重冰区接地极线路铁塔塔线耦合对塔重影响分析

2020-07-07陈顺

建材与装饰 2020年19期

陈顺

（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都 610041）

0 引言

直流特高压输电工程接地极线路是连接极址和站址的重要线路，接地极铁塔是接地极线路运行的支柱，对输电线路的运行安全有着决定性影响，同时，接地极铁塔的投资也是线路本体工程最大的一部分，现阶段重冰区接地极铁塔设计时，为单个铁塔进行设计，未考虑塔线耦合作用对塔的影响，分析重冰区接地极线路塔线耦合作用很有意义。

1 重冰区接地极塔线模型

输电铁塔设计模型主要为杆单元模型，杆单元模型将铁塔所有的杆件均假定为是由杆单元，不考虑弯矩作用，节点都视为理想铰接点，不能传递弯矩，计算过程中，铁塔模型的实际刚度要略小于计算模型的刚度。这种模型不能考虑主材连接节点能传递弯矩，主材受到附加弯矩影响。本文采用梁杆单元混合模型中，铁塔的塔身主材、横隔面主材部分是梁单元，塔身斜材、腿部斜材部分是杆单元，主材能承受弯矩。梁杆单元混合模型的计算刚度与杆塔的实际受力情况较为吻合。

输电线路导地线是一种只能承受拉力的柔性构件，不能承受压力和弯矩。受初始拉力和自重作用，导地线形状呈悬链线。导地线模型建立的关键是导线受力的模拟，导地线的初张力、水平档距、垂直档距、高差系数等参数，按照实际线路的受力状况考虑。导地线的形状通常用悬链线模拟导地线的几何形状，确定导线在初始拉力在自重及作用下的初态，用解析法将其表示出来。

本文将导地线划分有限单元网格时，将接地极导地线离散成一系列的索单元。常用的离散方法有直线单元法、抛物线法以及悬链线法。其中，直线单元法是将索单元看成为只承受拉力的单元，将荷载作用到节点上，当线内初张力远大于导地线自重导致的张力时，适用于直线单元法[1]。抛物线单元法是在分析单个索单元时，把该单元受到的均布载荷看作与索单元的弦向相垂直的荷载，当导地线的绕度较大或者导地线的两端大高差大档距时，产生的误差会较大[2]。

在进行导地线的分析模拟时，其弧垂最低点的水平应力是描述导地线形状函数的参数之一。假定在导地线挂点两端，挂点之间不考虑高差，在线路档距内[3]，导地线的受力状态如图1所示。

图1 导地线状态

其导地线形状曲线方程为：

导地线的形状曲线方程近似为抛物线线型：

式中：f-最大弧垂；l-档距；g-重力加速度；σ0-初始应力。

可得：H=常量，这里H为索单元的张力T沿局部坐标系X轴的分量。

输电塔体系多个塔组成一个耐张段，为多跨体系，在建模分析的时候考虑无限多跨不现实。在分析时取一跨或两跨组成的耐张段进行研究。在模型中，确定边界条件就显得非常重要。通常可以采用弹簧单元模拟相邻档绝缘子串对导地线的影响[4]。

1.1 导地线的纵向刚度

采用近似抛物线模型计算输导地线处理远端的边界条件。抛物线法假定导地线的自重沿导地线均匀分布，

取导线的一微段dx，受力分析：

其中：θ-导地线方向与水平方向夹角。

解方程可得导地线单元的曲线方程为：

上述过程未考虑相邻耐张段对本跨的影响，相邻耐张段的影响主要体现在导线x方向刚度的修正上。

1.2 刚度计算

边界处相邻耐张段通过刚度集成得到的竖向刚度、横向刚度。定义接地极铁塔的刚度为Kt，绝缘子串的刚度为Kj，导线的刚度为Kd。则总的刚度矩阵有如下表达式：

具体分解成三个方向有：

（1）竖向刚度。由接地极输电塔横担处竖向刚度和绝缘子串刚度组成。

（2）侧向刚度。由接地极输电塔刚度和绝缘子串刚度组成。

（3）沿线向刚度。由导地线刚度、接地极铁塔刚度和绝缘子串刚度组成。

导地线绝缘子的边界条件假定对导地线的受力分析有较大的影响。本文导地线边界条件采用铰接约束。

利用某有限元软件建立重冰区接地极铁塔计算模型，计算接地极ZT202前10阶模态与用Smarttower建立的模型模态基本是一致，说明用有限元软件建立的模型与计算模型基本吻合。

本文采用梁单元模拟接地极铁塔的主材，采用杆单元模拟斜材。采用三维仅受拉杆单元模拟导地线，三维杆单元单元模拟绝缘子建立接地极塔型体系模型。

图3 铁塔有限元模型

图2 塔线耦合有限元模型

2 不均匀覆冰荷载施加

在导地线均匀覆冰情况下，不同的覆冰厚度会使导地线产生不同的应力，在设计接地极时需要到导地线的这个特性。建立导地线模型时，覆冰荷载模型考虑为横截面均匀的弹性体。导地线模型施加覆冰荷载通常是采用下述三种方法：

2.1 导地线密度增大法

改变导地线密度，增加导地线自重模拟导地线覆冰，导地线覆冰后的冰和导线成为一个整体，即冰和导地线线单元紧密结合一起。增加导地线的密度来模拟导地线的覆冰荷载自重增大，减少导地线密度模拟导地线的脱冰工况，当一侧密度大，一侧密度小时，则认为是不均匀覆冰。

2.2 附加冰单元法

利用生死单元的模拟导地线的覆冰和脱冰现象，用激活该单元的“生”来反映导线的覆冰，用单元的“死”来模拟脱冰现象。

2.3 附加力模拟法

通过对导地线节点均匀施加外力来模拟导地线的覆冰工况，当释放此外力时，模拟导地线脱冰工况。本文该种方法进行不均匀覆冰荷载的施加，一侧施加该外力，一侧释放此外力。塔身风荷载按照规范计算各节点的塔身风，施加到个节点上。

3 接地极塔线体系求解

对于直线塔ZT202；设计条件30m风，20mm冰，不考虑塔线耦合，控制荷载组合为所有导地线后侧脱冰，前侧正常冰，90°风向[6]。用有限元软件计算ZT202模型腿部主材的内力。腿部主材内力为439.4kN，用Smarttower计算的443.34kN，误差很小。

考虑塔型耦合时，一侧导线覆冰，一侧脱冰。采用附加力模拟法，一侧加均布荷载，一侧不加，考虑塔线耦合时，塔腿主材内力为426.8kN，比不考虑塔线耦合时小12.6kN，减小约为3%。提取导线挂点处的作用力，节点190处纵向力Fy=17.98考虑塔线耦合时，节点190处的Fy=16.59kN，减少约8%；由此可见塔线耦合可以减少接地极铁塔的不平衡张力，如图4、图5所示。

耐张塔JT201，设计条件30m风，20mm冰，不考虑塔线耦合时，控制工况为正常复冰，有不平衡张力，通过计算塔腿主材最大轴力为801.8kN，采用Smarttower计算塔腿最大主材为808.5，误差为1%，说明有限元软件计算的结果比较精确。考虑塔线耦合，考虑塔线耦合时，塔腿主材内力为775.39kN，比不考虑塔线耦合时小26.4kN，减小约为3.4%。提取导线挂点处的作用力，节点350处纵向力Fy=158.22考虑塔线耦合时，节点350处的Fy=143.4kN，减少约10%；由此可见塔线耦合可以减少接地极线路耐张塔的不平衡张力，如图6、图7所示。