基于塔線體系模型的沿海輸電鐵塔抗風性能研究

張志強，安利強，龐松嶺，張榮倫

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003； 2.海南電力技術研究院，海南海口570125)

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基于塔線體系模型的沿海輸電鐵塔抗風性能研究

張志強1，安利強1，龐松嶺2，張榮倫2

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，河北保定071003； 2.海南電力技術研究院，海南海口570125)

提高輸電線路的抗風能力一直是沿海地區電網建設的重要任務。為研究沿海地區輸電鐵塔的抗風性能，采用極值III型威布爾分布，結合海南省海口市氣象站監測的年最大風速序列，推算出了當地50年重現期內的極值風速，并利用石沅臺風風譜進行了風速脈動風的模擬；然后根據當地一基鐵塔在ANSYS中建立了一塔兩線模型，進行風致動力學分析。分析表明：在脈動風作用下，主材最大軸力達到97.1 kN，已經超過了塔材軸向壓力設計值71.9 kN，當考慮風載荷的脈動放大效應時，動態分析和靜態分析的軸力極值之比超過了2倍。塔材受壓失穩是鐵塔發生結構破壞的主要因素，需要充分考慮脈動風的放大效應，按照靜風等效作用進行沿海地區輸電線路的設計很有可能導致構件受壓失穩，嚴重時，甚至會發生倒塔事故。

抗風性能；塔線體系；風載荷

0 引言

高壓架空輸電線路長期在野外運行，惡劣的環境因素對輸電線路有很大影響，且架空輸電線路屬于高柔性結構，對風具有很高的敏感性[1]，極端條件下的風載荷會使輸電桿塔發生傾覆危險，進而導致電力系統崩潰，造成嚴重的經濟損失[2]，據統計，2014年超強臺風“威馬遜”造成海南電網35 kV及以上輸電線路跳閘共117條、倒塔27基，給海南電網帶了嚴重的損失。

提高輸電線路的抗風能力一直是沿海地區電網建設的重要任務，由于沿海地區輸電線路電壓等級相對較低，采用的塔材強度也因而較低，加之沿海地區氣候環境惡劣，因此才會出現倒塔事故頻發。當前對于沿海地區輸電線路的抗風加固及事故分析，多是從臺風或者惡劣氣候發生后，對電網事故的統計分析而提出的防風抗風加固方案[3-6]；通過對事故的分析固然可以在一定程度上提高線路抗風設計水平，但是難以從根本上揭示事故原因，根本還是因為沿海地區輸電線路其外部環境載荷主要是風載荷的強度大，遠遠超過了結構的承載能力，因此需要根據地形地貌和重災區進行風速的統計分析，掌握當地的風速規律，才能有針對性的提高結構抗風設計水平，厲天威等人以大容量且維護困難的輸電線路為研究對象，對沿海設計風速及其地域分布特點進行了計算分析[7]；鄧洪洲等人結合福建省風速資料，采用不同的極值分布模型對當地的風速進行了統計分析[8]；此外通過建立電網的風災預警故障和風險評估系統也可以提高沿海地區電網運行的安全穩定性；文獻[9]收集整理了近年來登陸沿海地區熱帶氣旋資料，對臺風重災區提出了電網運行的安排調度和事故處理的解決措施；文獻[10]考慮臺風對沿海輸電線路可靠性的影響，提出了一種臺風作用下電網暫態穩定風險評估方法，建立了預想故障集。

以上研究對沿海輸電線路的防風抗風設計具有很大的指導意義，但是從理論數值上分析沿海地區輸電線路抗風能力的研究較少，本文根據海南省海口市1983～2013的極值風速序列，采用極值III型威布爾分布推算了其50年內重現期的風速，并通過石沅臺風風譜模擬了脈動風速，根據當地110 kV鐵塔在ANSYS中建立的一塔兩線模型，從構件受力角度，分析在風載荷作用下，主材下半段的軸力分布規律，并從結構受壓穩定角度，進行了受壓構件的強度校驗，研究在臺風作用下輸電線路的抗風性能。

1 極值風速推算

根據當地氣象站提供的風速記錄數據，表1中給出了其1983～2013期間的最大風速序列，數據的地形氣象條件為近地10 m高度，10 min時距平均風。

表1 1984～2013年間海口最大風速序列 (m/s)

通過推算風速的重現期，可以得出不同重現期年內的風速，從而能夠確定當地輸電線路的風速設計值，本文根據極值III型威布爾分布，對當地的極值風速進行推算。

三參數Weibull分布累積分布概率模型為：

(1)

式中：α為尺度參數；γ為位置參數；β為形狀參數。

假設最大風速X超過XT平均每T年發生一次，則稱T為風速XT的重現期(MRP)。

X小于XT的概率為：

(2)

則XT的超越概率為：

(3)

重現期T即為超越概率的倒數

(4)

采用極大似然估計方法，引入海口最大風速序列，對Weibull分布參數進行迭代求解，求解得到Weibull分布的三個參數分別為：

通過模擬得到海口極值風速50年內重現期曲線如圖1所示。

圖1 海口極值風速重現期曲線

2 脈動風速模擬

通過推算不同重現期內的極值風速，確定的設計風速只是當地的平均風速，在進行輸電線路設計時，不能僅按照平均風速進行取值，因為沿海地區常有臺風等強風侵襲，需要考慮當地風況的高強度高變異和高湍流特性，因此進行脈動風模擬，考慮脈動風的放大作用，使得設計更加合理。

采用石沅臺風風譜進行脈動風模擬，石沅臺風風譜經過多數研究人員的驗證[11]，具有很高的適應性，石沅等學者用計算機擬合給出的不隨高度變化的臺風水平風速譜經驗公式為：

(5)

根據設計規范，對于110 kV線路，按照15年重現期的風速作為設計風速，因此，脈動風模擬時，取15年重現期風速作為基準風速，v10=25.5 m/s，粗糙度長度取k=0.1 m，風剖面指數按A類地貌取值α=0.12，時間間隔為0.25 s，在MATLAB軟件中模擬石沅臺風風譜，圖2為模擬的一塔兩線模型中某一點的脈動風速時程曲線和對應的功率譜曲線。

圖2 脈動風速時程曲線和功率譜曲線

3 算例分析

為了對沿海輸電線路抗風設計水平進行了計算分析，在ANSYS中以當地塔模型為對象，建立了一塔兩線模型，該塔電壓等級為110 kV，單回路貓頭塔，檔距250 m，最大弧垂3.73 m，材料選用Q235鋼材，采用Beam188單元模擬塔的主材和橫隔材構件，Link8單元模擬鐵塔的斜材構件和懸垂絕緣子串。由于導線長度較大，屬典型的柔索結構，用Link10單元模擬導線。表2中給出了導地線參數，輸電塔線體系有限元模型如下圖3所示。

表2 導、地線型號及參數表

圖3 輸電塔線體系有限元模型

根據設計規范[12]，對塔線體系模型進行風載荷計算，并將風載荷施加在導、地線及塔身迎風面和背風面對應的節點上，在ANSYS中，采用完全法進行動力學求解分析。同時，為了驗證風的脈動放大作用，采用推算的15年重現期風速，進行了靜風等效作用求解，對比兩種計算模式下塔線體系模型的風載荷效應。圖4標記了后期分析時，塔身相應的單元，分別選取的為迎風面和背風面第一節間上下兩個單元和第二節間上面的單元。

圖4 鐵塔關鍵單元位置

3.1 主材軸力時程分析

為研究受力構件在風載荷作用下的風載荷效應，提取圖4標記的單元對應的軸力，分別繪制迎風面和背風面的主材軸力時程曲線如圖5、6所示。

圖5 迎風側軸力時程曲線

圖6 背風側軸力時程曲線

圖中所示的軸力曲線，其在時間上的分布規律一致，即峰谷均出現在同一時刻，因為模擬出的風載荷，在每個時間節點上均是同時作用在塔線體系模型節點上的。在高度方向上，可見軸力與高度呈正相關關系，因為高度越低，主材所受重力引起的壓力越大。從兩幅圖對比來看，迎風面主材值為正，處于受拉狀態，背風側主材值為負，處于受壓狀態；這是因為在90°風用下，風載荷引起的力矩大于重力載荷；背風面主材軸力在同一高度處明顯大于迎風面主材，因為在背風面，重力的附加力矩和風載荷力矩方向一致，因而使之軸向壓力更大。

3.2 主材受壓構件的強度分析

從軸力的時程分析曲線可以看出，所選取的背風側主材單元均為受壓構件，為了研究主材受壓構件的受壓穩定性，按照輸電鐵塔受壓構件穩定計算公式[12]進行其強度校驗，計算受壓構件的臨界載荷。分析過程中，選取背風側主材單元2、6、22這三個單元，因為這三個單元的軸向壓力值較大，且為與靜風等效作用下的主材構件臨界載荷進行對比，突出動力學分析的脈動放大作用，計算時，取各單元的軸力極值作為比較值。

計算時，單獨將受壓構件作為分析對象進行受壓穩定分析，而未從整塔的角度分析，因為計算結果表明，每個構件的受力差異很大，尤其是迎風側和背風側的主材構件，在同一高度截面上，軸力相差很大。根據鐵塔構件計算長度和長細比計算規則，求解三個單元對應構件的長細比λ，根據構件截面分類、長細比和材料屬性查閱構件的受壓穩定系數φ，并列于表3中。

表3 構件參數表

按照文獻[12]，輸電鐵塔受壓構件的穩定計算采用下式：

(6)

式中：N為軸向受壓構件設計值，N；A為構件截面毛截面積，mm2;φ為軸向受壓構件穩定系數；f為鋼材抗壓強度設計值，MPa；mN為壓桿穩定強度折減系數。

表4 構件軸向壓力極值和設計值

注：動靜響應極值比指的是脈動風動態響應時軸力極值與靜風等效作用時軸力值之比。

表4中可以看出，當按照設計規范，取15年重現期風速進行靜風等效作用計算時，得到的主材背風側三個單元軸力明顯小于軸向受壓設計值，然而考慮脈動風放大作用后，在脈動風作用下，軸力極值已經超過了設計值，脈動放大比超過了2倍，因此從結構受壓穩定性角度考慮，脈動風時的風載荷作用下，算例中的輸電鐵塔將有可能發生受壓失穩，進而導致受壓構件的破壞，這也說明了在強風(臺風)作用下，輸電鐵塔會出現倒塔事故的原因。

4 結論

(1)根據最大風速序列，采用極值Ⅲ型威布爾分布推算出海口區50年內的極值風速，并采用石沅臺風風譜，模擬了其脈動風速。

(2)主材軸力與高度呈正相關關系，由于重力的附加力矩和風載荷力矩方向一致，背風面主材軸力在同一高度處明顯大于迎風面主材。

(3)在強風(臺風)作用下，塔身下半段背風側主材軸向壓力已經超過了構件設計值，塔材受壓失穩是鐵塔發生結構破壞的主要因素，需要充分考慮脈動風的放大效應。

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[12]張殿生.電力工程高電壓送電線路設計手冊：第二版[M].北京:中國電力出版社，2002:325-327.

The Study of Wind Resistance Performance in Coastal Region Tower Based on Transmission Line System Model

ZHANG Zhiqiang1, AN Liqiang1, PANG Songling2, ZHANG Ronglun2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003，China; 2.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570125，China)

It is always an important task to enhance the wind resistance performance of transmission lines for the power grid construction in coastal areas.In order to study the wind resistance performance of transmission lines in coastal areas, we calculated the extreme wind speed of the return period in 50 years in local areas by using the extreme III Weibull distribution and the maximum wind speed sequences acquired by the weather station in Hainan.And the fluctuating wind speed was simulated by Shiyuan typhoon spectrum.We built a one-tower and two-span-conductor transmission line model in ANSYS according to the local tower to process the wind-induced dynamics analysis.The analysis indicates that the maximum axial compressive force of principal members can reach up to 97.1kN under fluctuating wind, which has exceeded the design value 71.9kN.Taking the pulse amplification effect of wind load into consideration, the maximum dynamic axial compressive force exceeds twice that of the static one.The buckling is the main factor for structural failure in tower, so we need to consider the pulse amplification effect of wind load in a comprehensive way.It may lead to buckling when we design transmission line simply based on static analysis.What’s more, it can even cause tower collapse.

wind resistance performance; transmission tower-line system; wind load

2016-07-27。

河北省自然科學基金(E2016502102)；中國南方電網有限責任公司科技項目(073000KK52160007)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(2014ZD33)。

張志強(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為臺風風場、輸電線路塔線體系動力學，E-mail:m13331253173@163.com。

TM726.3

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.013