塔腿加過渡段輸電塔動力特性分析

趙維立 鄧洪洲 唐俊宇 劉華峰 董斌

(1.同濟大學 上海200092; 2.國網四川省電力公司 成都610041;3.四川電力設計咨詢有限責任公司 成都610041)

引言

電力系統在我國國民經濟發展中占據非常重要的地位,而自立式輸電塔是輸電線路的重要組成部分,屬于柔性結構[1],其動力特性對整個電網的安全至關重要。隨著電網覆蓋面的不斷擴大,大量的線路要穿越山區。尤其是四川地區輸電線路多在崇山峻嶺中走線,塔基處地形陡峻,不少塔位坡度已達50°以上。同時隨著電壓等級的提高,輸電鐵塔的根開也越來越大,常規高低腿型式的輸電塔已難以滿足要求。孫珍茂等提出了直獨立塔架、斜獨立塔架與聯合塔架等輸電鐵塔與基礎的連接形式,并進行了技術經濟分析。這幾種連接方式雖然可以解決坡度過大問題,但是有滑坡風險,影響塔基穩定[2]。何天勝等對大跨越單塔和塔線體系進行了動力特性分析,并比較了大跨越單塔與塔線體系動力特性的差異[3]。潘峰等以某1000kV單回路塔為研究背景,獲得了結構的自振動力特性,并基于隨機振動理論推導了鐵塔的風振系數計算公式,研究了垂直線路方向和順線路方向的振型模態[4]。傅鵬程等以實測所得的周期估算公式為基礎,經過修正得出較為精確的輸電塔結構第1 自振周期近似計算方法和細化后的結構第1 振型系數[5]。目前,業界雖然對輸電塔的動力特性有一定研究,但對于陡峻山區采用過渡段連接塔腿型式的輸電塔研究較少。塔腿加過渡段輸電塔如圖1b 所示。和常規高低腿(圖1a)相比,塔腿加過渡段后高差進一步加大,可解決陡峻山區坡度過大問題。

圖1 輸電塔示意Fig.1 Transmission tower

本文以“成蘭鐵路阿壩松潘牽引站供電工程”為背景,采用大型通用有限元軟件ANSYS,對加過渡段220kV 和500kV 雙回路輸電塔的動力特性進行了分析,并與平腿輸電塔、常規高低腿輸電塔的動力特性進行對比。

1 有限元模型的建立

在ANSYS 中建立輸電塔模型,全部采用角鋼構件,其中220kV輸電塔三種形式如圖2 所示,500kV輸電塔三種形式如圖3 所示。對于高低腿輸電塔,不同長度塔腿布置情況如圖4 所示。220kV輸電塔塔腿尺寸見表1,500kV輸電塔塔腿尺寸見表2。

圖2 220kV輸電塔三種形式Fig.2 Three types of 220kV transmission tower

圖3 500kV輸電塔三種形式Fig.3 Three types of 500kV transmission tower

圖4 輸電塔高低腿布置情況Fig.4 High and low leg arrangement for transmission towers

表1 220kV輸電塔塔腿長度Tab.1 220kV transmission tower leg length

表2 500kV輸電塔塔腿長度Tab.2 500kV transmission tower leg length

輸電塔桿件全部采用自定義截面形狀的BEAM188 梁單元模擬。同一電壓等級的各典型輸電塔a、b、c 塔腿AC 間對角根開、高度尺寸一致。塔身主材均采用Q420 鋼,塔身斜材和橫隔面材及其他輔材均采用Q345 鋼,其強度設計值按實際所選角鋼厚度進行確定[6]。

圖5 平腿輸電塔振型Fig.5 Vibration pattern diagram of flat-leg transmission tower

2 動力特性分析

2.1 220kV輸電塔

220kV 平腿輸電塔、常規高低腿輸電塔和加過渡段高低腿輸電塔振型分別如圖5 ～圖7 所示。

圖6 常規高低腿輸電塔振型Fig.6 Vibration pattern diagram of conventional high-low leg transmission tower

由表3 可知,平腿輸電塔模型振型符合干字型塔的振型特點,即一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)分別為X、Y兩個方向的彎曲振型,兩個方向的頻率值非常接近,相差1.81%,這是由于兩個方向的剛度相近,僅橫擔的質量分布稍有差異; 三階為扭轉振型,為一階彎曲振型的2.24倍,也符合此塔型的振型分布特點; 四、五階振型(塔的2 階彎曲振型)分別為X、Y兩個方向的彎曲振型; 六階振型為局部振型,頻率值為9.130Hz。

表3 平腿輸電塔振型特點Tab.3 Vibration characteristics of flat-leg transmission tower

由表4 可知,常規高低腿輸電塔的振型特點與平腿輸電塔完全一致,即一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)為X、Y兩個方向的彎曲振型; 三階為扭轉振型; 四、五階振型(塔的2 階彎曲振型)分別為X、Y兩個方向的彎曲振型; 六階振型為局部振型,頻率值為9.288Hz。其中前五階頻率值較平腿輸電塔分別降低0.39%、0.23%、1.37%、0.72%和0.93%。

表4 常規高低腿輸電塔振型特點Tab.4 Vibration mode characteristics of conventional high-low leg transmission tower

由表5 可知,加了過渡段后的高低腿模型,一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)已不是單一方向(X或Y)的振動,而是變成了一階振型以X向為主、同時也有Y向振型參與,二階振型變成了以Y向為主、同時也有X向振型參與,這是由于各塔腿高差太大,剛度沿X、Y軸不對稱; 三階振型仍為扭轉振型。此外,四階振型為塔腿局部彎曲振型; 五階和六階分別為X、Y向彎曲。其中前三階頻率值較常規高低腿分別降低5.16%、0.58%和5.03%。

表5 加過渡段高低腿輸電塔振型特點Tab.5 Vibration mode characteristics of high-low leg transmission tower with transition section

2.2 500kV輸電塔

500kV 平腿輸電塔、常規高低腿輸電塔和加過渡段高低腿輸電塔振型分別如圖8 ～圖10所示。

圖8 平腿輸電塔振型Fig.8 Vibration pattern diagram of flat-leg transmission tower

圖9 常規高低腿輸電塔振型Fig.9 Vibration pattern diagram of conventional high-low leg transmission tower

圖10 加過渡段高低腿輸電塔振型Fig.10 Vibration pattern diagram of high-low leg transmission tower with transition section

由表6 可知,平腿輸電塔模型振型符合干字型塔的振型特點,即一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)為X、Y兩個方向的彎曲振型,兩個方向的頻率值非常接近,相差2.26%,這是由于兩個方向的剛度相近,僅橫擔的質量分布稍有差異;三階為扭轉振型,為一階彎曲振型的1.61 倍,也符合此塔型的振型分布特點; 四、五階振型(塔的2 階彎曲振型)分別為X、Y兩個方向的彎曲振型; 六階振型為局部振型,頻率值為5.158Hz。

表6 平腿輸電塔振型特點Tab.6 Vibration characteristics offlat-leg transmission tower

和220kV輸電塔相比,500kV輸電塔自振頻率更低。

由表7 可知,常規高低腿輸電塔的振型分布與平腿輸電塔完全一致,即一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)為X、Y兩個方向的彎曲振型; 三階為扭轉振型; 四、五階振型(塔的2 階彎曲振型)分別為X、Y兩個方向的彎曲振型; 六階振型為局部振型,頻率值為5.256Hz。其中前五階頻率值較平腿輸電塔分別降低0.39%、0.45%、0.19%、0.63%和-0.13%。

表7 常規高低腿輸電塔振型特點Tab.7 Vibration mode characteristics of conventional high-low leg transmission tower

由表8 可知,加了過渡段后的高低腿模型,一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)已不是單一方向(X或Y)的振動,而是變成了一階振型以X向為主、同時也有Y向振型參與,二階振型變成了以Y向為主、同時也有X向振型參與,這是由于各塔腿高差太大,剛度沿X、Y軸不對稱; 三階振型仍為扭轉振型。此外,四階振型為塔腿局部彎曲振型; 五階和六階分別為X、Y向彎曲。其中前三階頻率值較常規高低腿分別降低3.82%、0.81%和1.15%。

表8 加過渡段高低腿輸電塔振型特點Tab.8 Vibration mode characteristics of high-low leg transmission tower with transition section

3 結論

1.對于220kV 和500kV輸電塔,平腿模型振型均符合此塔型的振型特點,即一、二階(塔的1 階彎曲振型)為X、Y兩個方向的彎曲振型,兩個方向的頻率值非常接近,這是由于兩個方向的剛度相近,僅橫擔的質量分布稍有差異; 第三階為扭轉振型; 四、五階振型(塔的2 階彎曲振型)分別為X、Y兩個方向的彎曲振型; 六階振型為局部振型。500kV輸電塔自振頻率較220kV輸電塔更小,這是由于500kV輸電塔高度較大,剛度較小,質量較大。

2.對于220kV 和500kV輸電塔,常規高低腿模型的振型分布與平腿模型完全一致,自振頻率僅輕微下降,下降幅度均不超過1.5%,這也表明對于通常工程中常規高低腿設計輸電塔的動力特性不需要另做分析計算,只需用平腿模型分析即可。

3.加了過渡段后的高低腿模型,一、二階振型(塔的1 階彎曲振型)已不是單一方向(X或Y)的振動,而是變成了一階振型以X向為主、同時也有Y向振型參與,二階振型變成了以Y向為主、同時也有X向振型參與,這是因為塔腿高差太大,剛度沿X、Y軸不對稱; 自振頻率值較常規高低腿降低幅度較大,可通過風振響應分析和抗震計算進一步研究加過渡段后輸電塔的動力響應變化。

4.加了過渡段后的高低腿模型,相較于平腿模型和常規高低腿模型,局部振型出現提前,這是因為加過渡段高低腿模型四個塔腿高差較大、豎向剛度差異大,同常規鐵塔兩個主軸方向剛度接近的特點相比有較大變化。因此在設計中應適當加強橫隔面桿件規格,提高鐵塔整體剛度。