覆冰输电线路导线脱冰对塔线耦合体系动态响应的数值分析

杨晓持

【摘 要】文章通过搭建输电线路特殊區域的塔线耦合体系的有限元模型，以数据的形式模拟了覆冰厚度、脱冰概率、脱冰位置以及结构系统的档距、高差等参考数据对线路脱冰动态特征的影响，描述了导线脱冰之后，导线的中点位置移动振荡的幅度、导线不平衡的拉力以及绝缘子串途径线路方向的摆动幅度等与实践变化的关系，并对线路的设计给出有效的建议。

【关键词】覆冰输电线路导线脱冰;塔线耦合体系;动态响应

引言：输电线路脱冰，其实就是在各种外力气候因素的影响下，覆冰导线整体或部分脱冰的情况，进而引起线路跳闸或输电塔振动，导致地线短路、金具损坏、断股断线、输电塔不稳坍塌等事故发生。本文将对覆冰输电线路导线脱冰对塔线耦合体系的动态响应数值为论点，分析脱冰给塔线耦合体系的安全带来的不利影响。

1.两塔三档塔线耦合体系的力学模型

通过ANSYS搭建特殊区段两塔三档塔线耦合体系的有限元模型，如图一所示，各档间的距离为400米，其中导线最开始的战力为32kn，弧度为5.9米和2.79米。

2.覆冰的厚度对脱冰的影响

设立对中间相的导线进行脱冰，其概率为百分之50，不同部分厚度覆冰下不同导线的中心点唯一曲线、导线的水平张力。覆冰越厚，导线跳跃导致的最大高度偏差不超过5米，导线跳跃的幅度随覆冰厚度增加而增大，且四条曲线具有一致的特征，在三个振荡周期过后，振荡的幅度迅速减小，曲线逐渐接近平稳。从数值模拟的结论中可以得知，覆冰厚度超过40毫米时，超过单线所能承载的符合，导线拉断。

基于绝缘子串受到不同导线不平衡的拉力，在导线脱冰后，绝缘子串会线路方向的摆动[1]。脱冰率的增加也促进绝缘子串振动的位置发生转移。

3.脱冰的位置对于输电线路脱冰作业的影响

在输电线路档距内，导线全档同时脱冰，不同脱冰位置的脱冰动力响应，脱冰位置越靠近导线的中心，则导线中心点的脱冰跳跃振动的幅度越大，其水平张力幅度也逐渐增大，一致于振荡曲线的变化趋势。

4.档距对输电线路脱冰的影响

假设不同档距来研究档距杜宇输电线路脱冰响应的具体影响，各种事故情况下最开始的张力为32kn，覆冰的厚度为20毫米，只将第二档脱冰，其脱冰率为百分之50，不同档距下的墨子能够在脱冰后的中心点竖直位移曲线。可以得知，档距的增大与导线覆冰后的幅度成正比，进而致使脱冰跳跃幅度好的振动周期也也逐渐增大。各档在脱冰后导线的水平张力，档距越大覆冰后导线的张力也就越大，其振动幅度也逐步增大，但在三个振荡周期后，振荡幅度会大范围减小。

5.输电塔高度差距对输电线路脱冰响应的影响

基于输电线路所处地形的复杂多样，导致不同地域的输电塔有着不同的高度差异，因此输电塔的高度差异可能会对输电线路的脱冰带来什么样的影响，是十分有意义的关注点[2]。以此为探究点，建立三个不同档距的模型，第一档与第三档之间不存在高度差距，仅让第二档有高度的差异。导线间的档距为400米，覆冰的厚度20毫米，仅将第二档脱冰，其余档不动，其脱冰率为百分之50。三种不同高度差距下导线中心点的唯一曲线，输电塔的高度差距在输电线路脱冰的初级阶段，其导线中心点位移的影响很小，特别是对于其最大的跳跃高度，其影响可以忽略不计。较高的悬挂点处的导线的张力曲线，可得知，输电塔的高度差越大，相同档距下高悬挂点的张力就越大，在可研究的输电塔高度差距范围内，导线张力曲线的振幅都在三个周期后急速减小，基本等同于其他不同档距作用下的结果。

6.对于电力隧道衬砌结构有限元的分析

近几年飞速发展的国民GDP，让电力建设的发展在收获了更多机遇的同时也面临着全新的改革与挑战[3]。我国城镇化建设的不断推进让居民的生产生活更加的依赖于电力资源，电力电缆的建设逐渐向电缆回路多、电力工程规模浩大的方向迈进，以最大限度的确保城乡居民稳定安全的用电服务。在电力电缆工程积极的更新与发展过程中，电力电缆隧道衬砌结构的设计，是工程应用的主要手段，其常见的方法是有点远计算软件的应用。将电力电缆的衬砌结构以有限单元为单位进行划分，借助梁单元来模拟衬砌结构，通过弹性链杆单元来模拟隧道衬砌与围岩之间的相互作用关系，以隧道衬砌所承受的荷载作为节点荷载，加之衬砌单元之上，并且对衬砌单元的边界施加约束条件，进而进行应力计算的分析。在计算收到衬砌单元的内力后，再对衬砌进行截面检查计算，同时进行配筋的计算。此种计算方法在使用时过于繁复，并不适用于电力工程的施工。

全新的计算方法研究，是以有限元计算为基础，充分与不同形式的隧道衬砌结构的不同受力状态进行有效结合，以拉锯位移法为手段，按照各种规章准则为依据，对电力施工常见的电缆隧道衬砌结构、车辆的荷载计算以及施加的弹性链杆单元、节点坐标的计算等步骤进行了整理划分和充分的整合拓展，借助FORTRAN90语言，进行电力电缆隧道衬砌结构设计软件PT的编制，仅电力电缆的衬砌结构单元进行受理方面的分析。将PT与有限元分析软件ANSYS的计算结果进行分析比较，以此来优化改进电力电缆的隧道衬砌厚度。依照相关文件对于电力电缆隧道衬砌结构内力的计算方法--矩阵位移法，应该计算围岩对衬砌变形的约束作用力例如弹性抵抗力[4]。弹性抵抗力的大小及其分布可以依照衬砌在荷载作用下的变形以及回填的情况，再加上围岩的变形性质等因素来进行计算。

但由于地下空间范围资源的约束，隧道的埋深程度越来越大，进而增大了衬砌结构所受到的围岩荷载，也致使衬砌结构的设计厚度也越来越大。这不利于工程资源的节约，会给工程的经济效益带来负面影响。

结语：基于本文的探索，应充分重视在设计输电线路时，脱冰对于塔线耦合体系动态响应的影响，并且结合考虑冰风载荷的共同作用因素。编制电力电缆隧道衬砌结构的设计软件，构建复合式的衬砌结构符合模型，对其实行有限元的计算。将PT与ANSYS对电力电缆隧道衬砌结构进行受力好的计算结果对比分析，以适当的改进隧道衬砌结构的厚度设计。

参考文献：

[1] DL/T 5484-2013.电力电缆隧道设计规程[S]

[2] 隧道工程[M]：长沙：中南大学出版社，2014

[3] 隧道结构力学计算[M]：北京：人民交通出版社，2012

[4] 胡国良 任继文.ANSYS 13.0有限元分析实用基础教程[M].北京：国防工业出版社，2012

（作者单位：中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司）