同塔雙回輸電工程塔線體系脫冰跳躍響應分析

李勇

【摘 ?要】目前，影響輸電塔線體系安全主要有風致災害和覆冰事故，其中導線覆冰引起的事故更令人擔憂。據不完全統計，自上世紀50年代以來，我國輸電線路發生大大小小的覆冰事故達上千次。。故對覆冰狀態下，進行更為深入細致地研究同塔雙回輸電鐵塔的受力相應，并找出其中的相關規律，對今后預防此類事故的發生具有現實意義。

【關鍵詞】桿塔;覆冰;應力相應

1 引言

據2008年雨雪冰凍災害的災后調查，冰災中90%左右的倒塔都是由于不均勻覆冰以及自然條件下不均勻脫冰產生的順線路方向的不平衡張力造成。

針對覆冰狀態下，輸電鐵塔的力學特性的細致研究，找出鐵塔主要構件力學特性的變化規律，具有很大的現實意義，為及時有效地采取除冰措施，預防線路冰害事故的發生，提供一定的參考價值。另外隨著對輸電線路覆冰災害事故的不斷認識，國內外相關部門及學者們展開了輸電線路除冰技術的深入研究。鑒于此，本課題擬對同塔雙回輸電線路建立塔線體系整體有限元模型，并借助大型有限元軟件ANSYS進行有限元分析，旨在通過對輸電線脫冰（自然及人工脫冰等狀況下）前后鐵塔響應的分析比較，達到校驗鐵塔強度的目的。

2?同塔雙回輸電塔線體系有限元建模

2.1輸電線路的組成

架空輸電線路主要由導線、地線、絕緣子（串）、線路金具、桿塔和拉線、基礎以及接地裝置等部分組成。

1）導線用以傳導電流，輸送電能。它通過絕緣子（串）懸掛在桿塔上。導線常年在大氣中運行，長期受風、冰、雪和溫度變化等氣象條件的影響，承受著變化拉力的作用，同時還受到空氣中污物的侵蝕。2）地線又稱避雷線，是懸掛在導線上方的一根或兩根金屬線，主要作用是防止雷電直擊導線，同時在雷擊桿塔時起分流作用，對導線起耦合和屏蔽作用，降低導線上的感應過電壓，以保證線路安全運行。3）絕緣子用來支持貨懸掛導線和地線，保證導線與桿塔間不發生閃絡，保證地線與桿塔間的絕緣。4）輸電線路金具在架空輸電線路中起著支持、固定、接續保護導線和避雷線的作用，并且能使拉線緊固。5）桿塔基礎是將桿塔固定在地面上，以保證桿塔不發生傾斜、倒塌、下沉等的設施。

2.2同塔雙回輸電線路塔線體系建模

架空輸電線路的運行狀況具有非常的特殊性，在對其進行相關力學性質的分析過程中，若要進行復雜氣象條件下的長線路，多檔距的大型試驗研究，不僅成本代價過高，而且試驗場地、設備、測量技術等均具有不同程度的局限性。本文選用ANSYS作為模型仿真分析平臺，選擇某500kV輸電線路一耐張段的同塔雙回輸電線路塔線體系為研究對象，研究考慮鐵塔與導地線耦合作用的輸電塔線體系整體有限元模型的建立，建模中采用kg、mm、N單位制。

本文采用桁梁混合模型，利用ANSYS建模，主材和斜材采用BEAM188梁單元，輔助材采用LINK8桿單元。

3 輸電線路脫冰狀況模擬

本文以耐張段內的某鐵塔為研究對象，考慮鐵塔順線路方向兩側檔距的不同（分為長擋距側和短檔距側），重點研究如下三種脫冰狀況：輸電線脫冰狀況I——長檔距一側輸電線整檔脫冰，短檔距一側輸電線未脫冰;輸電線脫冰狀況II——短檔距一側輸電線整檔脫冰，長檔距一側輸電線未脫冰;輸電線脫冰狀況III——順線路方向右側單回輸電線脫冰，另一回未脫冰;輸電線脫冰狀況IV——順線路方向左側單回輸電線脫冰，另一回未脫冰。

3.1整檔脫冰狀況下鐵塔的受力響應

首先研究脫冰狀況下鐵塔主要構件的力學特性，在風速一定的條件下（取v=15m/s），以覆冰厚度為變量，分析長檔距一側輸電線整檔脫冰后，鐵塔的上、中、下各橫擔以及塔身主材的應力隨覆冰厚度增加相應的變化規律。

將ANSYS計算出的桿塔各個部件應力值進行分析統計。使得結果更加的直觀，便于發現輸電工程塔線體系下，脫冰跳躍狀態中應力的規律。

3.2相應分析

由圖（a）可看出，隨著覆冰厚度從5mm增加到50mm的過程中，上橫擔的拉應力值始終小于中橫擔及下橫擔的拉應力值，而且變化趨勢較緩慢;在覆冰厚度從5mm增加到32mm左右的過程中，下橫擔的拉應力值始終比中橫擔的拉應力值要大，然而在覆冰厚度增加到32mm以后，下橫擔的拉應力值反而一直比中橫擔的拉應力值要小。

由圖（b）可看出，與各橫擔的拉應力值的變化趨勢相似，在隨著覆冰厚度從5mm增加到50mm的過程中，上橫擔的壓應力值始終比中橫擔及下橫擔的拉應力值要小，且整體變化趨勢較緩慢;而對于中橫擔和下橫擔的壓應力值雖然在覆冰厚度較小時（5～10mm），二者相差并不明顯，但隨著冰厚的繼續增加二者的差距明顯增大，而且還可看出中橫擔的壓應力始終大于下橫擔的壓應力，并沒出現如圖（a）中各橫擔拉應力的那種特殊變化趨勢。

由圖（c）可看出，在隨著覆冰厚度從5mm增加到50mm的過程中，對于各橫擔的彎曲應力的變化趨勢而言，應力變化趨勢顯現的更為特殊，具體為上橫擔的彎曲應力值雖然也是成指數函數規律變化，但明顯變化趨勢更為緩慢，說明覆冰厚度的增加對上橫擔的彎曲應力影響不是特別明顯;另外，中橫擔與下橫擔的彎曲應力擬合曲線幾乎重合，說明二者隨冰厚的增加整體變化趨勢大致相同，同時大小也大致相同。

4 結論

通過對覆冰狀況下同塔雙回輸電鐵塔的受力響應進行仿真分析后，得到以下結論：無風荷載作用時，隨著覆冰厚度的增加，線路鐵塔橫擔主材以及塔身主材角鋼應力變化呈現出一定規律性，具體為：無論是直線型桿塔，還是耐張型鐵塔，各個橫擔主材角鋼應力值，均隨覆冰厚度的增加呈指數函數增長趨勢。鐵塔橫擔應力值隨風荷載增加變化并不大，該規律幾乎不受塔型的影對于直線型桿塔和耐張轉角塔同樣適用。

參考文獻：

[1]印水華.我國電網發展趨勢研究[J].電氣應用，2009（12）：66-69.

（作者單位：國網四川省電力公司遂寧供電公司）