田宇 孫清 李西瑞 趙雪靈 王志強(qiáng)

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 太原030001; 2.西安交通大學(xué) 710049;3.電力規(guī)劃總院有限公司 北京100120)

引言

復(fù)合橫擔(dān)桿塔又稱復(fù)合塔,是目前電力線路上常采用的以復(fù)合材料橫擔(dān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制橫擔(dān)的新型桿塔形式。復(fù)合橫擔(dān)桿塔用于輸電線路有著節(jié)約鋼材、減小塔頭尺寸、減少走廊寬度的特點(diǎn); 并且由于復(fù)合橫擔(dān)與傳統(tǒng)鋼制橫擔(dān)相比更為輕便與易加工成型,可以大幅度地降低桿塔的運(yùn)輸和組裝成本; 桿塔的耐腐蝕、耐高低溫、強(qiáng)度大、被盜可能性小的特點(diǎn)又可以降低線路的維護(hù)成本[1]; 同時(shí),復(fù)合桿塔利用復(fù)合材料的絕緣特性,可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料和功能材料的高度統(tǒng)一,具有許多顯著的優(yōu)勢(shì)。其中最主要的優(yōu)勢(shì)便是復(fù)合材料良好的絕緣性能使得其能夠替代絕緣子,從而大幅度減小了懸垂串長(zhǎng)度,降低塔高[2,3]。

輸電線覆冰是指空氣中的水分或降雨因凍結(jié)而成冰霜的一種自然現(xiàn)象。在特定的溫度和風(fēng)等自然條件下,輸電線覆冰脫落會(huì)引起電線的上下振動(dòng)和橫向擺動(dòng),工程中亦稱“冰跳”。覆冰脫落后,導(dǎo)線內(nèi)積聚的勢(shì)能得到釋放,迅速向上跳起,并使相鄰檔之間產(chǎn)生縱向不平衡張力,輸電線的跳躍會(huì)減少線路之間的安全距離,造成閃絡(luò)或短路,同時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致線路斷線斷股,桿件破壞甚至倒塔等工程事故的發(fā)生。斷線是輸電塔縱向不平衡荷載由來(lái)之一,斷線事故雖然是小概率事件,但是一旦發(fā)生,不僅損壞電氣設(shè)備,還會(huì)引起整個(gè)輸電系統(tǒng)的振蕩,使輸電塔的位移、內(nèi)力響應(yīng)加大,甚至導(dǎo)致輸電塔倒塌,使整條線路癱瘓以及產(chǎn)生火災(zāi)等災(zāi)害。由此可見(jiàn),根據(jù)輸電線路的實(shí)際情況,進(jìn)行覆冰脫落以及斷線的動(dòng)力分析是十分必要的[4]。

本文通過(guò)有限元仿真分析,建立500kV單回路復(fù)合橫擔(dān)塔有限元梁桿模型,及3 塔4 線的塔線耦合體系模型,并對(duì)3 塔4 線模型進(jìn)行塔線體系的覆冰脫落及斷線工況下的動(dòng)力響應(yīng)分析,以檢驗(yàn)該塔型結(jié)構(gòu)的合理性與可靠性。

1 單塔有限元模型

桿塔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 桿塔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of tower

桿塔塔身主要由角鋼組成,其中主材多為Q420 鋼與Q345 鋼,斜材多為Q345 鋼與Q235鋼,輔助材多為Q235 鋼。橫擔(dān)采用復(fù)合材料,具體材料參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 梁桿模型主要構(gòu)件材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of main components

建立如圖1 所示的單塔有限元模型。

圖1 單塔梁桿有限元模型Fig.1 Finite element model of single tower

2 塔線耦合體系模型建立

輸電塔-線體系是由塔身構(gòu)件和導(dǎo)線兩種不同性質(zhì)的材料組合而成,兩者相互協(xié)調(diào)、相互影響,塔線體系是一種大位移空間體系,非線性因素很強(qiáng)。為研究塔線體系脫冰、斷線等動(dòng)力響應(yīng),首先需要建立輸電塔-線體系有限元模型。

2.1 導(dǎo)地線模型

考慮輸電線的非線性,可將導(dǎo)線處理成單索結(jié)構(gòu),單索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是理想柔性,它既不能受壓也不能抗彎,而且材料符合胡克定律。有限元方法將索看成一系列相互連接的索段,索段之間以節(jié)點(diǎn)相連。若索受沿索弧長(zhǎng)均布荷載q(如自重),其初始狀態(tài)解為—族懸鏈線:

設(shè)跨中垂度為f,則當(dāng)x=l/2 時(shí),y=f,則:

由推導(dǎo)可知,索的垂度和水平張力互為結(jié)果,即索的線形為一懸鏈線族,若已知其中某一個(gè)參數(shù)即可唯一確定所得線形和張力[5]。

表3 為輸電線主要參數(shù)。

表3 導(dǎo)、地線主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of guide and ground wire

將表3 中的單位長(zhǎng)度重量和水平張力代入公式計(jì)算分別得到導(dǎo)線和地線的懸鏈線方程便可得到輸電導(dǎo)地線在自重作用下的形狀。采用桿單元LINK10 進(jìn)行建模,它是一種帶預(yù)應(yīng)力的直線單元,承受軸向拉力。在單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有三個(gè)自由度: 沿X、Y和Z三個(gè)方向的平動(dòng),可模擬幾何大變形[6]。

2.2 絕緣子串模型

絕緣子串的幾何模型如圖2 所示,其中串子桿采用LINK 單元,其余部分即串子梁部分采用BEAM 單元進(jìn)行模擬,建模具體參數(shù)如表4 所示。

圖2 絕緣子串模型Fig.2 Insulator s model

表4 絕緣子串主要參數(shù)Tab.4 Main parameters of insulator string

2.3 塔線體系模型

輸電導(dǎo)線采用的是4×JL/G1A-400/35 型號(hào)導(dǎo)線,地線采用JLB20A-150 型號(hào)線,有限元模型采用實(shí)際的四分裂導(dǎo)線通過(guò)絕緣子串和輸電塔連接,輸電塔水平向設(shè)計(jì)檔距500m。輸電塔底部和輸電線端部均采用固接約束。塔線的體系模型如圖3 所示。

3 塔線體系斷線動(dòng)力分析

本文對(duì)高壓輸電塔-線體系的斷線模擬計(jì)算過(guò)程采用以下3 個(gè)步驟:

(1)對(duì)輸電塔-線體系進(jìn)行靜力分析,得到輸電線的張力;

(2)去掉斷線檔輸電線最外端的約束,通過(guò)施加等效荷載F進(jìn)行等效;

(3)定義時(shí)程力F,假定前0.01s 為輸電線的張力,通過(guò)突然卸載的方式模擬斷線對(duì)輸電塔的沖擊作用[7,8]。

圖3 塔線體系模型Fig.3 The model of tower-line system

斷線計(jì)算工況如表5 所示,斷線檔均取為第三檔。

表5 斷線計(jì)算工況Tab.5 The conditions of bolting

3.1 導(dǎo)線時(shí)程響應(yīng)

圖4、圖5 繪出了邊導(dǎo)線斷線工況下的導(dǎo)線響應(yīng),由于篇幅限制其余工況計(jì)算結(jié)果匯總于表6、表7。

所有工況中導(dǎo)線、地線在斷線后斷線檔導(dǎo)地線均存在反彈現(xiàn)象,其中中導(dǎo)線斷線后斷線檔其余導(dǎo)線反彈值最大可達(dá)6.6m。地線斷線后,最大張力出現(xiàn)在其鄰跨地線,最大張力變化幅度為15%。而導(dǎo)線斷線后,最大張力出現(xiàn)在斷線檔其余導(dǎo)線,其中中導(dǎo)線斷線工況中斷線后其余三根導(dǎo)線張力變化幅度最大可達(dá)36%。規(guī)范規(guī)定的“弧垂最低點(diǎn)最大張力不超過(guò)其導(dǎo)、地線拉斷力的70%”。經(jīng)過(guò)計(jì)算,導(dǎo)地線拉斷力的70%分別為118.75kN 與68.94kN。斷線工況下線內(nèi)跨中最大張力滿足《110kV ～750kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50545 -2010)[9]要求。

圖4 各檔導(dǎo)線跨中豎向位移時(shí)程Fig.4 Vertical displacement s time history of wire

圖5 各檔導(dǎo)線張力時(shí)程Fig.5 Tension s time history of wire

表6 導(dǎo)線跨中豎向位移響應(yīng)最大值Tab.6 Maximum of vertical displacement response

表7 導(dǎo)地線張力最大值Tab.7 Maximum of the tension

3.2 整塔時(shí)程響應(yīng)

邊導(dǎo)線斷線工況下的三塔塔頭位移時(shí)程如圖6所示,其余工況下的塔頭響應(yīng)列于表8。

圖6 塔頭位移時(shí)程Fig.6 Time history of tower s displacement

表8 塔頭位移最大值Tab.8 Maximum of tower s displacement

從圖6 可以看到,斷線后前2s 整塔響應(yīng)劇烈,之后塔頭位移變化呈現(xiàn)出一定周期性且變化幅值趨于穩(wěn)定,與斷線檔直接相連的整塔響應(yīng)大于遠(yuǎn)離斷線檔整塔。

從表8 可以看到,斷線工況對(duì)塔頭位移影響較大的為斷地線工況,與斷線檔直接相連的塔頭位移最大值可達(dá)0.128m,而遠(yuǎn)離斷線檔塔頭位移影響不大。另外,中導(dǎo)線與邊導(dǎo)線斷線對(duì)塔頭位移的影響也較小。

3.3 橫擔(dān)時(shí)程響應(yīng)

此處以中橫擔(dān)分析結(jié)果為例。由于斷地線與斷邊導(dǎo)線工況對(duì)中橫擔(dān)的軸力影響較小,對(duì)此兩種工況進(jìn)行邊橫擔(dān)軸力的時(shí)程分析意義不大,故此處僅對(duì)斷中導(dǎo)線這一工況進(jìn)行分析。

表9 橫擔(dān)位移分析結(jié)果Tab.9 Results of the cross-arm s displacement

可以看到,中導(dǎo)線斷線后橫擔(dān)響應(yīng)對(duì)于與之相近的2,3 塔和遠(yuǎn)離斷線檔的1 塔而言區(qū)別不大。橫擔(dān)位移的影響均在0.01m 左右,為整塔計(jì)算高度的0.18H/1000(其中H為整塔高度),符合規(guī)范3H/1000 的限值規(guī)定,說(shuō)明中橫擔(dān)上下桿材剛度較充足。

3.4 絕緣子時(shí)程響應(yīng)

表10、表11 列出了三個(gè)斷線工況下的中、邊導(dǎo)線的絕緣子軸力最大值。圖7 為中導(dǎo)線斷線工況下的絕緣子軸力時(shí)程。

表10 中導(dǎo)線絕緣子軸力(單位： kN)Tab.10 Axial force of medium phase insulator(unit: kN)

表11 邊導(dǎo)線絕緣子軸力(單位： kN)Tab.11 Axial force of edge phase insulator (unit: kN)

圖7 中導(dǎo)線絕緣子軸力時(shí)程Fig.7 Time history of insulator s Axial force

可以看到靜力狀態(tài)下絕緣子串子桿軸力為26.66kN,不論是邊導(dǎo)線或是中導(dǎo)線的絕緣子,地線斷線對(duì)絕緣子軸力幾乎無(wú)影響。邊導(dǎo)線斷線使邊導(dǎo)線絕緣子軸力增至38.22kN,中導(dǎo)線斷線使中導(dǎo)線絕緣子軸力增至35.28kN。

4 塔線體系覆冰脫落動(dòng)力分析

實(shí)際的覆冰斷面可能是各種不規(guī)則的形狀,但在輸電線路設(shè)計(jì)中覆冰截面通常按等厚中空?qǐng)A形考慮。本輸電線路覆冰厚度10mm,覆冰密度為0.9g/cm3,導(dǎo)線換算冰荷載為4.13N/m,地線換算冰荷載為3.16N/m。覆冰脫落分析中不考慮風(fēng)力、溫度等影響。通過(guò)對(duì)輸電線有限元模型施加節(jié)點(diǎn)力的方式模擬均布冰荷載[10,11]。

對(duì)于導(dǎo)線脫冰的模擬,采取以下步驟:

(1)計(jì)算塔線在自重作用下平衡狀態(tài);

(2)計(jì)算導(dǎo)線在10mm 均勻覆冰作用下的塔線體系平衡狀態(tài);

(3)使某一跨(根)導(dǎo)線的覆冰在很短時(shí)間內(nèi)突然脫落;

(4)得到覆冰脫落后塔線體系的響應(yīng)。

對(duì)于“三塔四線”輸電塔線體系,覆冰脫落的情況多種多樣,這里只選取典型的三個(gè)工況進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析,三個(gè)典型工況均為第三檔脫冰,如表12 所示。其中參考《中重冰區(qū)架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(Q/GDV182 -2008),定為80%脫冰量脫冰[12]。

表12 覆冰脫落計(jì)算工況Tab.12 The conditions ofice shedding

4.1 導(dǎo)地線分析結(jié)果

列出三個(gè)覆冰脫落工況下四檔導(dǎo)線跨中豎向位移最大值于表13,圖8 繪出中、邊導(dǎo)線覆冰脫落后各檔導(dǎo)線的豎向位移時(shí)程。

表13 跨中導(dǎo)地線位移最大值Tab.13 Maximum displacement of lines

從圖8 中可以看到,中導(dǎo)線與邊導(dǎo)線均是在第三檔導(dǎo)線覆冰脫落后3s 位移達(dá)到最大值4.5m,而后在阻尼作用下緩慢衰減。并且通過(guò)對(duì)比可以看出,第三檔導(dǎo)線脫冰后向上跳躍,其位置最終穩(wěn)定在全跨覆冰時(shí)導(dǎo)線位置的上部,而第一、第二及第四檔導(dǎo)線則穩(wěn)定在全跨覆冰時(shí)導(dǎo)線位置的下部。對(duì)于導(dǎo)線的響應(yīng),本跨導(dǎo)線最大,鄰跨次之,隔跨最小。

圖9 繪出中、邊導(dǎo)線覆冰脫落后各檔導(dǎo)線的張力時(shí)程(第三檔脫冰工況下,鄰跨的第二和第四檔張力變化值非常接近,此處僅繪出第一檔、第二檔和第三檔的張力變化)。第三檔脫冰時(shí)三個(gè)工況下的中導(dǎo)線脫冰張力變化值見(jiàn)表14。

可以看到,覆冰前導(dǎo)線張力為23.45kN,覆冰后線內(nèi)張力32.21kN,增長(zhǎng)幅度為37%。而經(jīng)過(guò)脫冰過(guò)程,導(dǎo)地線內(nèi)張力得到一定程度的釋放與平均,最終趨于穩(wěn)定,張力釋放約12%,四根導(dǎo)線張力變化較為均勻。表15 驗(yàn)算“弧垂最低點(diǎn)最大張力不超過(guò)其導(dǎo)、地線拉斷力的70%”,覆冰工況下線內(nèi)跨中最大動(dòng)張力滿足要求。

圖8 導(dǎo)線脫冰跨中位移時(shí)程Fig.8 Time history of line stripping

圖9 導(dǎo)線張力時(shí)程Fig.9 Time history of the line s tension

表14 中導(dǎo)線脫冰張力變化值Tab.14 Tension variation of line stripping

表15 中導(dǎo)線張力驗(yàn)算Tab.15 Checking of the tension of lines

4.2 橫擔(dān)分析結(jié)果

繪出中、邊橫擔(dān)壓桿軸力時(shí)程如圖10 所示。由圖可知,第三檔脫冰對(duì)靠近脫冰檔的塔2 與塔3 影響更大。

對(duì)于邊橫擔(dān),全跨覆冰時(shí)塔3 的兩橫擔(dān)兩壓桿均承受約8.5kN 的壓力,塔2 脫冰檔側(cè)橫擔(dān)在3.2s 時(shí)承受的壓力達(dá)到峰值15kN,塔3 靠近脫冰檔側(cè)橫擔(dān)在3.3s 時(shí)承受的壓力達(dá)到峰值14kN。

圖10 橫擔(dān)壓桿軸力時(shí)程Fig.10 Time history of arm s axial force

全跨覆冰時(shí)塔3 的兩橫擔(dān)兩壓桿均承受約5kN 的壓力,塔2 脫冰檔側(cè)橫擔(dān)在3.2s 時(shí)承受的壓力達(dá)到峰值8.5kN,塔3 靠近脫冰檔側(cè)橫擔(dān)在3.3s 時(shí)承受的壓力達(dá)到峰值9kN。

4.3 絕緣子分析結(jié)果

表16 列出了三個(gè)覆冰脫落工況下的中、邊導(dǎo)線的絕緣子軸力值。可以看到,在脫冰后的“冰跳”過(guò)程中絕緣子桿軸力未超過(guò)覆冰靜軸力。

表16 絕緣桿軸力Tab.16 Axial force of insulators

4.4 整塔分析結(jié)果

表17 列出了與各工況下三基塔有冰與脫冰兩側(cè)塔頭X向位移的最大值。圖11 繪出了邊導(dǎo)線覆冰工況下各塔塔頭的位移時(shí)程。

表17 塔頭位移Tab.17 Tower s displacement

圖11 邊導(dǎo)線脫冰塔頭位移Fig.11 Tower s displacement of sideward detachment

通過(guò)提取各塔塔頭位移時(shí)程來(lái)研究導(dǎo)線脫冰對(duì)輸電塔的整體沖擊。可以看到,各工況下塔頭位移最大值不超過(guò)0.02m。導(dǎo)線脫冰后2 塔與3塔塔頭位移響應(yīng)明顯大于遠(yuǎn)離脫冰檔的1 塔,最大位移出現(xiàn)在脫冰后2.1s,最大值為0.013m?？梢?jiàn)覆冰脫落對(duì)整塔沖擊的影響普遍較小。

5 結(jié)論

本文建立了500kV 單回路復(fù)合橫擔(dān)直線塔的有限元梁桿模型及3 塔4 線塔線體系模型,通過(guò)動(dòng)力時(shí)程模擬得出500kV 單回路三相復(fù)合橫擔(dān)直線塔在斷線工況與覆冰工況下的動(dòng)力響應(yīng),分析整塔各部件響應(yīng)的變化情況,主要得出以下結(jié)論:

1.斷線與覆冰的動(dòng)力工況下本檔導(dǎo)線在沖擊作用下均會(huì)產(chǎn)生垂直導(dǎo)線方向反彈,并且最終穩(wěn)定與平衡位置上方。導(dǎo)地線內(nèi)張力在動(dòng)力過(guò)程中最高可提升30% ～40%,但仍遠(yuǎn)小于斷線張力的70%,安全儲(chǔ)備能夠滿足工程需要。

2.斷線工況下橫擔(dān)位移最大值為0.0141m,符合規(guī)范3H/1000 的限值規(guī)定,橫擔(dān)桿材與管材剛度較為充足。

3.絕緣子串子桿軸力在斷線與覆冰工況下提升明顯,提升幅度最大可達(dá)50%。在絕緣子設(shè)計(jì)中,串子桿受力性能應(yīng)當(dāng)?shù)玫奖ＷC。

4.各動(dòng)力工況下的整塔響應(yīng)均保持在較小水平,斷地線工況下塔頭位移達(dá)到最大值0.12m,塔身剛度儲(chǔ)備足夠。