风载荷作用下混凝土电杆的破坏分析

马 辉 李 超

(三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

风载荷作用下混凝土电杆的破坏分析

马 辉 李 超

(三峡大学 电气与新能源学院， 湖北 宜昌 443002)

台风天气严重威胁到沿海地区电力系统的安全稳定运行，由于配电网设计标准相对较低，配电设施受到的影响较大．架空配电线路混凝土电杆破坏现象已成为配电故障的重要因素，有必要对其破坏进行深入分析．本文对混凝土电杆受风载作用下的应力分布及弯矩进行了研究，并考虑最严重的情况，对导线承受风载时电杆支持点弯矩进行了计算，得到了电杆支持点截面、迎风面与背风面中心线的应力分布，分析了不同风速下的杆体最大应力变化趋势，并比较了设计风速下杆身和导线分别承受风载时杆根支持点的弯矩，可为配电网设计和运维工作提供依据．

风载荷； 配电网； 混凝土电杆； 破坏

台风天气给沿海地区电力系统安全稳定运行带来了巨大风险．2004年，台风“云娜”导致浙江电网输电线路损坏3 342 km，500 kV线路跳闸10次，9座220 kV变电所失电[1]；2008年，超强台风“黑格比”侵袭广东，造成110 kV及以上输电线路大量跳闸及停运，35 kV和10 kV及低压配电线路大量跳闸，并发生倒杆、断杆现象[2]；2012年，飓风“桑迪”造成美国800万用户断电，经济损失高达500亿美元[3]．在全球呈现的热带气旋增大趋势下，风灾已成为危害沿海地区电网安全的重要因素之一．

台风对电网的威胁中，风致输电线路杆塔受损与线路舞动造成的危害较为严重．尤其在配电线路中，由于设计标准较低，杆塔受损普遍，主要集中在水泥杆倒杆、断杆．据统计，2005年强台风“达维”造成三亚10 kV农网断杆133根，倒杆106根，混凝土杆倾斜287根[4]；2008年，受超强台风“黑格比”影响，阳江电网海陵岛试验区、江城区和阳西县10 kV配网倒、断杆塔4 997基，茂名电网10 kV线路倒杆2 230基，低压台区倒杆17 614基，湛江电网倒杆、断杆2 615基[2]；2009年，台风“莫拉克”造成福建电网10 kV线路受损杆塔102基，典型电杆破坏如图1所示．

图1 典型的电杆折断现象

台风期间，除了电杆直接遭受风荷过载外，台风吹袭线路走廊周围树木倾倒，伴随台风的强降水导致的基础塌方，导线承受的风荷载等间接因素都可能造成水泥杆倒杆、断杆．目前，针对电杆性能的研究，主要有采用抗弯承载能力试验研究和仿真模拟等[5-7]，但多采用集中加载方式，少有分析电杆在风载荷分布受力条件下的破坏情况．本文针对风载荷下水泥杆破坏现象，采用有限元方法，对风载荷下混凝土电杆的应力及弯矩进行了分析，可为混凝土电杆设计及运维提供依据．

1 风载荷作用下混凝土电杆受力分析

本文采用Comsol Multiphysics软件，基于有限元法对典型混凝土电杆在不同风速下的应力分布及弯矩进行了分析，揭示风载荷作用下，混凝土电杆的受力情况．混凝土电杆为普遍采用的G级、长L为12 m的混凝土电杆[8]，根径D为350 mm，梢径d为190 mm，壁厚δ为50 mm，主筋直径为16 mm，主筋数量为12，如图2所示．混凝土杨氏模量E1=25 GPa，泊松比μ1=0.33；主筋杨氏模量E2=200 GPa，泊松比μ2=0.33，电杆支持点高度L2为2 m．

图2 混凝土电杆典型结构示意图

在模型中，电杆自杆根至杆梢轴向为正z向，风速方向为正y向，由于杆身并非处处与风向垂直，故在杆身上产生的单位面积载荷随着该截面圆半径xm不同而不同，结合文献[8]对混凝土电杆受力的分析可知，单位面积电杆的受力可以用式(1)进行计算，本文将其作为计算中的施加载荷．

(1)

式中，C为体形系数，取值为0.7；V为风速(m/s)．在分析中，取支持点截面作为固定约束．

在有限元计算中，采用四面体单元对电杆进行剖分，网格单元数量为708 630．杆身von Mises应力分布如图3所示．

图3 杆身von Mises应力分布图

从图3可以看出，在电杆杆身受到风载荷作用时，其根部受到应力最大．为了研究不同风速下电杆典型区域的应力分布，采用3种风速，分别为25 m/s、35 m/s和45 m/s，研究固定约束截面的von Mises应力分布，如图4所示．

从图4可以看出，在约束截面上，3种风速下，背风面应力均呈现应力大于迎风面的现象，且分布在杆身表面．为了更进一步分析杆身表面的应力分布情况，以杆身表面迎风面和背风面中心线为研究路径，获取高度方向上的应力分布，分别如图5～6所示．

图5 不同风速下杆身表面迎风面中心线路径上的应力分布

图6 不同风速下杆身表面背风面中心线路径上的应力分布

从图5可以看出，在杆身迎风面中心线上，V=25 m/s，35 m/s和45 m/s时，应力最大值均出现在支持点截面，随风速变化其值变化不大，随着高度增加，距支持点垂直距离增大，应力总体上呈下降趋势．但是，随着距支持点垂直高度增加，在临近约束截面处，出现了第一个应力极小值，接着应力值突变至第一个极大值并继续呈下降趋势，下降至一较小值之后，应力值随垂直高度增加又上升，继而缓慢下降，分别形成第二个极小值和极大值点，且第二个应力极小值点出现的高度随着风速增大呈增大趋势．从图6可以看出，在杆身背风面中心线上，最大值亦出现在支持点截面，随风速增大其值增加明显，随高度增加，应力变化呈单调减小趋势．

除了对面上的应力进行分析外，对杆体最大应力进行了分析，结合3种研究风速和V=47.5 m/s时杆体的情况，得出不同风速下杆体最大应力如图7所示．可以看出，随着风速的增大，杆体最大应力呈指数规律增大，在本文研究中，满足下式：

(2)

图7 电杆杆体最大应力

2 混凝土电杆及导线风荷载作用下弯矩分析

根据GB/T 4623-2006《环形混凝土电杆》[9]，本文所研究的整根钢筋混凝土锥形杆承载力检验弯矩Mu为48.76 kN·m．为了直观分析混凝土电杆的破坏因素，分别分析了混凝土电杆和导线直接承受风载作用时的支持端的弯矩．

将上述有限元分析中采用的单位面积载荷对迎风面进行积分，得电杆直接承受风载的支持端弯矩，见表1．

表1 混凝土电杆直接承受风载支持端弯矩

对配电线路常用导线进行电杆支持点弯矩计算，导线选取外径较大的LGJ-240/30，外径为21.6 mm，3根导线按照三角排列，层间距离为0.8 m，线路档距60 m．由于风吹向导线时仅产生与导线轴线垂直的风荷载，按照最严重的情况，风速方向垂直导线轴线，且考虑地面粗糙类别A类(近海面、海岛及海岸等)，可以根据式(3)和(4)计算得到支持点弯矩[8，10]，见表2．

(3)

(4)

式中，M为导线风载荷引起的支持点弯矩(N·m)；P为单根导线的线风荷载(N/m)；l为档距(m)；hk为第k根导线与支持点的垂直距离；n为电杆上悬挂的导线根数；Dw为导线外径(m)；α为风压不均匀系数；μsc为导线体型系数；μz为风压高度变化系数．

表2 导线承受风载电杆支持端弯矩

从表1和表2可以看出，以在该强度下线路设计风速为35 m/s作为计算值，可得电杆杆身直接承受风载杆根弯矩仅为承载力检验弯矩的13%，而导线承受风载杆根弯矩达载力检验弯矩的65.8%．

3 结 论

本文基于有限元法，以配电网常用的G级混凝土电杆作为研究对象，对混凝土杆塔受风载作用下的受力分布及弯矩进行了研究，并考虑最严重的情况，对导线承受风载时电杆杆根弯矩进行了计算．研究表明：

1)电杆在承受风载作用时，约束截面背风侧应力最大．随着风速的增大，约束截面迎风侧应力变化不大，而背风侧应力增加较为明显．

2)随着距支持点垂直距离增加，杆身表面迎风面中心线应力整体呈下降趋势，但在下降过程中出现波动，有两个极小值和两个极大值；而背风面中心线应力则单调下降．

3)电杆杆体最大应力随着风速的增大，呈指数规律增加．

4)在本文严重风条件下，导线引起的支持点弯矩为承载力检验弯矩的65.8%，而电杆杆身直接承受风载弯矩仅占13%，由此可见，导线承受风载对混凝土电杆造成的破坏十分明显，需要引起重视．此外，除了杆身和导线承受风载荷之外，混凝土电杆的破坏应重视导线舞动、杆身疲劳及基础松动等因素．

[1] 吴勇军，薛禹胜，谢云云，等．台风及暴雨对电网故障率的时空影响[J]．电力系统自动化，2016，40(2)：20-29，83．

[2] 彭向阳，黄志伟，戴志伟．配电线路台风受损原因及风灾防御措施分析[J]．南方电网技术，2010，4(1)：99-102．

[3] 赵子威，李树平．飓风“桑迪”的影响及启示研究[J]．环境科学与管理，2013，38(9)：189-194．

[4] 厉天威，江巳彦，赵建华，等．南方电网沿海地区输电线路风灾事故分析[J]．高压电器，2016，52(6)：23-28．

[5] 刘思远，夏开全，陈宗平．在役钢筋混凝土电杆抗弯承载能力研究[J]．混凝土，2011(6)：60-63，72．

[6] 曾宪乐，许 飞，夏开全．超期服役钢筋混凝土电杆抗弯承载能力研究[J]．广西电力，2010，33(6)：1-3，24．

[7] Masmoudi R, Mohamed H， Metiche S． Finite Element Modeling for Deflection and Bending Responses of GFRP Poles [J]．Journal of Reinforced Plastics and Composites, 2008, 27(6): 639-658．

[8] 兰 颖．考虑台风影响的配电网可靠性评估和规划[D]．重庆：重庆大学，2014．

[9] GB/T 4623-2006．环形混凝土电杆[S]．

[10] GB 50545-2010．110～750 kV架空输电线路设计规范[S]．

[责任编辑 张 莉]

Analysis of Failure of Power System Concrete Poles Subjected to Wind Loads

Ma Hui Li Chao

(College of Electrical Engineering & Renewable Energy, China Three Gorges Univ., Yichang 443002, China)

Typhoons pose a great threat to the secure and stable operation of power systems in coastal areas; and the power distribution facilities are greatly affected due to the lower design standards. The failure of concrete poles in overhead lines is an important factor in distribution fault; so it is necessary to perform a deep analysis of it. In the paper, the stress and the bending moments of concrete poles subjected to wind loads are studied; and the bending moments of the support point resulted from transmission lines is calculated considering severe cases. Both the stress distribution of the cross-section of the support point and that of the center line of windward side and leeside of the pole are obtained. The maximum stresses of the pole body are analyzed; and the bending moments of the support point resulted from pole and transmission lines are compared. The results can provide basis for the design, operation and maintenance of power distribution network.

wind load; power distribution network; concrete pole; failure

2017-02-25

国家自然科学基金青年基金(5150070317)；湖北省微电网工程技术研究中心开放基金(2016KDW03)

马 辉(1985-)，男，讲师，博士，主要从事智能配电网技术、配电网电能质量综合治理、高效率多电平变流技术等方面的研究． E-mail：mahui22119@126.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.03.015

TM752+.5

A

1672-948X(2017)03-0066-04