淺談500kV架空輸電線路覆冰失效有限元仿真分析

王旦黎 楊磊 王曉冬 羅洋

摘 要：高壓架空輸電線路覆冰是當前影響我國電力系統穩定安全的重要因素，借助有限元仿真分析模型能夠對高壓架空輸電線路覆冰現象做出詳盡的分析，從而為輸電線路穩定發展提供重要的支持。為此，文章結合線路覆冰氣候區的特點，借助有限元仿真分析模型打造兩個耐張段的塔線力學數值分析模型，就不同氣候、覆冰程度、風向環境下塔線系統失效情況進行探究。

關鍵詞：高壓架空輸電線路；覆冰；有限元仿真分析

覆冰是自然界中常見的一種現象，從發展實際情況來看，在外界環境溫度過低環境中如果下雪，覆冰的厚度將會加大，嚴重危害了電網的運行。500kV架空輸電線塔在遭遇這種環境因素的影響會出現鐵塔傾斜、導線斷線的問題，由此嚴重危害了人們的實際生活。為此，文章借助有限元仿真模型的構造原理就怎樣防范高壓輸電線路覆冰危害問題進行探究。

一、有限元分析

有限元分析是利用和數學原理相近的方法來對真實的物理系統進行模擬，在模擬的過程中會涉及到多個單元，能夠應用有限數量的未知量趨近無限未知量的過程來打造一個真實系統。有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續域的離散單元，有限元分析是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。

二、基于有限元分析理論的500kV架空輸電線路系統力學分析

（一）本構方程

500kV架空輸電線路系統的受力分析屬于強度問題，在方程構建的過程中會應用到彈性力學知識。彈性力學控制方程具體包含微分方程和材料本構方程。結合輸電線路結構體系和方程構造，應用有限元分析方法打造實體模型。

（二）梁單元

500kV架空輸電線路系統基本梁單元如圖一所示。根據圖一發現，梁單元是一種兩節點三維線性有限元應變單元，每個單元上安排了七個自由度，具體包含轉動自由度、平動自由度和翹曲WARP，在發展的過程中具備拉、壓、彎、扭和剪的特點。梁單元在變形之后橫截面會保持一種平衡不扭曲的現象，且在使用的過程中能夠進行截面模擬，從而幫助人們更好分析各個材料模型。

（三）索單元

輸電線路的導線和導線作為一種柔性 構件，在使用的過程中往往不會承受較多的壓力和彎矩，而是僅僅承受拉力。和一般的索網結構相比，導地線的剛度比較小、跨度和撓度較大，非線性程度較高。

（四）桿單元

絕緣子串和導線連接金具的尺寸大小和一般鐵塔導線接地系統相比比較小，因而對塔線結構動力學分析影響較小。為了能夠計算出高壓架空輸電線路的檔距、高差和因為不均衡荷載引起的應力形變，可以應用梁單元來模擬整個輸電線路鐵塔，將鐵塔的界面打造成“L”型，之后將界面和偏心進行連接，打造實體模型。

三、基于有限元分析理論的500kV架空輸電線路系統數值分析

（一）初始數值的確定

500kV架空輸電線路最難確定的初始數值是導線和地線，在一般情況下，架空輸電線路導線、地線在重力的作用下會呈現出懸鏈結構，各個受力狀態會達到一種平衡。如果500kV架空輸電線路初始線路確定不恰當，那么將會導致整個系統在受力求解之后出現形變。

（二）有限元分析模型

在2008年的冰雪災害中，某地區500kV架空輸電線路在使用的過程中出現斷線、倒塔事故，事故地區的海拔高度在135m-435m之間。結合事故發生現象建立有限元覆冰仿真分析模型。在建模操作過程中充分利用塔平面對稱的特點，分別打造四分之一和二分之一模型，如圖一所示。

（三）計算結果

將風荷載和覆冰負載作為基本荷載形式，按照公式分別計算鐵塔的角鋼、絕緣子、導線荷載和地線荷載。在導線覆冰的時候可以根據導線覆冰質量和導地線的覆冰重力來計算出荷載。假設風向為逆轉角的基本風向，通過改變覆冰厚度和風速能夠打造仿真分析模型，啟動大變形分析計算結果，結合試驗結果發現在導線覆冰厚度和風速的不斷增加下，鐵塔和導線會出現位移的現象。在風速每秒10m、覆冰厚度是22mm的時候，299鐵塔的應力情況如圖二所示。

（四）鐵塔結構的改進策略

根據上文分析發現在風速為每秒10m的時候，299轉角塔上導線轉角外端吊桿覆冰厚度在超過22mm 的時候出現了比較大的變形，承受的檔距差、高度差、轉角差加劇了輸電線路的承重和張力不平衡程度。針對這個問題需要相關人員采取有效的措施來仿真檢驗和分析整個塔線系統，經過一段時間的分析和觀察發現，在沒有風力作用的情況下，500kV架空輸電線路臨界點覆冰厚度會從21mm轉變為29mm，在逆轉角風向狀態下、風速每秒10m的時候，500kV架空輸電線路覆冰厚度也會從22mm變為30mm，由此證明系統改進效果良好。

結束語

綜上所述，文章在闡述有限元分析內涵的基礎上，結合500kV架空輸電線路的實際覆冰情況打造了有限元仿真分析模型，根據模型的信息發現，在達到臨界點覆冰厚度的時候，500kV架空輸電線路系統多個位置的應力達到了最大屈服強度，桿塔發生了較大的形變，整個系統運作將會失效，且風向對500kV架空輸電線路系統的影響要比風速的大。

參考文獻：

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