导线断裂诱发T接塔线系统的稳定性分析

李 涛,盛金马,朱晓峰,韩承永,王传双,陈 磊,李 凯

(1.国网安徽省电力有限公司 经济技术研究院,安徽 合肥 230071; 2.安徽华电工程咨询设计有限公司,安徽 合肥 230022; 3.北京航空航天大学合肥创新研究院,安徽 合肥 230012; 4.安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥 230601)

导线断裂可能导致输电塔线体系发生破坏,给灾区电力设施带来惨重损失[1-2]。冰雪载荷增加了传输线体系的应力,增大了导线断裂的可能性。研究考虑冰荷载情况下的导线断裂诱发塔线体系破坏十分必要。目前已有不少关于导线断裂对电力设施破坏方面的研究[3-5],但较侧重于导线断裂诱发传输线的动力学响应行为方面[6-8],对传输电塔的破坏研究也非常重要。传输电塔高且是柔性结构,失稳失效是其主要失稳模式[9-10]。导线断裂导致传输塔失稳失效值得深入研究[11-13]。

本文以一种新型单回路T接塔输电线路为例,构建输电塔线体系精细化有限元模型,利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA分析冰载作用下导线断裂诱发输电塔线体系的非线性静力稳定性及动力稳定性,采用B-R准侧判断失稳[14-15],为新型单回路T接塔输电线路技术设计提供依据。

1 模 型

1.1 有限元模型

本文以35 kV输电线路中一种新型单回路T接塔作为研究对象。导线为LGJ-240/30,地线为GJ-50,水平跨度L为300 m。绝缘子型号为XWP-70。在ANSYS/LS-DYNA中建立一塔三线模型,考虑几何非线性,采用线弹塑性模型模拟钢材的材料非线性。塔身和横担主材采用Q345角钢,塔身斜材、横膈和其他辅材选用Q235角钢。在静力计算中电塔杆件和绝缘子均采用BEAM188梁单元,输电线采用LINK180单元;在动力学计算中电塔杆件和绝缘子均采用可自定义截面形状的BEAM161梁单元,输电线选用LINK160单元。输电线端部为固定约束,电线与绝缘子之间采用耦合的形式进行连接。一塔三线输电塔线体系精细化有限元模型如图1所示。

图1 一塔三线输电塔线体系精细化有限元模型

导线在自重作用下的抛物线型计算公式为:

(1)

其中:H为跨中张力;q为导线荷载;L为跨度。

1.2 冰荷载模型

本文将输电铁塔和导线等作为一个整体进行研究,在ANSYS中建立一塔三线T接有限元模型后,考虑冰荷载作用下导线断裂对体系的稳定性。输电塔角钢构件及绝缘子单位表面积上的覆冰荷载为:

q1=0.6×10-3ba2γ

(2)

其中:b为覆冰厚度;a2为覆冰厚度的高度递增系数;γ为覆冰重度,一般取9 000 N/m3。

导(地)线单位长度的覆冰荷载为:

q2=1×10-6πba1a2(d+ba1a2)γ

(3)

其中:a1为与导(地)线直径有关的覆冰厚度修正系数;d为导(地)线的直径。

1.3 角钢构件材料本构

为精确模拟导线断裂诱发塔失效行为,为电塔角钢构件选择合适的材料本构模型十分关键。本文采用线弹塑性本构模型,其应力的应变关系如图2所示。

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图2 线弹塑性随动硬化材料模型

图2中:E、Et分别为弹性和塑性硬化模量;β为硬化参数控制材料的硬化方向。β=0、β=1分别表示随动硬化和各向同性硬化,0<β<1表示混合硬化,本文β取1。

2 静力稳定性分析

为得到导线断裂诱发下非平衡张力导致的传输塔失效机理,首先进行塔线体系的静态稳定分析。选取4个典型导线断裂点进行分析,分别为3个不同导线(上导线、左导线和右导线)断裂以及1个地线断裂。为与导线未断情形进行比较,也给出了电塔在导线未断情形下受冰载作用的静态失稳结果。

塔线体系静态失效模式如图3所示。从图3a可以看出,在没有电缆断裂的情形下,电塔在冰载作用下的断裂点出现在塔的中下部位。从图3b可以看出,上导线断裂情形下,电塔最终会在塔的上部产生破坏,与其他情形有明显不同。从图3c可以看出,地线断裂情形下,电塔断裂点出现在塔的中间部位,比没有导线断裂情形的位置增高。从图3d、图3e可以看出,左导线和右导线断裂情形下，电塔的破坏位置都处在塔的中下部位,右导线对应的位置更低。

图3 塔线体系静态失效模式

塔线体系结构顶点的静态覆冰厚度-位移曲线如图4所示。

图4 静态覆冰厚度电塔顶点位移曲线

从图4可以看出,上导线断裂情形下,在冰厚度为15 mm时,曲线趋于水平,依据B-R准则,结构已达到失稳状态；其他情形下,在冰厚度为20 mm时,曲线趋于水平,结构达到失稳状态。结果表明,上导线的断裂对塔的稳定性具有决定性作用,设计时应加强上导线。

3 动力稳定性分析

地线、上导线、左导线和右导线断裂情形下电塔失稳动力学过程如图5～图8所示。

在导线断裂的初始阶段,塔线体系仍然处于弹性状态;经过一段时间后,电塔破坏位置附近开始有单元进入屈服状态;接着更多的单元失效,导致电塔整体失稳。从图5～图8可以看出,失效破坏位置和静力学情形下的完全一致。从图6～图8可以看出,3根不同导线断裂诱发电塔失稳模态,失稳破坏位置与图2中静力情形完全一致。

图5 地线断裂诱发塔线体系动态失效模式

图6 上导线断裂诱发塔线体系动态失效模式

图7 左导线断裂诱发塔线体系动态失效模式

图8 右导线断裂诱发塔线体系动态失效模式

图5所示的地线断裂诱发电塔失稳过程中,虽然电塔中下部先发生较大变形,但塔失稳破坏仍然发生在上部,与静态情形一致。

图9 覆冰厚度电塔顶点位移曲线

4 结 论

针对冰荷载对输电塔-线体系的安全性影响问题,本文建立了一种新型单回路T接塔的塔-线体系有限元模型,数值模拟研究了冰载作用下地线和各导线断裂诱发塔线体系的静态和动态失稳过程,给出了失稳失效模式以及电塔顶点的冰厚度-位移曲线。结论如下:

(1) 塔的失效是由于导线断裂后的非平衡张力引起的,导线断裂对体系稳定性有重要影响。

(2) 因为动力学失稳总是比静力学失稳更加容易,所以在塔线体系设计时应该充分考虑动力学效应。