覆冰荷载作用下高压输电塔可靠性研究

冯康　赵海玲

【摘 要】输电杆塔为一类高耸格构式塔架结构，支撑着导线和地线，在电力、通讯等领域应用广泛。输电线路塔线体系覆冰是一种较为严重的自然灾害，该自然灾害轻则会引起导地线脱冰跳跃重则会引起倒塔事故，造成整个输电线路的瘫痪，给人们生产生活带来严重影响。输电塔线体系的可靠度分析一直是设计、施工和运营中备受关注的问题。本文将在查阅大量文献地基础上，介绍结构可靠度理论、结构系统可靠度的一般原理和结构可靠度设计的方法，将国内外的覆冰输电线路的科研状况进行了归纳，将覆冰的分类进行了总结，针对输电塔架结构的分析模型进行讨论，从而提出高压输电线路覆冰研究的必要性。因此对现行线路设计规程中可靠度水平特别是输电塔线体系在覆冰荷载作用下的可靠度指标加以考察，为采取预防措施或应急措施提供参考，同时也对输电塔的设计具有一定的参考价值。

【关键词】输电塔线体系；覆冰；可靠度；失效模式

高压输电线路塔线体系覆冰现象是一种较为严重的自然灾害，它可引发线路承受的荷载过重、导地线脱冰跳跃甚至导线舞动、绝缘子串闪络等事故，将会给电力系统的安全运行带来很大的威胁。近几年来，我国自然灾害频繁发生，据不完全统计，20 世纪50年代以来线路发生的大小冰灾事故已达上千次，尤其是2008年的冰雪灾害。覆冰对输电线路的影响主要表现为动力和静力两个方面[1]。动力作用比静力作用更加复杂，主要表现在导地线的脱冰跳跃和导地线舞动两个方面。输电塔结构作为重要的生命线工程，对于国家的经济发展起着至关重要的作用，因此输电塔的安全性是国民经济是否稳定、快速发展的关键。

1 塔线体系覆冰研究状况

1.1 覆冰机理及类型

塔线体系覆冰的首要影响条件为气象条件，主要是冷暖空气对流、温湿度、风等气象条件的综合作用而形成的一种物理现象。除了气象条件以外，线路覆冰还会受到输电线路所在地势海拔、导线悬挂高度等因素的影响。上述条件之间的相互交叉组合就会产生各种各样气象条件，从而形成不同的覆冰种类。

通常根据电力系统运行、维护及设计要求，输电铁塔和导线的覆冰可分为以下几类[2]：

雨凇是过冷却雨或毛毛雨作用于输电线路导线的迎风面，其粘着力较强，会在导地线表面形成光滑且透明的覆冰，该种覆冰类型多会在冻雨期的低海拔地区发生。输电塔和输电导线覆冰为纯粹的雨凇覆冰的情况相对较少[3]。

混合淞为雨凇与雾凇交替混合冻结形成的不透明或半透明覆冰，其生长速度较快，对输电塔和输电导线危害特别严重。

雾凇、白霜由于其自身的粘着力很弱，不易依附于线路之上，所以雾凇、白霜对高压输电线路的影响不大。

雪主要是由自然降雪于输电线路上，经过较长时期的反复融化、结冰循环，最终粘附于线路上，形成了雪和冰的混合物，特定情况下的大面积降雪会使其质量骤增对导地线产生较大的下压荷载。

1.2 输电塔可靠度研究

在当前条件下对导、地线的覆冰现象进行实验探讨分析非常困难，因为塔线体系本身跨度大，铁塔、导地线之间具有耦合作用以及输电塔的高冗余性和非线性等因素的综合影响，这就使得覆冰作用下塔线体系的静、动力分析都相对困难。以上所阐述的影响因子均造成了输电塔线体系覆冰荷载探讨分析的缓慢进行。

陆佳政等[4]应用梁单元和索单元建立了输电塔和导线的整体单元模型，对输电塔线体系结构覆冰荷载进行了有限元计算后得到了铁塔的不平衡张力。

李正等[5]利用有限元数值模拟技术，根据2008年雪灾倒塔现场实测数据选择了3种典型塔型，计算了几种不同覆冰厚度及其工况组合情况下输电塔覆冰的受力情况。

刘纯等[6]则在2008年雪灾之后及时进行了现场实地勘测，掌握了大量数据，与之前的覆冰倒塔的数据进行了对比，总结出5种典型的输电塔倒塌的失效形式。

上述论文均对覆冰荷载作用下的输电线路进行了研究，可为本文研究输电线路覆冰可靠度提供有益的参考。

2 结构体系可靠度理论

2.1 塔架结构极限状态

输电杆塔为一类高耸格构式塔架结构，其塔身镂空、高度高、外形细长，其极限状态可以分为正常使用极限状态和承载能力极限状态。

当结构或结构构件的某一状态值达到正常使用允许的该极限值，则认为结构处于正常使用极限状态。根据塔架不同的破坏机理，正常使用极限状态可分为以下三种：

1）超变形失效

2）局部失效

3）振动失效

当结构或结构构件的变形较大，已经不适于够继续承载，或达到其最大承载能力、疲劳破坏等，就认为结构或构件达到承载能力极限状态。根据塔架不同的破坏机理，塔架结构超越其承载能力极限状态的破坏形式如下：

1）连接失效

2）屈曲失效

3）构件强度失效

4）机构失效

5）疲劳失效

以上塔架结构的5种失效形式，其中的机构失效形式是塔架结构体系层次的失效状态形式，而疲劳失效既可能发生在结构构件层次也可能发生在结构体系层次。

2.2 构件可靠度

2.2.1 确定极限状态方程

在计算结构构件失效概率之前，必须确定结构构件失效模式以及失效模式极限状态方程。在计算失效概率时需要确定每个随机变量之间的函数关系。实验模型和数值分析是两种最常见的用于确定结构极限状态的方法。

2.2.2 计算构件失效概率

构件失效概率计算两种方法是解析方法和数值方法，两种方法的基本原理都是根据基于结构构件的状态参数方程和结构的极限状态方程。

在计算结构的可靠度时，一次二阶矩法计算精度在大多数情况下都能满足工程需要。但如果在验算点附近的结构功能函数非线性程度较高时，这时一次二阶矩方法的可靠度计算结果就不准确了。

数值积分法和数值模拟法是构件可靠度分析数值方法中最基本的两种方法。其中，蒙特卡罗法是一种数值模拟方法，随着计算机的快速发展而被广泛应用，其基本原理是概率论与数理统计中的大数定律和中心极限定理。

3 覆冰塔线体系存在的问题及展望

覆冰塔线体系存在的问题主要如下：

（1）迄今为止输电塔覆冰模型在国内外的研究中并不多见，承受冰荷载的输电铁塔的刚度、弹性模量等参数会由于杆塔承重情况的改变而有所变动。由于塔线体系是输电铁塔和导、地线共同耦合作用的，若只考虑导线覆冰，忽略了输电塔的覆冰受力情况，则计算结果会相差很大。

（2）在如今的国内外对输电杆塔导地线断线的研究中，我们不难发现，大部分的研究主要单独就覆冰时的风荷载、脱冰跳跃、覆冰舞动等其中的某种情况进行分析，然而并没有针对其相互之间的耦合作用进行分析。

（3）有关实地考察测量塔线体系覆冰断线情况的数据资料搜集及对覆冰条件下杆塔受力情况的仿真模拟需要进一步完善。

下一步需要开展的工作主要有：

（1）可靠度定义的完善。塔架结构如果要按照多级设防的标准来考虑，则应在“强度”、“功能”原则的基础上加上“可修复性”原则。

（2）结构体系可靠度实验。在影响结构体系可靠度试验的进行中，最主要的一个原因就是的代价太过于巨大。这个巨大的困难直接造成有关结构体系可靠度的研究将会长时间的停留于理论分析阶段，所有的研究只是理论推导与推测，其理论结论得不到试验数据的验证。

【参考文献】

[1]王丽新.输电线路静平衡及动力响应的有限元分析[D].武汉：华中科技大学，2004：12-16.

[2]Daisuke Kuroiwa. Icing and Snow Accretion[M].Monograph series of the research institute of applied electricity，1958.

[3]Makkonen L.Atmosphric Icing on Structure[J].U S Army CRREL Monograph，1984，84（2）：102-105.

[4]陆佳政，陈红东.500kV输电塔线覆冰有限元计算[J].高电压技术，2007，33（10）： 167-169.

[5]李正，杨靖波.2008年输电线路冰灾倒塔原因分析[J].电网技术，2009，33（2）：31-35.

[6]刘纯，熊亮，胡彬.2008年湖南省输电线路覆冰铁塔典型失效形式分析[J].2009，42（1）：13-17.

[责任编辑：李书培]