覆冰輸電線路導線脫冰對塔線耦合體系動態響應的數值分析

楊曉持

【摘 要】文章通過搭建輸電線路特殊區域的塔線耦合體系的有限元模型，以數據的形式模擬了覆冰厚度、脫冰概率、脫冰位置以及結構系統的檔距、高差等參考數據對線路脫冰動態特征的影響，描述了導線脫冰之后，導線的中點位置移動振蕩的幅度、導線不平衡的拉力以及絕緣子串途徑線路方向的擺動幅度等與實踐變化的關系，并對線路的設計給出有效的建議。

【關鍵詞】覆冰輸電線路導線脫冰;塔線耦合體系;動態響應

引言：輸電線路脫冰，其實就是在各種外力氣候因素的影響下，覆冰導線整體或部分脫冰的情況，進而引起線路跳閘或輸電塔振動，導致地線短路、金具損壞、斷股斷線、輸電塔不穩坍塌等事故發生。本文將對覆冰輸電線路導線脫冰對塔線耦合體系的動態響應數值為論點，分析脫冰給塔線耦合體系的安全帶來的不利影響。

1.兩塔三檔塔線耦合體系的力學模型

通過ANSYS搭建特殊區段兩塔三檔塔線耦合體系的有限元模型，如圖一所示，各檔間的距離為400米，其中導線最開始的戰力為32kn，弧度為5.9米和2.79米。

2.覆冰的厚度對脫冰的影響

設立對中間相的導線進行脫冰，其概率為百分之50，不同部分厚度覆冰下不同導線的中心點唯一曲線、導線的水平張力。覆冰越厚，導線跳躍導致的最大高度偏差不超過5米，導線跳躍的幅度隨覆冰厚度增加而增大，且四條曲線具有一致的特征，在三個振蕩周期過后，振蕩的幅度迅速減小，曲線逐漸接近平穩。從數值模擬的結論中可以得知，覆冰厚度超過40毫米時，超過單線所能承載的符合，導線拉斷。

基于絕緣子串受到不同導線不平衡的拉力，在導線脫冰后，絕緣子串會線路方向的擺動[1]。脫冰率的增加也促進絕緣子串振動的位置發生轉移。

3.脫冰的位置對于輸電線路脫冰作業的影響

在輸電線路檔距內，導線全檔同時脫冰，不同脫冰位置的脫冰動力響應，脫冰位置越靠近導線的中心，則導線中心點的脫冰跳躍振動的幅度越大，其水平張力幅度也逐漸增大，一致于振蕩曲線的變化趨勢。

4.檔距對輸電線路脫冰的影響

假設不同檔距來研究檔距杜宇輸電線路脫冰響應的具體影響，各種事故情況下最開始的張力為32kn，覆冰的厚度為20毫米，只將第二檔脫冰，其脫冰率為百分之50，不同檔距下的墨子能夠在脫冰后的中心點豎直位移曲線。可以得知，檔距的增大與導線覆冰后的幅度成正比，進而致使脫冰跳躍幅度好的振動周期也也逐漸增大。各檔在脫冰后導線的水平張力，檔距越大覆冰后導線的張力也就越大，其振動幅度也逐步增大，但在三個振蕩周期后，振蕩幅度會大范圍減小。

5.輸電塔高度差距對輸電線路脫冰響應的影響

基于輸電線路所處地形的復雜多樣，導致不同地域的輸電塔有著不同的高度差異，因此輸電塔的高度差異可能會對輸電線路的脫冰帶來什么樣的影響，是十分有意義的關注點[2]。以此為探究點，建立三個不同檔距的模型，第一檔與第三檔之間不存在高度差距，僅讓第二檔有高度的差異。導線間的檔距為400米，覆冰的厚度20毫米，僅將第二檔脫冰，其余檔不動，其脫冰率為百分之50。三種不同高度差距下導線中心點的唯一曲線，輸電塔的高度差距在輸電線路脫冰的初級階段，其導線中心點位移的影響很小，特別是對于其最大的跳躍高度，其影響可以忽略不計。較高的懸掛點處的導線的張力曲線，可得知，輸電塔的高度差越大，相同檔距下高懸掛點的張力就越大，在可研究的輸電塔高度差距范圍內，導線張力曲線的振幅都在三個周期后急速減小，基本等同于其他不同檔距作用下的結果。

6.對于電力隧道襯砌結構有限元的分析

近幾年飛速發展的國民GDP，讓電力建設的發展在收獲了更多機遇的同時也面臨著全新的改革與挑戰[3]。我國城鎮化建設的不斷推進讓居民的生產生活更加的依賴于電力資源，電力電纜的建設逐漸向電纜回路多、電力工程規模浩大的方向邁進，以最大限度的確保城鄉居民穩定安全的用電服務。在電力電纜工程積極的更新與發展過程中，電力電纜隧道襯砌結構的設計，是工程應用的主要手段，其常見的方法是有點遠計算軟件的應用。將電力電纜的襯砌結構以有限單元為單位進行劃分，借助梁單元來模擬襯砌結構，通過彈性鏈桿單元來模擬隧道襯砌與圍巖之間的相互作用關系，以隧道襯砌所承受的荷載作為節點荷載，加之襯砌單元之上，并且對襯砌單元的邊界施加約束條件，進而進行應力計算的分析。在計算收到襯砌單元的內力后，再對襯砌進行截面檢查計算，同時進行配筋的計算。此種計算方法在使用時過于繁復，并不適用于電力工程的施工。

全新的計算方法研究，是以有限元計算為基礎，充分與不同形式的隧道襯砌結構的不同受力狀態進行有效結合，以拉鋸位移法為手段，按照各種規章準則為依據，對電力施工常見的電纜隧道襯砌結構、車輛的荷載計算以及施加的彈性鏈桿單元、節點坐標的計算等步驟進行了整理劃分和充分的整合拓展，借助FORTRAN90語言，進行電力電纜隧道襯砌結構設計軟件PT的編制，僅電力電纜的襯砌結構單元進行受理方面的分析。將PT與有限元分析軟件ANSYS的計算結果進行分析比較，以此來優化改進電力電纜的隧道襯砌厚度。依照相關文件對于電力電纜隧道襯砌結構內力的計算方法--矩陣位移法，應該計算圍巖對襯砌變形的約束作用力例如彈性抵抗力[4]。彈性抵抗力的大小及其分布可以依照襯砌在荷載作用下的變形以及回填的情況，再加上圍巖的變形性質等因素來進行計算。

但由于地下空間范圍資源的約束，隧道的埋深程度越來越大，進而增大了襯砌結構所受到的圍巖荷載，也致使襯砌結構的設計厚度也越來越大。這不利于工程資源的節約，會給工程的經濟效益帶來負面影響。

結語：基于本文的探索，應充分重視在設計輸電線路時，脫冰對于塔線耦合體系動態響應的影響，并且結合考慮冰風載荷的共同作用因素。編制電力電纜隧道襯砌結構的設計軟件，構建復合式的襯砌結構符合模型，對其實行有限元的計算。將PT與ANSYS對電力電纜隧道襯砌結構進行受力好的計算結果對比分析，以適當的改進隧道襯砌結構的厚度設計。

參考文獻：

[1] DL/T 5484-2013.電力電纜隧道設計規程[S]

[2] 隧道工程[M]：長沙：中南大學出版社，2014

[3] 隧道結構力學計算[M]：北京：人民交通出版社，2012

[4] 胡國良 任繼文.ANSYS 13.0有限元分析實用基礎教程[M].北京：國防工業出版社，2012

（作者單位：中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司）