覆冰荷载下输电塔的力学性能分析

刘法栋，张庆华，胡晓炜，曹玲

(1.云南省电力学校，昆明 650204;2.云南建源电力工程有限公司，昆明 650011;3.国网江西金溪县供电有限责任公司，江西 抚州 344800)

0 前言

覆冰给输电线路的安全运行造成严重影响，威胁着供电系统的可靠性。研究覆冰荷载作用下输电线路的力学性能具有重要意义。

1 覆冰预测模型

电网覆冰事故主要是由雨凇、雾凇和湿雪交叠在一起形成的混合冻结造成的。运行经验表明，小半径导线的覆冰形状是圆形，而大半径导线覆冰则是椭圆形。导线覆冰的理论模型已相当精确。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。关于导线均匀覆冰的简单模型，得出了覆冰厚度与过冷却水滴直径、降水率、风速、时间等参数的关系。发现关于导线均匀覆冰的简单模型预测结果有相当的精度，能较好地符合实际［4］。［5］根据华中电网输电线路覆冰事故的资料，分析了该地区覆冰的基本特征，得出了导线的雾凇覆冰模型。杨靖波等［6］对造成输电线路严重受损的气象条件和覆冰特征进行了分析，对倒塔事故进行了调查，总结了输电铁塔失效破坏的几种典型特征，提出了提高输电线路抗覆冰灾害的建议。

2 建立模型

本文选取5B－ZB1 直线酒杯塔作为研究对象。本模型水平档距为420 m，垂直档距为550 m，代表档距为350 m，根开7.76 m，呼高42 m，塔高47.5 m，塔身的平面形状为正方形。绝缘子每串共28 片XWP－240，总长度为4.34 m，两个边相绝缘子串采用“I”型布置，中相采用“V”型布置。导线用4×LGJ－400/35，地线用JLB4－150。输电塔主材选用Q345 角钢，斜材和辅材选用Q235 角钢，所有梁单元均选用BEAM188 单元模拟，杆单元均选用LINK8 单元模拟，导地线都选用LINK10 单元模拟，绝缘子串选用LINK8 单元模拟，绝缘子与导线、绝缘子与横担均采用铰接。

3 施加荷载

考虑输电塔自身覆冰的情况，认为覆冰均匀包裹在角钢表面;考虑导地线覆冰荷载时，认为均匀包裹在其表面的覆冰截面为圆形，冰的密度取900 kg/m3，钢材的密度取7 860 kg/m3。通过设置材料密度，来实现将覆冰荷载和输电塔的自重荷载共同加载到模型上。考虑覆冰厚度从10 mm 开始，通过逐级增加覆冰厚度的方法，得出不同覆冰厚度下导地线对应的荷载值，等效施加到输电塔模型节点上，直至输电塔破坏。10 mm、20 mm、30 mm、40 mm 四种厚度的覆冰荷载，在ANSYS 中的密度设置分别为:12 400 kg/m3、18 460 kg/m3、26 040 kg/m3、35 130 kg/m3。

为了更好的模拟实际情况，在施加覆冰荷载的基础上加入风荷载，本模型取覆冰风速为10 m/s。按风压高度变化系数的不同，将输电kg/m3塔模型从下到上分为11 个区间，分别计算出各个区间内的风压，将风压乘以相应的区间面积得到整个区间的等效作用于区间形心的集中力。按力矩等效原理，可以得出等效作用于输电塔模型节点上的集中力。导地线的重力荷载加载在挂点上。中相导线风荷载加载在绝缘子串挂点处，其余导地线风荷载加载到输电塔挂点上。输电塔荷载施加情况如图1 所示。

4 工况分析

当结构或构件超过某一特定状态就不能满足设计规定的某项功能要求时的状态就是极限状态。对于输电塔而言，主要看其杆件是否超过钢材的屈服强度和节点的最大位移是否在规范要求的范围内。

4.1 应力分析

按照以上的荷载施加方法，依次对输电塔施加不同覆冰厚度下的荷载进行计算，提取输电塔破坏时的杆件最大应力.

通过分析上述输电塔在覆冰荷载下的杆件最大应力可知:在覆冰荷载下正常运行时，输电塔塔腿及塔身杆件的应力一般小于塔头和横担处杆件的应力，且小于钢材的允许应力。在输电塔发生破坏时，塔身及塔腿部位的杆件应力都在钢材允许应力范围内，上下曲臂受压杆、导线挂点附近的横担受压杆应力超出钢材的允许应力。

在计算44 mm 覆冰时，整体刚度矩阵奇异，程序退出工作。程序不收敛是因为受力杆件的应力超过了材料的屈服强度，杆件产生了过大的塑性变形，输电塔达到极限承载能力。此时输电塔的破坏主要是部分杆件达到钢材的屈服强度而发生的失稳破坏。

4.2 位移分析

按照以上的荷载施加方法，依次对输电塔施加不同覆冰厚度下的荷载进行计算，分别提取出相应覆冰厚度下的输电塔顶点位移和节点最大位移.通过分析输电塔在覆冰荷载下的位移可知:在各覆冰厚度下，塔身及塔腿部位的杆件发生的位移相对较小，塔头背风侧杆件、地线支架及横担的杆件发生的位移相对偏大。

在计算43 mm 覆冰时，塔顶地线支架处的最大位移占塔高的0.51%，小于《高耸结构设计规范》要求的变形值2%［7］。输电塔模型节点最大位移处的位移占该节点对地位移的0.64%，也小于《高耸结构设计规范》要求的变形值2%。

5 结束语

在覆冰荷载作用下，输电塔的主要破坏是上下曲臂受压杆、导线挂点附近的横担受压杆、地线支架下部受压杆达到钢材的屈服强度而发生的失稳破坏;塔身和塔腿杆件工作性能良好;节点最大位移仍在规范允许的范围内。

本文只考虑了输电塔均匀覆冰的模型，在工程实际中，覆冰并不是均匀覆盖在钢材表面的，且输电塔不同部位的覆冰厚度也有所区别。对于建立更能符合实际情况的输电塔覆冰模型还有待于进一步的开展。

［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］刘和云，周迪，付俊萍，等.导线雨凇覆冰预测简单模型的研究［J］.中国电机工程学报，2001，21 (4):44～47.

［5］孙才新，蒋兴良，熊启新，等.导线覆冰及其干湿增长临界条件分析［J］.中国电机工程学报，2003，23 (3):0141～0145.

［6］杨靖波，李正，杨风利，等.2008 年电网冰灾覆冰及倒塔特征分析［J］.电网与水力发电进展，2008，24 (4):4～8.

［7］上海市建设和交通委员会.高耸结构设计规范(GB 50135－2006)［S］.北京:中国计划出版社，2007.