基于ANSYS的地线支架覆冰失稳原因分析

洪建平，曹雷，邓长征，王鸿

(1.湖南省电力公司常德检修公司，湖南 常德 415000;2.三峡大学，湖北 宜昌 443000)

1 引言

自2008年冰灾以来，我国南方地区多次出现输电线路覆冰事故，给电网建设带来巨大损失［1］。目前，由于过电流融冰法、短路电流融冰法以及直流电流融冰法等大电流融冰法的广泛应用，导线覆冰得到了有效解决，但地线覆冰目前仍然没有很好的解决方法。在“冰害”的超强外力作用下，地线支架不能承受其荷载就会出现受损失稳甚至垮塌的情况，导致档距内导、地线弧垂移位，出现导、地线交叉现象及安全距离不够等事故，严重影响了输电线路的正常运行。

本文以某条500 kV输电线路JZ2型直线塔地线支架为研究对象，结合现场调研情况，利用ANSYS软件建立地线支架、中横担、边横担以及上曲臂模型，进行最大覆冰工况下受力计算，对地线支架受损垮塌的原因进行了深入分析，并将分析结果与地线支架的实际破坏情况进行对比，找出地线支架失稳的根本原因—地线支架承受的压应力远远超过了其欧拉应力［2］。最后根据地线支架失稳垮塌原因，提出补强建议，为线路运行单位提供参考。

2 地线支架覆冰失稳事故分析

近年来，自然环境日趋恶劣，长时间、高强度、大面积的冰冻灾害天气是地线支架失稳垮塌的先决条件［3］，特别是山区的微地形、微气象条件，白天和晚上温差比较大，雨、雪交替出现加重了导、地线的铁塔的覆冰情况。罕见的恶劣天气固然是一个重要原因，但也揭露了线路覆冰设计标准较低，经不起极端冰雪天气的考验。该条线路设计于2007年，设计覆冰厚度为15mm，且穿越山区，线路高差较大。据现场勘测显示，冰厚一般为30mm，有些地区达到35mm，导线不均匀覆冰厚度超过10mm，远远超过了线路设计标准。当地线覆冰积累到一定体积和重量后，地线重量倍增，超过地线支架的极限荷载承受能力时，地线支架局部失稳，顶端弯曲变形。当覆冰继续加重，严重超过地线支架的承受能力时，地线支架整体失稳垮塌［4］，见图1。

图1 地线支架整体失稳垮塌

3 受损地线支架的ANSYS分析

3.1 有限元模型建立

某500kV输电线路JZ2型直线塔，塔高32m，线路通过山区微地形、微气象区，导线为4×LGJ－400/35，地线为GJ－100，绝缘子型号为 FXBW4－500/300，水平档距Lh=450m，垂直档距Lv=600m。根据现场调研发现，该JZ2型直线塔只是地线支架受损，其他部分完好。因此，本文ANSYS建模只建立该铁塔地线支架、中横担、边横担以及上曲臂四部分进行仿真分析［5］。考虑到输电铁塔在实际运行中各杆件均需承担不同的剪力和弯矩，且结构具有较强的几何非线性，故输电各杆件均采用自定义截面形状的BEAM188梁单元建模。铁塔主材采用Q345角钢，辅材采用Q235角钢，各杆件单元节点搭接成一个整体。ANSYS模型单元划分的密度理论上越高越好，但是根据铁塔的制造规范，确定单元边缘长度为100mm，网格划分后的地线支架模型见图2。

图2 地线支架模型

3.2 荷载计算

本文分析JZ2直线塔在最大覆冰、有相应风速、未断线工况(最大覆冰 30mm，风速 10m/s)下的荷载［6，7］，估计地线金具重量 GJB=100N，地线有关参数见表1，微气象有关参数交表2。

表1 地线有关参数

表2 微气象有关参数

地线垂直荷载标准值:

GB=(γ1ALV+GJB)+［γ2ALV+(K －1)GJB］=26786(N)地线风压荷载标准值:

PB=γ5ALP=2475(N)

地线垂直荷载设计值:

GB=1.2(γ1ALV+GJB)+1.2［γ2ALV+(K －1)GJB］=32143(N)

地线风压荷载设计值:

PB=1.2γ5ALP=2970(N)

3.3 加载与求解

根据概率极限状态设计法原理，用荷载的设计值来校核地线支架的强度，对上曲臂的四个脚点处的节点进行约束，包括X、Y、Z和其自由度都设为0，分析结果见图3。

图3 地线支架强度变形云图

通过对地线支架在最大覆冰工况下进行ANSYS受力分析，得出如下数据，见表2。

表3 地线支架最大应力值

4 计算结果分析

本铁塔采用Q235和Q345两种材质的钢材，其抗拉强度和抗压强度几乎相等，分别为310Mpa和210Mpa［8］。地线支架在最大覆冰时承受的拉应力和压应力最大，但均未超过其抗拉强度和抗压强度，由此可以推测“地线支架垮塌原因为其承受的压应力超过了受压失稳的临界应力(欧拉应力)”。

单独分析受压应力最大的杆，杆长1285mm，截面为∟50×4，该杆为两端铰支，长度因素u=1，柔度极限值 γ1=100，ix0=1.92cm，iy0=0.98cm，角钢截面见图4。

图4 角钢截面图

因此，该杆为大柔度杆，欧拉应力为:

综上所述，该地线支架失稳垮塌是其承受的压应力远超出其欧拉应力所致。在长时间的覆冰超载作用下，地线支架由局部变形逐渐演变成整体失稳，导致档距内导、地线弧垂移位，出现导、地线交叉现象，与现场照片基本吻合。

5 结语

本文以某条500kV输电线路JZ2直线塔受损地线支架为研究对象，运用ANSYS软件建立地线支架、中横担、边横担以及上曲臂模型，对其在微气象条件、最大覆冰工况下进行受力分析，从分析结果可知导致地线支架失稳垮塌是其承受的压应力远超出其欧拉应力所致。针对地线支架失稳原因，可以适当增加地线支架辅材，将受力较大的杆件由大柔度杆改为中柔度杆，以增加其稳定性。

［1］许树楷，赵杰.电网冰灾案例及抗冰融冰技术综述［J］.南方电网技术，2008，4，2(2):1 －6.

［2］刘鸿文.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2004.1.

［3］吴向东，张国威.冰雪灾害对电网的影响及防范措施［J］.中国电力，2008，41(12):14 －18.

［4］包永忠，冯德奎，等.输电线路铁塔抗冰设计［J］.电网与清洁能源，2009，25(11):13 －16.

［5］段进.ANSYS10.0结构分析从入门到精通［M］.北京:北京科海电子出版社，2006.

［6］陈祥和，刘在国，肖琦.输电杆塔及基础设计［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［7］孟遂民，孔伟.架空输电线路设计［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［8］陈绍蕃，顾强.钢结构［M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.