浅谈500kV架空输电线路覆冰失效有限元仿真分析

王旦黎 杨磊 王晓冬 罗洋

摘 要：高压架空输电线路覆冰是当前影响我国电力系统稳定安全的重要因素，借助有限元仿真分析模型能够对高压架空输电线路覆冰现象做出详尽的分析，从而为输电线路稳定发展提供重要的支持。为此，文章结合线路覆冰气候区的特点，借助有限元仿真分析模型打造两个耐张段的塔线力学数值分析模型，就不同气候、覆冰程度、风向环境下塔线系统失效情况进行探究。

关键词：高压架空输电线路；覆冰；有限元仿真分析

覆冰是自然界中常见的一种现象，从发展实际情况来看，在外界环境温度过低环境中如果下雪，覆冰的厚度将会加大，严重危害了电网的运行。500kV架空输电线塔在遭遇這种环境因素的影响会出现铁塔倾斜、导线断线的问题，由此严重危害了人们的实际生活。为此，文章借助有限元仿真模型的构造原理就怎样防范高压输电线路覆冰危害问题进行探究。

一、有限元分析

有限元分析是利用和数学原理相近的方法来对真实的物理系统进行模拟，在模拟的过程中会涉及到多个单元，能够应用有限数量的未知量趋近无限未知量的过程来打造一个真实系统。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元，有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

二、基于有限元分析理论的500kV架空输电线路系统力学分析

（一）本构方程

500kV架空输电线路系统的受力分析属于强度问题，在方程构建的过程中会应用到弹性力学知识。弹性力学控制方程具体包含微分方程和材料本构方程。结合输电线路结构体系和方程构造，应用有限元分析方法打造实体模型。

（二）梁单元

500kV架空输电线路系统基本梁单元如图一所示。根据图一发现，梁单元是一种两节点三维线性有限元应变单元，每个单元上安排了七个自由度，具体包含转动自由度、平动自由度和翘曲WARP，在发展的过程中具备拉、压、弯、扭和剪的特点。梁单元在变形之后横截面会保持一种平衡不扭曲的现象，且在使用的过程中能够进行截面模拟，从而帮助人们更好分析各个材料模型。

（三）索单元

输电线路的导线和导线作为一种柔性 构件，在使用的过程中往往不会承受较多的压力和弯矩，而是仅仅承受拉力。和一般的索网结构相比，导地线的刚度比较小、跨度和挠度较大，非线性程度较高。

（四）杆单元

绝缘子串和导线连接金具的尺寸大小和一般铁塔导线接地系统相比比较小，因而对塔线结构动力学分析影响较小。为了能够计算出高压架空输电线路的档距、高差和因为不均衡荷载引起的应力形变，可以应用梁单元来模拟整个输电线路铁塔，将铁塔的界面打造成“L”型，之后将界面和偏心进行连接，打造实体模型。

三、基于有限元分析理论的500kV架空输电线路系统数值分析

（一）初始数值的确定

500kV架空输电线路最难确定的初始数值是导线和地线，在一般情况下，架空输电线路导线、地线在重力的作用下会呈现出悬链结构，各个受力状态会达到一种平衡。如果500kV架空输电线路初始线路确定不恰当，那么将会导致整个系统在受力求解之后出现形变。

（二）有限元分析模型

在2008年的冰雪灾害中，某地区500kV架空输电线路在使用的过程中出现断线、倒塔事故，事故地区的海拔高度在135m-435m之间。结合事故发生现象建立有限元覆冰仿真分析模型。在建模操作过程中充分利用塔平面对称的特点，分别打造四分之一和二分之一模型，如图一所示。

（三）计算结果

将风荷载和覆冰负载作为基本荷载形式，按照公式分别计算铁塔的角钢、绝缘子、导线荷载和地线荷载。在导线覆冰的时候可以根据导线覆冰质量和导地线的覆冰重力来计算出荷载。假设风向为逆转角的基本风向，通过改变覆冰厚度和风速能够打造仿真分析模型，启动大变形分析计算结果，结合试验结果发现在导线覆冰厚度和风速的不断增加下，铁塔和导线会出现位移的现象。在风速每秒10m、覆冰厚度是22mm的时候，299铁塔的应力情况如图二所示。

（四）铁塔结构的改进策略

根据上文分析发现在风速为每秒10m的时候，299转角塔上导线转角外端吊杆覆冰厚度在超过22mm 的时候出现了比较大的变形，承受的档距差、高度差、转角差加剧了输电线路的承重和张力不平衡程度。针对这个问题需要相关人员采取有效的措施来仿真检验和分析整个塔线系统，经过一段时间的分析和观察发现，在没有风力作用的情况下，500kV架空输电线路临界点覆冰厚度会从21mm转变为29mm，在逆转角风向状态下、风速每秒10m的时候，500kV架空输电线路覆冰厚度也会从22mm变为30mm，由此证明系统改进效果良好。

结束语

综上所述，文章在阐述有限元分析内涵的基础上，结合500kV架空输电线路的实际覆冰情况打造了有限元仿真分析模型，根据模型的信息发现，在达到临界点覆冰厚度的时候，500kV架空输电线路系统多个位置的应力达到了最大屈服强度，杆塔发生了较大的形变，整个系统运作将会失效，且风向对500kV架空输电线路系统的影响要比风速的大。

参考文献：

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