500kV單回路復合橫擔塔塔線體系動力響應分析?

田宇 孫清 李西瑞 趙雪靈 王志強

(1.中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司 太原030001; 2.西安交通大學 710049;3.電力規劃總院有限公司 北京100120)

引言

復合橫擔桿塔又稱復合塔,是目前電力線路上常采用的以復合材料橫擔代替傳統鋼制橫擔的新型桿塔形式。復合橫擔桿塔用于輸電線路有著節約鋼材、減小塔頭尺寸、減少走廊寬度的特點; 并且由于復合橫擔與傳統鋼制橫擔相比更為輕便與易加工成型,可以大幅度地降低桿塔的運輸和組裝成本; 桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強度大、被盜可能性小的特點又可以降低線路的維護成本[1]; 同時,復合桿塔利用復合材料的絕緣特性,可實現結構材料和功能材料的高度統一,具有許多顯著的優勢。其中最主要的優勢便是復合材料良好的絕緣性能使得其能夠替代絕緣子,從而大幅度減小了懸垂串長度,降低塔高[2,3]。

輸電線覆冰是指空氣中的水分或降雨因凍結而成冰霜的一種自然現象。在特定的溫度和風等自然條件下,輸電線覆冰脫落會引起電線的上下振動和橫向擺動,工程中亦稱“冰跳”。覆冰脫落后,導線內積聚的勢能得到釋放,迅速向上跳起,并使相鄰檔之間產生縱向不平衡張力,輸電線的跳躍會減少線路之間的安全距離,造成閃絡或短路,同時可能會導致線路斷線斷股,桿件破壞甚至倒塔等工程事故的發生。斷線是輸電塔縱向不平衡荷載由來之一,斷線事故雖然是小概率事件,但是一旦發生,不僅損壞電氣設備,還會引起整個輸電系統的振蕩,使輸電塔的位移、內力響應加大,甚至導致輸電塔倒塌,使整條線路癱瘓以及產生火災等災害。由此可見,根據輸電線路的實際情況,進行覆冰脫落以及斷線的動力分析是十分必要的[4]。

本文通過有限元仿真分析,建立500kV單回路復合橫擔塔有限元梁桿模型,及3 塔4 線的塔線耦合體系模型,并對3 塔4 線模型進行塔線體系的覆冰脫落及斷線工況下的動力響應分析,以檢驗該塔型結構的合理性與可靠性。

1 單塔有限元模型

桿塔設計參數見表1。

表1 桿塔設計參數Tab.1 Design parameters of tower

桿塔塔身主要由角鋼組成,其中主材多為Q420 鋼與Q345 鋼,斜材多為Q345 鋼與Q235鋼,輔助材多為Q235 鋼。橫擔采用復合材料,具體材料參數見表2。

表2 梁桿模型主要構件材料參數Tab.2 Material parameters of main components

建立如圖1 所示的單塔有限元模型。

圖1 單塔梁桿有限元模型Fig.1 Finite element model of single tower

2 塔線耦合體系模型建立

輸電塔-線體系是由塔身構件和導線兩種不同性質的材料組合而成,兩者相互協調、相互影響,塔線體系是一種大位移空間體系,非線性因素很強。為研究塔線體系脫冰、斷線等動力響應,首先需要建立輸電塔-線體系有限元模型。

2.1 導地線模型

考慮輸電線的非線性,可將導線處理成單索結構,單索結構的特點是理想柔性,它既不能受壓也不能抗彎,而且材料符合胡克定律。有限元方法將索看成一系列相互連接的索段,索段之間以節點相連。若索受沿索弧長均布荷載q(如自重),其初始狀態解為—族懸鏈線:

設跨中垂度為f,則當x=l/2 時,y=f,則:

由推導可知,索的垂度和水平張力互為結果,即索的線形為一懸鏈線族,若已知其中某一個參數即可唯一確定所得線形和張力[5]。

表3 為輸電線主要參數。

表3 導、地線主要參數Tab.3 Main parameters of guide and ground wire

將表3 中的單位長度重量和水平張力代入公式計算分別得到導線和地線的懸鏈線方程便可得到輸電導地線在自重作用下的形狀。采用桿單元LINK10 進行建模,它是一種帶預應力的直線單元,承受軸向拉力。在單元的每個節點上有三個自由度: 沿X、Y和Z三個方向的平動,可模擬幾何大變形[6]。

2.2 絕緣子串模型

絕緣子串的幾何模型如圖2 所示,其中串子桿采用LINK 單元,其余部分即串子梁部分采用BEAM 單元進行模擬,建模具體參數如表4 所示。

圖2 絕緣子串模型Fig.2 Insulator s model

表4 絕緣子串主要參數Tab.4 Main parameters of insulator string

2.3 塔線體系模型

輸電導線采用的是4×JL/G1A-400/35 型號導線,地線采用JLB20A-150 型號線,有限元模型采用實際的四分裂導線通過絕緣子串和輸電塔連接,輸電塔水平向設計檔距500m。輸電塔底部和輸電線端部均采用固接約束。塔線的體系模型如圖3 所示。

3 塔線體系斷線動力分析

本文對高壓輸電塔-線體系的斷線模擬計算過程采用以下3 個步驟:

(1)對輸電塔-線體系進行靜力分析,得到輸電線的張力;

(2)去掉斷線檔輸電線最外端的約束,通過施加等效荷載F進行等效;

(3)定義時程力F,假定前0.01s 為輸電線的張力,通過突然卸載的方式模擬斷線對輸電塔的沖擊作用[7,8]。

圖3 塔線體系模型Fig.3 The model of tower-line system

斷線計算工況如表5 所示,斷線檔均取為第三檔。

表5 斷線計算工況Tab.5 The conditions of bolting

3.1 導線時程響應

圖4、圖5 繪出了邊導線斷線工況下的導線響應,由于篇幅限制其余工況計算結果匯總于表6、表7。

所有工況中導線、地線在斷線后斷線檔導地線均存在反彈現象,其中中導線斷線后斷線檔其余導線反彈值最大可達6.6m。地線斷線后,最大張力出現在其鄰跨地線,最大張力變化幅度為15%。而導線斷線后,最大張力出現在斷線檔其余導線,其中中導線斷線工況中斷線后其余三根導線張力變化幅度最大可達36%。規范規定的“弧垂最低點最大張力不超過其導、地線拉斷力的70%”。經過計算,導地線拉斷力的70%分別為118.75kN 與68.94kN。斷線工況下線內跨中最大張力滿足《110kV ～750kV 架空輸電線路設計規范》(GB 50545 -2010)[9]要求。

圖4 各檔導線跨中豎向位移時程Fig.4 Vertical displacement s time history of wire

圖5 各檔導線張力時程Fig.5 Tension s time history of wire

表6 導線跨中豎向位移響應最大值Tab.6 Maximum of vertical displacement response

表7 導地線張力最大值Tab.7 Maximum of the tension

3.2 整塔時程響應

邊導線斷線工況下的三塔塔頭位移時程如圖6所示,其余工況下的塔頭響應列于表8。

圖6 塔頭位移時程Fig.6 Time history of tower s displacement

表8 塔頭位移最大值Tab.8 Maximum of tower s displacement

從圖6 可以看到,斷線后前2s 整塔響應劇烈,之后塔頭位移變化呈現出一定周期性且變化幅值趨于穩定,與斷線檔直接相連的整塔響應大于遠離斷線檔整塔。

從表8 可以看到,斷線工況對塔頭位移影響較大的為斷地線工況,與斷線檔直接相連的塔頭位移最大值可達0.128m,而遠離斷線檔塔頭位移影響不大。另外,中導線與邊導線斷線對塔頭位移的影響也較小。

3.3 橫擔時程響應

此處以中橫擔分析結果為例。由于斷地線與斷邊導線工況對中橫擔的軸力影響較小,對此兩種工況進行邊橫擔軸力的時程分析意義不大,故此處僅對斷中導線這一工況進行分析。

表9 橫擔位移分析結果Tab.9 Results of the cross-arm s displacement

可以看到,中導線斷線后橫擔響應對于與之相近的2,3 塔和遠離斷線檔的1 塔而言區別不大。橫擔位移的影響均在0.01m 左右,為整塔計算高度的0.18H/1000(其中H為整塔高度),符合規范3H/1000 的限值規定,說明中橫擔上下桿材剛度較充足。

3.4 絕緣子時程響應

表10、表11 列出了三個斷線工況下的中、邊導線的絕緣子軸力最大值。圖7 為中導線斷線工況下的絕緣子軸力時程。

表10 中導線絕緣子軸力(單位： kN)Tab.10 Axial force of medium phase insulator(unit: kN)

表11 邊導線絕緣子軸力(單位： kN)Tab.11 Axial force of edge phase insulator (unit: kN)

圖7 中導線絕緣子軸力時程Fig.7 Time history of insulator s Axial force

可以看到靜力狀態下絕緣子串子桿軸力為26.66kN,不論是邊導線或是中導線的絕緣子,地線斷線對絕緣子軸力幾乎無影響。邊導線斷線使邊導線絕緣子軸力增至38.22kN,中導線斷線使中導線絕緣子軸力增至35.28kN。

4 塔線體系覆冰脫落動力分析

實際的覆冰斷面可能是各種不規則的形狀,但在輸電線路設計中覆冰截面通常按等厚中空圓形考慮。本輸電線路覆冰厚度10mm,覆冰密度為0.9g/cm3,導線換算冰荷載為4.13N/m,地線換算冰荷載為3.16N/m。覆冰脫落分析中不考慮風力、溫度等影響。通過對輸電線有限元模型施加節點力的方式模擬均布冰荷載[10,11]。

對于導線脫冰的模擬,采取以下步驟:

(1)計算塔線在自重作用下平衡狀態;

(2)計算導線在10mm 均勻覆冰作用下的塔線體系平衡狀態;

(3)使某一跨(根)導線的覆冰在很短時間內突然脫落;

(4)得到覆冰脫落后塔線體系的響應。

對于“三塔四線”輸電塔線體系,覆冰脫落的情況多種多樣,這里只選取典型的三個工況進行瞬態動力分析,三個典型工況均為第三檔脫冰,如表12 所示。其中參考《中重冰區架空輸電線路設計技術規定》(Q/GDV182 -2008),定為80%脫冰量脫冰[12]。

表12 覆冰脫落計算工況Tab.12 The conditions ofice shedding

4.1 導地線分析結果

列出三個覆冰脫落工況下四檔導線跨中豎向位移最大值于表13,圖8 繪出中、邊導線覆冰脫落后各檔導線的豎向位移時程。

表13 跨中導地線位移最大值Tab.13 Maximum displacement of lines

從圖8 中可以看到,中導線與邊導線均是在第三檔導線覆冰脫落后3s 位移達到最大值4.5m,而后在阻尼作用下緩慢衰減。并且通過對比可以看出,第三檔導線脫冰后向上跳躍,其位置最終穩定在全跨覆冰時導線位置的上部,而第一、第二及第四檔導線則穩定在全跨覆冰時導線位置的下部。對于導線的響應,本跨導線最大,鄰跨次之,隔跨最小。

圖9 繪出中、邊導線覆冰脫落后各檔導線的張力時程(第三檔脫冰工況下,鄰跨的第二和第四檔張力變化值非常接近,此處僅繪出第一檔、第二檔和第三檔的張力變化)。第三檔脫冰時三個工況下的中導線脫冰張力變化值見表14。

可以看到,覆冰前導線張力為23.45kN,覆冰后線內張力32.21kN,增長幅度為37%。而經過脫冰過程,導地線內張力得到一定程度的釋放與平均,最終趨于穩定,張力釋放約12%,四根導線張力變化較為均勻。表15 驗算“弧垂最低點最大張力不超過其導、地線拉斷力的70%”,覆冰工況下線內跨中最大動張力滿足要求。

圖8 導線脫冰跨中位移時程Fig.8 Time history of line stripping

圖9 導線張力時程Fig.9 Time history of the line s tension

表14 中導線脫冰張力變化值Tab.14 Tension variation of line stripping

表15 中導線張力驗算Tab.15 Checking of the tension of lines

4.2 橫擔分析結果

繪出中、邊橫擔壓桿軸力時程如圖10 所示。由圖可知,第三檔脫冰對靠近脫冰檔的塔2 與塔3 影響更大。

對于邊橫擔,全跨覆冰時塔3 的兩橫擔兩壓桿均承受約8.5kN 的壓力,塔2 脫冰檔側橫擔在3.2s 時承受的壓力達到峰值15kN,塔3 靠近脫冰檔側橫擔在3.3s 時承受的壓力達到峰值14kN。

圖10 橫擔壓桿軸力時程Fig.10 Time history of arm s axial force

全跨覆冰時塔3 的兩橫擔兩壓桿均承受約5kN 的壓力,塔2 脫冰檔側橫擔在3.2s 時承受的壓力達到峰值8.5kN,塔3 靠近脫冰檔側橫擔在3.3s 時承受的壓力達到峰值9kN。

4.3 絕緣子分析結果

表16 列出了三個覆冰脫落工況下的中、邊導線的絕緣子軸力值。可以看到,在脫冰后的“冰跳”過程中絕緣子桿軸力未超過覆冰靜軸力。

表16 絕緣桿軸力Tab.16 Axial force of insulators

4.4 整塔分析結果

表17 列出了與各工況下三基塔有冰與脫冰兩側塔頭X向位移的最大值。圖11 繪出了邊導線覆冰工況下各塔塔頭的位移時程。

表17 塔頭位移Tab.17 Tower s displacement

圖11 邊導線脫冰塔頭位移Fig.11 Tower s displacement of sideward detachment

通過提取各塔塔頭位移時程來研究導線脫冰對輸電塔的整體沖擊。可以看到,各工況下塔頭位移最大值不超過0.02m。導線脫冰后2 塔與3塔塔頭位移響應明顯大于遠離脫冰檔的1 塔,最大位移出現在脫冰后2.1s,最大值為0.013m。可見覆冰脫落對整塔沖擊的影響普遍較小。

5 結論

本文建立了500kV 單回路復合橫擔直線塔的有限元梁桿模型及3 塔4 線塔線體系模型,通過動力時程模擬得出500kV 單回路三相復合橫擔直線塔在斷線工況與覆冰工況下的動力響應,分析整塔各部件響應的變化情況,主要得出以下結論:

1.斷線與覆冰的動力工況下本檔導線在沖擊作用下均會產生垂直導線方向反彈,并且最終穩定與平衡位置上方。導地線內張力在動力過程中最高可提升30% ～40%,但仍遠小于斷線張力的70%,安全儲備能夠滿足工程需要。

2.斷線工況下橫擔位移最大值為0.0141m,符合規范3H/1000 的限值規定,橫擔桿材與管材剛度較為充足。

3.絕緣子串子桿軸力在斷線與覆冰工況下提升明顯,提升幅度最大可達50%。在絕緣子設計中,串子桿受力性能應當得到保證。

4.各動力工況下的整塔響應均保持在較小水平,斷地線工況下塔頭位移達到最大值0.12m,塔身剛度儲備足夠。