沿海强风区高柔铁塔偶联动力特性分析

张志强

(广东电网有限责任公司湛江供电局,湛江 524005)

输电铁塔作为重要的电力基础设施，跨越高山大河，长期在野外复杂环境下服役[1-3]。近年来多发强台风、强覆冰等恶劣自然灾害，我国发生了不少输电铁塔损伤破坏的事故，造成了严重的经济和社会损失，给社会和人民的生命财产造成严重的后果[4]。因此，开展输电铁塔的性能分析和评估具有重要的意义。国内外研究表明，由于导线与塔架的相互作用，输电塔线体系形成了复杂的空间耦联振动体系，导线对杆塔的动力特性造成了一定程度影响。因此，掌握输电塔线体系的偶联动力效应，对评判铁塔的性能是极为必要的。基于此，文中采用非线性有限元方法研究了某高柔输电铁塔体系的塔线偶联动力特性问题，考察了导线对铁塔自振特性的影响程度。

1 输电塔线体系力学模型

基于有限元理论，输电铁塔在整体坐标系下质量矩阵Mt和刚度矩阵Kt可表示为[5]

(1)

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输电线通常可采用索单元进行模拟，其刚度矩阵Kc可通常由线性刚度矩阵和非线性刚度矩阵所组合得到。进一步的组合铁塔和输电线的刚度矩阵可得输电塔线体系的整体矩阵

(3)

(4)

式中，nc为塔线体系中导线的数量；M为输电塔线体系的总质量矩阵；K为输电塔线体系的总刚度矩阵。

2 动力特性分析方法

输电塔线体系在外荷载作用下的运动方程可表示为

(5)

式中，x为塔线体系节点位移矩阵；M为塔线体系整体质量矩阵；C为塔线体系整体阻尼矩阵；K为塔线体系整体刚度矩阵；P为整体坐标系下的外荷载向量。

在计算塔线体系动力特性时可不考虑外荷载向量，同时由于结构阻尼对固有频率影响很小，故在求解时可忽略阻尼的影响。则结构的无阻尼自由振动方程为

(6)

(7)

通过求解上述特征方程可以得到输电塔线体系的频率和振型。

3 算例研究

某220 kV鼓型输电塔位于广东南部沿海地区，塔呼高为59 m，塔总高度为77 m。塔身平面形状为正方形，两端的导线挡距均分别为440 m和490 m。该塔共有4个横担，输电线分为4层，最上层为地线，余下3层为导线。两边各连导线6相，导线型号为2×LGJQRe-300。地线2根，型号为GJ-50。杆塔材料为Q235和Q345钢，弹性模量Es=2.01×1011N/m2，密度ρ=7.85×103kg/m3，泊松比0.3，构件截面为等肢角钢。导线为LGJQRe-300型绞线，地线为GJ-50型绞线。图1为输电铁塔结构示意图。研究过程中将垂直于线路方向设为整体坐标系的x轴(平面外方向)，顺线路方向设为整体坐标系的y轴(平面内方向),沿塔高方向为z轴。图2为该耐张塔的有限元模型图，该塔划分为1 857个单元，685个结点。图3为输电塔线体系有限元模型。该文在此采用子空间迭代法求解输电塔线体系的特征方程可得到体系的动力特性。

表1给出了输电塔线体系前8阶自振频率和振型特点。图4给出了前8阶振型图。由表中结果可知，由于导线的偶联效应，输电塔的振动频率发生了一定程度的变化，各阶频率变化幅度约为1%～10%。显然该输电塔线体系的偶联振动效应较为显著，输电线对铁塔的自由振动产生了一定程度的抑制作用，特别是导线对铁塔平面内的振动影响很大，平面内第1阶自振频率增大了10%左右。因此在输电塔线体系的动力分析过程中，必须充分考虑塔线偶联效应的影响。

表1 输电铁塔动力特性对比

4 结 语

该文研究了某高柔输电铁塔考虑塔线偶联效应的动力特性。首先基于有限元方法建立了输电塔的力学模型。在此基础上形成了输电塔线体系的有限元模型。以南部沿海地区某大跨度输电塔为实际工程背景，研究了塔线偶联振动效应。研究表明，输电铁塔的塔线偶联效应较为显著，输电铁塔平面内第1阶自振频率由于导线的影响而提高了约10%。因此在塔线体系动力分析过程中应充分考虑导线的影响。