覆冰荷載下輸電塔的力學性能分析

劉法棟，張慶華，胡曉煒，曹玲

(1.云南省電力學校，昆明 650204;2.云南建源電力工程有限公司，昆明 650011;3.國網江西金溪縣供電有限責任公司，江西 撫州 344800)

0 前言

覆冰給輸電線路的安全運行造成嚴重影響，威脅著供電系統的可靠性。研究覆冰荷載作用下輸電線路的力學性能具有重要意義。

1 覆冰預測模型

電網覆冰事故主要是由雨凇、霧凇和濕雪交疊在一起形成的混合凍結造成的。運行經驗表明，小半徑導線的覆冰形狀是圓形，而大半徑導線覆冰則是橢圓形。導線覆冰的理論模型已相當精確。例如Imai 模型、Lozowski 模型、Lenhard 模型、Ackley 模型、Poots 模型、Jones 模型、Chaine 模型［1］、Goodwin 模型［2］以及Makkonen 模型［3］等。關于導線均勻覆冰的簡單模型，得出了覆冰厚度與過冷卻水滴直徑、降水率、風速、時間等參數的關系。發現關于導線均勻覆冰的簡單模型預測結果有相當的精度，能較好地符合實際［4］。［5］根據華中電網輸電線路覆冰事故的資料，分析了該地區覆冰的基本特征，得出了導線的霧凇覆冰模型。楊靖波等［6］對造成輸電線路嚴重受損的氣象條件和覆冰特征進行了分析，對倒塔事故進行了調查，總結了輸電鐵塔失效破壞的幾種典型特征，提出了提高輸電線路抗覆冰災害的建議。

2 建立模型

本文選取5B－ZB1 直線酒杯塔作為研究對象。本模型水平檔距為420 m，垂直檔距為550 m，代表檔距為350 m，根開7.76 m，呼高42 m，塔高47.5 m，塔身的平面形狀為正方形。絕緣子每串共28 片XWP－240，總長度為4.34 m，兩個邊相絕緣子串采用“I”型布置，中相采用“V”型布置。導線用4×LGJ－400/35，地線用JLB4－150。輸電塔主材選用Q345 角鋼，斜材和輔材選用Q235 角鋼，所有梁單元均選用BEAM188 單元模擬，桿單元均選用LINK8 單元模擬，導地線都選用LINK10 單元模擬，絕緣子串選用LINK8 單元模擬，絕緣子與導線、絕緣子與橫擔均采用鉸接。

3 施加荷載

考慮輸電塔自身覆冰的情況，認為覆冰均勻包裹在角鋼表面;考慮導地線覆冰荷載時，認為均勻包裹在其表面的覆冰截面為圓形，冰的密度取900 kg/m3，鋼材的密度取7 860 kg/m3。通過設置材料密度，來實現將覆冰荷載和輸電塔的自重荷載共同加載到模型上。考慮覆冰厚度從10 mm 開始，通過逐級增加覆冰厚度的方法，得出不同覆冰厚度下導地線對應的荷載值，等效施加到輸電塔模型節點上，直至輸電塔破壞。10 mm、20 mm、30 mm、40 mm 四種厚度的覆冰荷載，在ANSYS 中的密度設置分別為:12 400 kg/m3、18 460 kg/m3、26 040 kg/m3、35 130 kg/m3。

為了更好的模擬實際情況，在施加覆冰荷載的基礎上加入風荷載，本模型取覆冰風速為10 m/s。按風壓高度變化系數的不同，將輸電kg/m3塔模型從下到上分為11 個區間，分別計算出各個區間內的風壓，將風壓乘以相應的區間面積得到整個區間的等效作用于區間形心的集中力。按力矩等效原理，可以得出等效作用于輸電塔模型節點上的集中力。導地線的重力荷載加載在掛點上。中相導線風荷載加載在絕緣子串掛點處，其余導地線風荷載加載到輸電塔掛點上。輸電塔荷載施加情況如圖1 所示。

4 工況分析

當結構或構件超過某一特定狀態就不能滿足設計規定的某項功能要求時的狀態就是極限狀態。對于輸電塔而言，主要看其桿件是否超過鋼材的屈服強度和節點的最大位移是否在規范要求的范圍內。

4.1 應力分析

按照以上的荷載施加方法，依次對輸電塔施加不同覆冰厚度下的荷載進行計算，提取輸電塔破壞時的桿件最大應力.

通過分析上述輸電塔在覆冰荷載下的桿件最大應力可知:在覆冰荷載下正常運行時，輸電塔塔腿及塔身桿件的應力一般小于塔頭和橫擔處桿件的應力，且小于鋼材的允許應力。在輸電塔發生破壞時，塔身及塔腿部位的桿件應力都在鋼材允許應力范圍內，上下曲臂受壓桿、導線掛點附近的橫擔受壓桿應力超出鋼材的允許應力。

在計算44 mm 覆冰時，整體剛度矩陣奇異，程序退出工作。程序不收斂是因為受力桿件的應力超過了材料的屈服強度，桿件產生了過大的塑性變形，輸電塔達到極限承載能力。此時輸電塔的破壞主要是部分桿件達到鋼材的屈服強度而發生的失穩破壞。

4.2 位移分析

按照以上的荷載施加方法，依次對輸電塔施加不同覆冰厚度下的荷載進行計算，分別提取出相應覆冰厚度下的輸電塔頂點位移和節點最大位移.通過分析輸電塔在覆冰荷載下的位移可知:在各覆冰厚度下，塔身及塔腿部位的桿件發生的位移相對較小，塔頭背風側桿件、地線支架及橫擔的桿件發生的位移相對偏大。

在計算43 mm 覆冰時，塔頂地線支架處的最大位移占塔高的0.51%，小于《高聳結構設計規范》要求的變形值2%［7］。輸電塔模型節點最大位移處的位移占該節點對地位移的0.64%，也小于《高聳結構設計規范》要求的變形值2%。

5 結束語

在覆冰荷載作用下，輸電塔的主要破壞是上下曲臂受壓桿、導線掛點附近的橫擔受壓桿、地線支架下部受壓桿達到鋼材的屈服強度而發生的失穩破壞;塔身和塔腿桿件工作性能良好;節點最大位移仍在規范允許的范圍內。

本文只考慮了輸電塔均勻覆冰的模型，在工程實際中，覆冰并不是均勻覆蓋在鋼材表面的，且輸電塔不同部位的覆冰厚度也有所區別。對于建立更能符合實際情況的輸電塔覆冰模型還有待于進一步的開展。

［1］Chaine P M，Casfonguay G.New approach to radial ice thickness concept applied to bundle like conductors ［R］.Industrial Meteorology study IV，Environment Canada，Toronto，1974，11.

［2］Goodwin E J，etal.Predicting ice and snow loads for transmission lines.Proceedings ［C］.First IWAIS，1983:267～273.

［3］Makkonen L.Modeling power line icing in freezing precipitation［C］.7th International Workshopon Atmospheric Icing of Structures，1996，Canada.195～200.

［4］劉和云，周迪，付俊萍，等.導線雨凇覆冰預測簡單模型的研究［J］.中國電機工程學報，2001，21 (4):44～47.

［5］孫才新，蔣興良，熊啟新，等.導線覆冰及其干濕增長臨界條件分析［J］.中國電機工程學報，2003，23 (3):0141～0145.

［6］楊靖波，李正，楊風利，等.2008 年電網冰災覆冰及倒塔特征分析［J］.電網與水力發電進展，2008，24 (4):4～8.

［7］上海市建設和交通委員會.高聳結構設計規范(GB 50135－2006)［S］.北京:中國計劃出版社，2007.