覆冰荷載作用下高壓輸電塔可靠性研究

馮康　趙海玲

【摘 要】輸電桿塔為一類高聳格構式塔架結構，支撐著導線和地線，在電力、通訊等領域應用廣泛。輸電線路塔線體系覆冰是一種較為嚴重的自然災害，該自然災害輕則會引起導地線脫冰跳躍重則會引起倒塔事故，造成整個輸電線路的癱瘓，給人們生產生活帶來嚴重影響。輸電塔線體系的可靠度分析一直是設計、施工和運營中備受關注的問題。本文將在查閱大量文獻地基礎上，介紹結構可靠度理論、結構系統可靠度的一般原理和結構可靠度設計的方法，將國內外的覆冰輸電線路的科研狀況進行了歸納，將覆冰的分類進行了總結，針對輸電塔架結構的分析模型進行討論，從而提出高壓輸電線路覆冰研究的必要性。因此對現行線路設計規程中可靠度水平特別是輸電塔線體系在覆冰荷載作用下的可靠度指標加以考察，為采取預防措施或應急措施提供參考，同時也對輸電塔的設計具有一定的參考價值。

【關鍵詞】輸電塔線體系；覆冰；可靠度；失效模式

高壓輸電線路塔線體系覆冰現象是一種較為嚴重的自然災害，它可引發線路承受的荷載過重、導地線脫冰跳躍甚至導線舞動、絕緣子串閃絡等事故，將會給電力系統的安全運行帶來很大的威脅。近幾年來，我國自然災害頻繁發生，據不完全統計，20 世紀50年代以來線路發生的大小冰災事故已達上千次，尤其是2008年的冰雪災害。覆冰對輸電線路的影響主要表現為動力和靜力兩個方面[1]。動力作用比靜力作用更加復雜，主要表現在導地線的脫冰跳躍和導地線舞動兩個方面。輸電塔結構作為重要的生命線工程，對于國家的經濟發展起著至關重要的作用，因此輸電塔的安全性是國民經濟是否穩定、快速發展的關鍵。

1 塔線體系覆冰研究狀況

1.1 覆冰機理及類型

塔線體系覆冰的首要影響條件為氣象條件，主要是冷暖空氣對流、溫濕度、風等氣象條件的綜合作用而形成的一種物理現象。除了氣象條件以外，線路覆冰還會受到輸電線路所在地勢海拔、導線懸掛高度等因素的影響。上述條件之間的相互交叉組合就會產生各種各樣氣象條件，從而形成不同的覆冰種類。

通常根據電力系統運行、維護及設計要求，輸電鐵塔和導線的覆冰可分為以下幾類[2]：

雨凇是過冷卻雨或毛毛雨作用于輸電線路導線的迎風面，其粘著力較強，會在導地線表面形成光滑且透明的覆冰，該種覆冰類型多會在凍雨期的低海拔地區發生。輸電塔和輸電導線覆冰為純粹的雨凇覆冰的情況相對較少[3]。

混合淞為雨凇與霧凇交替混合凍結形成的不透明或半透明覆冰，其生長速度較快，對輸電塔和輸電導線危害特別嚴重。

霧凇、白霜由于其自身的粘著力很弱，不易依附于線路之上，所以霧凇、白霜對高壓輸電線路的影響不大。

雪主要是由自然降雪于輸電線路上，經過較長時期的反復融化、結冰循環，最終粘附于線路上，形成了雪和冰的混合物，特定情況下的大面積降雪會使其質量驟增對導地線產生較大的下壓荷載。

1.2 輸電塔可靠度研究

在當前條件下對導、地線的覆冰現象進行實驗探討分析非常困難，因為塔線體系本身跨度大，鐵塔、導地線之間具有耦合作用以及輸電塔的高冗余性和非線性等因素的綜合影響，這就使得覆冰作用下塔線體系的靜、動力分析都相對困難。以上所闡述的影響因子均造成了輸電塔線體系覆冰荷載探討分析的緩慢進行。

陸佳政等[4]應用梁單元和索單元建立了輸電塔和導線的整體單元模型，對輸電塔線體系結構覆冰荷載進行了有限元計算后得到了鐵塔的不平衡張力。

李正等[5]利用有限元數值模擬技術，根據2008年雪災倒塔現場實測數據選擇了3種典型塔型，計算了幾種不同覆冰厚度及其工況組合情況下輸電塔覆冰的受力情況。

劉純等[6]則在2008年雪災之后及時進行了現場實地勘測，掌握了大量數據，與之前的覆冰倒塔的數據進行了對比，總結出5種典型的輸電塔倒塌的失效形式。

上述論文均對覆冰荷載作用下的輸電線路進行了研究，可為本文研究輸電線路覆冰可靠度提供有益的參考。

2 結構體系可靠度理論

2.1 塔架結構極限狀態

輸電桿塔為一類高聳格構式塔架結構，其塔身鏤空、高度高、外形細長，其極限狀態可以分為正常使用極限狀態和承載能力極限狀態。

當結構或結構構件的某一狀態值達到正常使用允許的該極限值，則認為結構處于正常使用極限狀態。根據塔架不同的破壞機理，正常使用極限狀態可分為以下三種：

1）超變形失效

2）局部失效

3）振動失效

當結構或結構構件的變形較大，已經不適于夠繼續承載，或達到其最大承載能力、疲勞破壞等，就認為結構或構件達到承載能力極限狀態。根據塔架不同的破壞機理，塔架結構超越其承載能力極限狀態的破壞形式如下：

1）連接失效

2）屈曲失效

3）構件強度失效

4）機構失效

5）疲勞失效

以上塔架結構的5種失效形式，其中的機構失效形式是塔架結構體系層次的失效狀態形式，而疲勞失效既可能發生在結構構件層次也可能發生在結構體系層次。

2.2 構件可靠度

2.2.1 確定極限狀態方程

在計算結構構件失效概率之前，必須確定結構構件失效模式以及失效模式極限狀態方程。在計算失效概率時需要確定每個隨機變量之間的函數關系。實驗模型和數值分析是兩種最常見的用于確定結構極限狀態的方法。

2.2.2 計算構件失效概率

構件失效概率計算兩種方法是解析方法和數值方法，兩種方法的基本原理都是根據基于結構構件的狀態參數方程和結構的極限狀態方程。

在計算結構的可靠度時，一次二階矩法計算精度在大多數情況下都能滿足工程需要。但如果在驗算點附近的結構功能函數非線性程度較高時，這時一次二階矩方法的可靠度計算結果就不準確了。

數值積分法和數值模擬法是構件可靠度分析數值方法中最基本的兩種方法。其中，蒙特卡羅法是一種數值模擬方法，隨著計算機的快速發展而被廣泛應用，其基本原理是概率論與數理統計中的大數定律和中心極限定理。

3 覆冰塔線體系存在的問題及展望

覆冰塔線體系存在的問題主要如下：

（1）迄今為止輸電塔覆冰模型在國內外的研究中并不多見，承受冰荷載的輸電鐵塔的剛度、彈性模量等參數會由于桿塔承重情況的改變而有所變動。由于塔線體系是輸電鐵塔和導、地線共同耦合作用的，若只考慮導線覆冰，忽略了輸電塔的覆冰受力情況，則計算結果會相差很大。

（2）在如今的國內外對輸電桿塔導地線斷線的研究中，我們不難發現，大部分的研究主要單獨就覆冰時的風荷載、脫冰跳躍、覆冰舞動等其中的某種情況進行分析，然而并沒有針對其相互之間的耦合作用進行分析。

（3）有關實地考察測量塔線體系覆冰斷線情況的數據資料搜集及對覆冰條件下桿塔受力情況的仿真模擬需要進一步完善。

下一步需要開展的工作主要有：

（1）可靠度定義的完善。塔架結構如果要按照多級設防的標準來考慮，則應在“強度”、“功能”原則的基礎上加上“可修復性”原則。

（2）結構體系可靠度實驗。在影響結構體系可靠度試驗的進行中，最主要的一個原因就是的代價太過于巨大。這個巨大的困難直接造成有關結構體系可靠度的研究將會長時間的停留于理論分析階段，所有的研究只是理論推導與推測，其理論結論得不到試驗數據的驗證。

【參考文獻】

[1]王麗新.輸電線路靜平衡及動力響應的有限元分析[D].武漢：華中科技大學，2004：12-16.

[2]Daisuke Kuroiwa. Icing and Snow Accretion[M].Monograph series of the research institute of applied electricity，1958.

[3]Makkonen L.Atmosphric Icing on Structure[J].U S Army CRREL Monograph，1984，84（2）：102-105.

[4]陸佳政，陳紅東.500kV輸電塔線覆冰有限元計算[J].高電壓技術，2007，33（10）： 167-169.

[5]李正，楊靖波.2008年輸電線路冰災倒塔原因分析[J].電網技術，2009，33（2）：31-35.

[6]劉純，熊亮，胡彬.2008年湖南省輸電線路覆冰鐵塔典型失效形式分析[J].2009，42（1）：13-17.

[責任編輯：李書培]