高壓輸電結構系統的強度分析

李偉

摘 要：近年來，隨著我國經濟建設的高速發展，高壓輸電結構系統成為電力系統不可或缺的一部分，能夠保障高壓系統的安全性。目前隨著人們用電量的增加，現有的高壓輸電結構系統已經無法滿足大負荷使用，并且無法保障系統的安全運行，基于此專家對高壓輸電鐵塔設計了多種加強結構，并進行加固。輸電線塔是常見的高聳結構，其是大型生命線工程和電力輸送的重要支柱，輸電線塔的結構強度和性能直接影響整個電力系統的安全和經濟發展。

關鍵詞：高壓輸電；結構系統；強度

中圖分類號：TM72 文獻標志碼：A

0 前言

隨著我國經濟的快速發展和環境的改善，原有的輸電線系統和高壓鐵塔體系已經無法滿足新的使用要求。在日常使用過程中，隨著使用年限的增加，輸電線路會發生一些變化，如電壓的等級、導線的型號、轉角等參數變化，或者原來使用的鐵塔，由于局部的屈服或者生銹等造成一定程度的使用缺陷以及強度不足，無法滿足正常的使用要求。在實際運行過程中，高壓塔上的負載也是各種各樣的，象電線自重或受到天氣變化的影響，還有各種結構形式的高壓輸電塔。象線路電壓的等級，此外還包括線路沿圖的地形等的因素。基于這些條件下，如果全部淘汰舊的高壓鐵塔設備，重新建設新設備，不僅給國家造成了巨大的經濟損失，而且也會對人民的正常生活和生產秩序造成嚴重影響，因此深入探討高壓鐵塔的穩定性和其局部承受能力，并對相對弱勢的部分進行加固調整，使原有的高壓鐵塔物盡其用。此外，在某些特殊情況下，如果線路導線斷裂，高壓塔也應具有足夠的強度，以確保正常的傳輸系統運行，并且能夠防止由斷線而引起的損害。

1 高壓輸電結構

高壓鐵塔作為電力輸送的主要支柱，據統計約占總投資額的41.5 %，其市場占有率很大，而且高壓鐵塔的安全性和依賴性也是當前社會關注的焦點。從一定程度上來看，高壓鐵塔的大容量輸電線路系統建設是社會發展的必然成果。另外有關專家在高壓鐵塔的力學性能研究中提出靜態分析是高壓鐵塔的基礎，高壓鐵塔除了受到靜態負荷外，大部分時間都在受動態負荷的作用控制，而劇烈的振動是使高壓鐵塔受到破壞的主要原因之一，象大風來襲，簡稱風振。高壓輸電線路的導線是一種耐柔性很好的結構物，在微風的情況下，它可以用于穩定風向，使輸電線路的導線有較小范圍的振動，如果處于特定的風向和惡劣環境下，強烈的風向會使鐵塔振動，而使導線也發生振動，導線在振動的同時會導致高壓鐵塔也隨之被迫振動，這種惡性循環嚴重破壞了高壓鐵塔的結構和穩定性。除了風力因素以外，還有一些自然災害也能引起高壓鐵塔的強烈振動受損，象地震等，也可能對鐵塔造成嚴重的破壞，對于這些不確定的動態負荷來說，也是將動態負荷轉化為靜態負荷是最有效的方法之一。當前隨著高壓鐵塔的裝機容量、電壓的等級等的逐步提高，對高壓鐵塔的性能要求也更加嚴格，而一旦鐵塔受到損害，短時間內很難恢復正常，不僅給國民經濟帶來巨大損失，而且人民的正常生活也受到嚴重影響。有關部門統計表明，在2000年東北吉林省的高壓鐵塔因龍卷風、暴雨和冰雹的襲擊等多種自然因素而發生倒塌。在1999年時，臺灣地區發生了不到7級的地震，也導致高壓鐵塔遭遇大規模的損害。在2001年美國的高壓鐵塔同樣也受到暴風雨的嚴重摧毀，導致高壓輸電導線被迫中斷。由此可見，對高壓鐵塔進行結構強度的分析是必要的，通過分析并采取一系列加固措施，能夠有效避免高壓鐵塔受到嚴重破壞。

2 高壓輸電結構系統的強度配合

傳統的高壓鐵塔是用手工計算設計的，釆用了結構力學和有限元方法來對它進行分析，這種情況下，要求設計人員必須具備豐富的鐵塔設計經驗和技能。而后者則釆用空間桁架模式進行處理，在鐵塔的結構強度方面有明顯的改善，隨著近年來電子科技技術的不斷發展，高壓鐵塔分析的軟件也日益增多，但是由于對其數據的輸入要求過于嚴格，操作過程很煩瑣，阻礙了鐵塔進一步的推廣和發展應用。很多專家根據高壓鐵塔傳統的固有頻率進行研究，而所獲成果并不是很多，大部分把鐵塔的動態負荷轉化成靜態來處理。通常高壓鐵塔所承受的負荷有2個部分，一是高壓鐵塔自身產生的，如自重、自然災害引發等，二是輸電導線對高壓鐵塔的作用，目前研究重點是高壓鐵塔結構的強度以及穩定性及加固方案等。專家們針對高壓鐵塔如何加固展開了廣泛地研究，象提出要利用且發揮交叉斜材料以及輔助材料與鐵塔主材的連接孔所起的作用，實現主體材料與副主體材料形成一字形連接的加固，其次可以采取背靠背的方針，在原本的主材料的基礎上附加一根相同規格的主要材料，此外，也可以在高壓鐵塔適當的位置增加橫隔面，對于高壓鐵塔有局部較弱的部位，可以釆用增大桿件的截面來提高高壓鐵塔的承載力。對高壓鐵塔加固方案的選擇是非常重要的，方案的優劣不僅影響對資金的投入，同時對加固后的結構存在一定的質量影響。合理的加固方案應具備以下幾點：加固效果要好，對鐵塔的使用功能的不利影響能夠降到最低，技術要可靠，施工方法要簡便，投入資金要合理，保持外觀的整齊。另外加固鐵塔結構的構造不僅能滿足與新構件自身的構造，還須考慮到它與原有構件的連接是否恰到好處。在傳統的鐵塔構件設計的基礎上，專家們以空間桁梁結構的有限元方法為理論基礎，建立并進行自立式高壓鐵塔有限元的計算模式研究及有限元結構軟件分析，有關專家學者們以自立式直線型貓頭塔為例，提出了對高壓鐵塔結構強度的方案。計算出鐵塔在特殊環境下載荷的內力與變形程度，還有鐵塔結構的強度和一定的穩定性。1）根據鐵塔空間結構的特點，充分利用空間桁梁結構進行有限元方法理論，建立了一種新型的自立式桁梁混合模型。2）建立了有限元平衡方程。3）用上面的方法對空間構件地認真計算，并結合有限元軟件進行了詳細地分析和比較，充分驗證了此方法的正確性和可行性。4）用新方法通過對高壓鐵塔進行了合理的結構強度分析，以及其超負荷時的內力和穩定性，并與傳統的人工計算設計和設計規范的計算設計做相應的對比，計算出鐵塔中的輔助內力。

3 結語

總而言之，根據高壓輸電鐵塔之結構強度的特點，充分利用了有限元軟件，建立了新型的鐵塔模型——梁桁混合模型，在原有鐵塔無法滿足實際需求的前提下，對現有鐵塔結構強度和穩定性進行分析。專家提出了多種加固的解決方案，從而使加固后的高壓鐵塔在短時間內恢復供電，不影響鐵塔的正常輸電功能，并且能夠使高壓鐵塔滿足輸電結構強度要求。

參考文獻

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