塔腿加过渡段输电塔动力特性分析

赵维立 邓洪洲 唐俊宇 刘华峰 董斌

(1.同济大学 上海200092; 2.国网四川省电力公司 成都610041;3.四川电力设计咨询有限责任公司 成都610041)

引言

电力系统在我国国民经济发展中占据非常重要的地位,而自立式输电塔是输电线路的重要组成部分,属于柔性结构[1],其动力特性对整个电网的安全至关重要。随着电网覆盖面的不断扩大,大量的线路要穿越山区。尤其是四川地区输电线路多在崇山峻岭中走线,塔基处地形陡峻,不少塔位坡度已达50°以上。同时随着电压等级的提高,输电铁塔的根开也越来越大,常规高低腿型式的输电塔已难以满足要求。孙珍茂等提出了直独立塔架、斜独立塔架与联合塔架等输电铁塔与基础的连接形式,并进行了技术经济分析。这几种连接方式虽然可以解决坡度过大问题,但是有滑坡风险,影响塔基稳定[2]。何天胜等对大跨越单塔和塔线体系进行了动力特性分析,并比较了大跨越单塔与塔线体系动力特性的差异[3]。潘峰等以某1000kV单回路塔为研究背景,获得了结构的自振动力特性,并基于随机振动理论推导了铁塔的风振系数计算公式,研究了垂直线路方向和顺线路方向的振型模态[4]。傅鹏程等以实测所得的周期估算公式为基础,经过修正得出较为精确的输电塔结构第1 自振周期近似计算方法和细化后的结构第1 振型系数[5]。目前,业界虽然对输电塔的动力特性有一定研究,但对于陡峻山区采用过渡段连接塔腿型式的输电塔研究较少。塔腿加过渡段输电塔如图1b 所示。和常规高低腿(图1a)相比,塔腿加过渡段后高差进一步加大,可解决陡峻山区坡度过大问题。

图1 输电塔示意Fig.1 Transmission tower

本文以“成兰铁路阿坝松潘牵引站供电工程”为背景,采用大型通用有限元软件ANSYS,对加过渡段220kV 和500kV 双回路输电塔的动力特性进行了分析,并与平腿输电塔、常规高低腿输电塔的动力特性进行对比。

1 有限元模型的建立

在ANSYS 中建立输电塔模型,全部采用角钢构件,其中220kV输电塔三种形式如图2 所示,500kV输电塔三种形式如图3 所示。对于高低腿输电塔,不同长度塔腿布置情况如图4 所示。220kV输电塔塔腿尺寸见表1,500kV输电塔塔腿尺寸见表2。

图2 220kV输电塔三种形式Fig.2 Three types of 220kV transmission tower

图3 500kV输电塔三种形式Fig.3 Three types of 500kV transmission tower

图4 输电塔高低腿布置情况Fig.4 High and low leg arrangement for transmission towers

表1 220kV输电塔塔腿长度Tab.1 220kV transmission tower leg length

表2 500kV输电塔塔腿长度Tab.2 500kV transmission tower leg length

输电塔杆件全部采用自定义截面形状的BEAM188 梁单元模拟。同一电压等级的各典型输电塔a、b、c 塔腿AC 间对角根开、高度尺寸一致。塔身主材均采用Q420 钢,塔身斜材和横隔面材及其他辅材均采用Q345 钢,其强度设计值按实际所选角钢厚度进行确定[6]。

图5 平腿输电塔振型Fig.5 Vibration pattern diagram of flat-leg transmission tower

2 动力特性分析

2.1 220kV输电塔

220kV 平腿输电塔、常规高低腿输电塔和加过渡段高低腿输电塔振型分别如图5 ～图7 所示。

图6 常规高低腿输电塔振型Fig.6 Vibration pattern diagram of conventional high-low leg transmission tower

由表3 可知,平腿输电塔模型振型符合干字型塔的振型特点,即一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)分别为X、Y两个方向的弯曲振型,两个方向的频率值非常接近,相差1.81%,这是由于两个方向的刚度相近,仅横担的质量分布稍有差异; 三阶为扭转振型,为一阶弯曲振型的2.24倍,也符合此塔型的振型分布特点; 四、五阶振型(塔的2 阶弯曲振型)分别为X、Y两个方向的弯曲振型; 六阶振型为局部振型,频率值为9.130Hz。

表3 平腿输电塔振型特点Tab.3 Vibration characteristics of flat-leg transmission tower

由表4 可知,常规高低腿输电塔的振型特点与平腿输电塔完全一致,即一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)为X、Y两个方向的弯曲振型; 三阶为扭转振型; 四、五阶振型(塔的2 阶弯曲振型)分别为X、Y两个方向的弯曲振型; 六阶振型为局部振型,频率值为9.288Hz。其中前五阶频率值较平腿输电塔分别降低0.39%、0.23%、1.37%、0.72%和0.93%。

表4 常规高低腿输电塔振型特点Tab.4 Vibration mode characteristics of conventional high-low leg transmission tower

由表5 可知,加了过渡段后的高低腿模型,一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)已不是单一方向(X或Y)的振动,而是变成了一阶振型以X向为主、同时也有Y向振型参与,二阶振型变成了以Y向为主、同时也有X向振型参与,这是由于各塔腿高差太大,刚度沿X、Y轴不对称; 三阶振型仍为扭转振型。此外,四阶振型为塔腿局部弯曲振型; 五阶和六阶分别为X、Y向弯曲。其中前三阶频率值较常规高低腿分别降低5.16%、0.58%和5.03%。

表5 加过渡段高低腿输电塔振型特点Tab.5 Vibration mode characteristics of high-low leg transmission tower with transition section

2.2 500kV输电塔

500kV 平腿输电塔、常规高低腿输电塔和加过渡段高低腿输电塔振型分别如图8 ～图10所示。

图8 平腿输电塔振型Fig.8 Vibration pattern diagram of flat-leg transmission tower

图9 常规高低腿输电塔振型Fig.9 Vibration pattern diagram of conventional high-low leg transmission tower

图10 加过渡段高低腿输电塔振型Fig.10 Vibration pattern diagram of high-low leg transmission tower with transition section

由表6 可知,平腿输电塔模型振型符合干字型塔的振型特点,即一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)为X、Y两个方向的弯曲振型,两个方向的频率值非常接近,相差2.26%,这是由于两个方向的刚度相近,仅横担的质量分布稍有差异;三阶为扭转振型,为一阶弯曲振型的1.61 倍,也符合此塔型的振型分布特点; 四、五阶振型(塔的2 阶弯曲振型)分别为X、Y两个方向的弯曲振型; 六阶振型为局部振型,频率值为5.158Hz。

表6 平腿输电塔振型特点Tab.6 Vibration characteristics offlat-leg transmission tower

和220kV输电塔相比,500kV输电塔自振频率更低。

由表7 可知,常规高低腿输电塔的振型分布与平腿输电塔完全一致,即一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)为X、Y两个方向的弯曲振型; 三阶为扭转振型; 四、五阶振型(塔的2 阶弯曲振型)分别为X、Y两个方向的弯曲振型; 六阶振型为局部振型,频率值为5.256Hz。其中前五阶频率值较平腿输电塔分别降低0.39%、0.45%、0.19%、0.63%和-0.13%。

表7 常规高低腿输电塔振型特点Tab.7 Vibration mode characteristics of conventional high-low leg transmission tower

由表8 可知,加了过渡段后的高低腿模型,一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)已不是单一方向(X或Y)的振动,而是变成了一阶振型以X向为主、同时也有Y向振型参与,二阶振型变成了以Y向为主、同时也有X向振型参与,这是由于各塔腿高差太大,刚度沿X、Y轴不对称; 三阶振型仍为扭转振型。此外,四阶振型为塔腿局部弯曲振型; 五阶和六阶分别为X、Y向弯曲。其中前三阶频率值较常规高低腿分别降低3.82%、0.81%和1.15%。

表8 加过渡段高低腿输电塔振型特点Tab.8 Vibration mode characteristics of high-low leg transmission tower with transition section

3 结论

1.对于220kV 和500kV输电塔,平腿模型振型均符合此塔型的振型特点,即一、二阶(塔的1 阶弯曲振型)为X、Y两个方向的弯曲振型,两个方向的频率值非常接近,这是由于两个方向的刚度相近,仅横担的质量分布稍有差异; 第三阶为扭转振型; 四、五阶振型(塔的2 阶弯曲振型)分别为X、Y两个方向的弯曲振型; 六阶振型为局部振型。500kV输电塔自振频率较220kV输电塔更小,这是由于500kV输电塔高度较大,刚度较小,质量较大。

2.对于220kV 和500kV输电塔,常规高低腿模型的振型分布与平腿模型完全一致,自振频率仅轻微下降,下降幅度均不超过1.5%,这也表明对于通常工程中常规高低腿设计输电塔的动力特性不需要另做分析计算,只需用平腿模型分析即可。

3.加了过渡段后的高低腿模型,一、二阶振型(塔的1 阶弯曲振型)已不是单一方向(X或Y)的振动,而是变成了一阶振型以X向为主、同时也有Y向振型参与,二阶振型变成了以Y向为主、同时也有X向振型参与,这是因为塔腿高差太大,刚度沿X、Y轴不对称; 自振频率值较常规高低腿降低幅度较大,可通过风振响应分析和抗震计算进一步研究加过渡段后输电塔的动力响应变化。

4.加了过渡段后的高低腿模型,相较于平腿模型和常规高低腿模型,局部振型出现提前,这是因为加过渡段高低腿模型四个塔腿高差较大、竖向刚度差异大,同常规铁塔两个主轴方向刚度接近的特点相比有较大变化。因此在设计中应适当加强横隔面杆件规格,提高铁塔整体刚度。