線路桿塔的疲勞損傷影響因素中，風力荷載作用下的輸電桿塔結構動力響應是一個比較重要的影響因素。在進行電力系統電網線路的設計過程中，由于風力環境作用與輸電桿塔結構荷載的不確定，就會給輸電線路的架設設計帶來一定的困難，對于輸電線路桿塔結構的陣風荷載作用特征進行分析，有利于對于輸電線路桿塔疲勞可靠性進行把握，以保證電網線路的安全穩定運行。

在風力作用下，輸電線路桿塔結構的荷載特征根據風力作用情況的不同，可以分為兩種。第一種是基于位移的陣風響應因子對于桿塔結構荷載作用影響。這一種風力作用對于桿塔結構荷載的影響變化特征，主要是由位移變化的風力作用峰值與風力作用的平均值進行計算得出的。在進行基于位移的陣風響應因子變化特征分析中，根據風力變化峰值以及風力平均值的計算公式如下（5）所示。

（5）

在上述對于基于位移的陣風響應因子作用變化的計算，是在進行陣風響應變化的隨機假設情況下，根據對于風力峰值變化因子的統計，最終計算出來的。總之，在基于位移的陣風響應因子作用中，輸電桿塔結構的荷載的變化主要呈現出以下規律，在風力作用下，隨著風力作用變化中的平均風速以及風速湍流強度的加大，輸電桿塔的塔頂位移動力響應也會逐漸加大，而這時的位移陣風響應因子也是呈現逐漸加強變化。如下圖1所示，為輸電桿塔塔頂的位移功率變化情況。

圖1 輸電桿塔塔頂位移功率譜密度

此外，陣風作用下，桿塔結構的動力響應變化的另一響應因子，是指基于彎矩的陣風響應因子，它在不同的風俗條件下也呈現不同的響應變化特征。

3、輸電線路桿塔疲勞可靠性的研究

根據上述對于輸電線路桿塔疲勞可靠性分析模型，在對于輸電線路桿塔疲勞可靠性進行分析時，首先應注意對于疲勞可靠性分析條件進行假設，以保證輸電線路桿塔疲勞可靠性分析結果準確可靠。其次，需要對于輸電線路桿塔疲勞可靠性的失效概率進行確定。在進行輸電線路桿塔疲勞可靠性失效概率確認過程中，可以通過完全分布法對于概率進行確認，也可以通過具一次二階矩法對于輸電線路桿塔疲勞可靠性失效概率進行確認。在確定了輸電線路桿塔疲勞可靠性的失效概率之后，根據輸電線路桿塔的結構情況，輸電線路桿塔是一種由桿件拼裝成的桿塔結構形式，因此，在對于輸電桿塔疲勞可靠性進行分析時，輸電桿塔中的單根桿件以及桿塔階段單元的疲勞可靠性分析都可以看做是一個結構體系進行分析，最后通過串聯或者是并聯的方法，對于輸電線路的桿塔疲勞可靠性進行分析。對于輸電線路桿塔疲勞可靠性的表示形式，主要通過對于輸電線路桿塔結構整體失效率表示出來的。

4、結束語

總之，對于輸電線路桿塔疲勞可靠性的研究，有利于提高輸電線路桿塔的疲勞可靠性，保證電力輸電線路的安全穩定運行，具有一定的研究價值和意義。

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