输电线路在冰风荷载作用下的可靠性研究

2020-10-27刘玥君张新语郭峻菘

东北电力大学学报 2020年5期

刘玥君，张新语，郭峻菘，张猛

(1.东北电力大学建筑工程学院，吉林吉林 132012；2.吉林市城乡规划研究院，吉林吉林 132001)

架空输电线路大多建于偏远地区，气候较为恶劣，输电线路在冰风荷载作用下遭受的事故屡见不鲜，因此研究输电线路在冰风荷载作用下的可靠性问题是非常必要的.国外对输电线路在冰风荷载作用下的可靠性研究起步比较早.A.Y.Shehata等采用有限元软件对强风作用下输电塔-线体系的动力响应进行了深入分析，为改进输电塔-线体系的抗风设计和应用提出了有效建议[1].Yang F等人利用有限元模型在考虑覆冰刚度的情况下进行导线断裂试验，结果表明模拟值与试验值基本一致[2].Li Qin，Wei Lin-peng，Wei Han等利用RSM(响应面法)对大跨越输电塔-线体系进行可靠性研究[3].S.C.Yang，T.J.Liu，H.P.Hong等利用改进的Monte-Carlo法分析了结构体系的可靠性[4].相对于国外，国内对输电线路在冰风荷载下的可靠性研究起步较晚.屈成忠，张恒涛等以广东某输电线路为背景，建立塔线体系有限元模型，对铁塔进行抗风能力评估和稳定性分析[5].李妍等以某高压输电塔为基础，针对输电塔-线隐式非线性动力可靠度进行分析[6].侯景鹏应用ANSYS有限元分析软件建立了500 kV猫头直线塔，分析比较了该模型在静力风荷载和脉动风荷载作用下的风振响应[7].赵桂峰与李杰等通过有限元软件ANSYS模拟了非线性风振响应过程，并与实测的数据进行对比分析[8].俞登科等通过引入大矩阵计算出输电塔-线体系的整体可靠度[9].李正良，施菁华等以哈密-郑州800 kV特高压直流输电工程中的一段塔-线耦合体系为研究对象，开展了一系列的风洞试验研究[10].杨文刚，王璋奇等应用Newmark法，研究了在脉动风荷载作用下，我国特高压输电塔-线体系的风振响应[11].史天如等以220 kV猫头型直线塔作为模拟实例，根据系统的分析和计算结果的可靠性及线路所在地区的气候条件给出了对应防灾措施的建议[12].目前我国关于输电线路在冰风荷载作用下相关的研究都非常匮乏，因此，开展对输电线路在冰风荷载作用下的可靠性研究具有重要意义，并在此基础上分析目前覆冰输电塔在其设计建设以及维护管理过程中的一些不足之处，以便更好地理论结合实际确保大电网安全可靠运行.

1 覆冰输电塔-线耦合体系模型的建立

本文研究主塔型号为ZM2k型猫头塔，导线型号为4×LGJ-630/45钢芯铝绞线，绝缘子采用陶瓷绝缘子，包含12片绝缘子，单片绝缘子长155 mm，绝缘子串总长1.86 m.输电塔全高45 m，呼高42 m，水平档距400 m，设计电压等级220 kV.通过ANSYS有限元软件建立输电塔-线耦合体系模型，如图1所示.

图1 塔-线耦合体系有限元模型

为了验证输电塔-线建模合理，采用模态分析法对其进行验证.提取输电塔-线耦合体系部分振型如图2所示.由各阶振型图可以看到，输电塔-线耦合体系的自振频率随着阶数的增加而变大.在低阶时，输电塔-线耦合体系的振型往往是一条导线或者地线的振动；在高阶时，输电塔-线耦合体系往往是两条导线或者一条地线和一条导线的振动.

图2 输电塔-线体系振型图

应用改变密度法分别模拟5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm厚度的覆冰，分析出输电线路的材料属性是随着覆冰厚度增加不断变化的.覆冰厚度增加的同时输电塔与导地线的等效直径、等效截面积、等效体积和总质量都是增大的，但等效密度是随着覆冰厚度减小的.为了简化有限元模型，假设输电-塔线体系各部分均匀覆冰5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm，取冰的密度为0.9 g/cm3，由于输电线路的档距远远大于导线的直径，所以在此不考虑刚度对输电线路的影响.覆冰后输电塔-线耦合体系的自振频率，如图3所示.由图3可知，随着覆冰厚度的增加，输电塔线-体系的自振频率在逐渐减小，且在覆冰厚度由10 mm增加到15 mm时变化最大.

图3 覆冰输电塔-线体系自振频率图

2 脉动风荷载的数值模拟

选取输电塔-线体系上的风速模拟点，如图4所示.采用谐波合成法模拟脉动风荷载，输电塔从上到下取11个点，在导地线上分别选取风速模拟点，两跨导线上每支导线选取12个风速模拟点，同样的，地线上也要选取12个模拟点，故在输电塔-线结构体系上共模拟了47个风速点.

图4 输电塔-线结构体系风速模拟点分布图

根据我国规范，设输电线路在高度10 m处的平均风速为V10=5 m/s、V10=10 m/s、V10=15 m/s三种工况，地面粗糙度系数k=0.005，脉动风速时间间隔为0.1 s，频率步长为0.01 Hz，选择Davenport谱模拟输电塔-线耦合体系上选定的47个脉动风速模拟点，生成了200 s的风速时程数据与图像.以10 m高度处平均风速V10=10 m/s为例，可以得到输电塔-线耦合体系在该地区高度为10 m处的脉动风速图、风速自谱图、合成风速图，分别如图5、图6、图7所示.并将模拟的风速功率谱与Davenport目标功率谱曲线对比可知，两条曲线趋势一致且数值相近，论证了风速时程模拟的正确性.

图5 脉动风速谱图图6 风速自谱图

图7 合成脉动风速图

3 覆冰输电塔-线耦合体系在风荷载作用下的响应分析

3.1 塔顶位移时程响应分析

输电塔作为高耸结构，其结构的最高点在冰风荷载作用下的最大响应位移应该是整个结构所有节点中最大的，于是以输电塔最高点523号节点进行分析.通过在标准高度10 m处平均风速V10=5m/s、V10=10 m/s和V10=15 m/s，输电-塔线体系各部分均匀覆冰0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm和30 mm，共计二十一种组合工况下模拟冰风荷载，进而生成位移时程曲线进行对比分析.

将模拟得到的风速时程转化为节点的风压时程，通过ANSYS有限元软件进行风振响应的模拟.在标准高度10 m处平均风速V10=5 m/s、V10=10 m/s和V10=15 m/s三种风荷载与不同覆冰厚度组合作用下，523号节点最大位移如图8所示.

图8 523号节点最大位移图

由图8可知，523号节点的位移风振响应随着风速的增加和覆冰厚度的增加而逐渐变大，在10 m高度处风速V10=15 m/s、覆冰厚度H=30 mm时达到位移最大值，其值为0.292 8 m.在风速相同的情况下，输电塔-线体系在覆冰厚度从10 mm增加到15 mm时，输电塔架位移增加值最大，最高可增加0.061 8 m.

3.2 导地线位移时程响应分析

在标准高度10m处的平均风速为V10=5 m/s、V10=10 m/s和V10=15 m/s三种工况模拟的脉动风荷载作用下，不同覆冰厚度下980号节点与1056号节点最大位移，如图9、图10所示.

图9 980号节点最大位移图图10 1506号节点最大位移图

由图9、图10中也可以看到，980号节点与1506号节点的位移风振响应随着风速的增加和覆冰厚度的增加而逐渐变大，分别在10 m高度处风速V10=15 m/s并且30 mm覆冰时达到位移最大值，地线最大值为2.2674 m，导线最大值为4.6723 m.在风速相同的情况下，输电塔-线体系在覆冰厚度从10 mm增加到15 mm时，位移增加值最大，地线位移最高可增加0.944 0 m，导线位移最高可增加0.925 9 m.将在各工况下的数据进行拟合得出一次功能函数为

Dmax=-0.063 24+0.0124 2v+0.005 17H.

(1)

4 覆冰输电塔抗风动力可靠度分析

结构的破坏主要有刚度、强度、疲劳破坏，对于输电塔这种高耸结构而言，刚度破坏更适用于计算结构可靠度，因此选择输电塔结构的刚度失效为失效准则.根据我国输电线路规范，在风速为5 m/s且无覆冰情况时，输电塔的极限位移值为3 h/1 000，为了保证输电塔在不同地区的稳定性，假设输电塔的极限位移为塔高的千分之一，即输电塔架最高点的最大位移超过输电塔高Ht的1/1 000时，认为输电塔刚度失效.根据极限状态方程，可得功能函数

Z=10-3Ht-Dmax.

(2)

将公式(1)代入公式(2)，整理可得

Z=0.108 24-1.24×10-3v-5.17×10-4H.

(3)

由公式(2)可以得到，功能函数Z的值随着是风速v和覆冰厚度H的增加单调递减，这是由于覆冰塔架的最大位移Dmax在脉动风荷载作用下，风速越大、覆冰厚度越厚，最大位移值越大，可靠指标越小.即当Z>0时，结构正常；当Z=0时，结构处于极限状态；当Z<0 时，则认为结构失效.基于响应面法得到输电塔的一次功能函数的表达式后，应用Monte Carlo法计算结构可靠度.可计算出输电塔的可靠指标β为1.432 94.同时也分析了当覆冰或风速为定值，改变另一变量时的输电塔结构的可靠度.根据输电塔-线耦合体系的风振响应分析得到，体系最高点的最大位移随着风速和覆冰厚度的增加而不断增加，可靠度指标随之减小.为了方便分析，以10 m高度处平均风速v=10 m/s，H=30 mm时为例，输电塔的可靠度如表2、表3所示.

表2 覆冰厚度H=30 mm时不同风速下塔架的可靠度

表3 风速v=10 m/s时不同覆冰厚度下塔架的可靠度

分析结果表明，在风速逐渐变大与输电塔-线耦合体系上的覆冰逐渐变厚的同时，输电塔的可靠指标和可靠概率在逐渐变小；风速的改变对结构的可靠指标影响较大，可靠度指标随风速的增加急剧减小；覆冰厚度对结构的可靠指标影响较小，可靠度指标随覆冰厚度的增大而慢慢减小.在计算二次功能函数中风速与覆冰厚度两个变量的相关性时，得到当两个变量都为定值时，输电塔的可靠指标与相关系数成反比，并且根据公式可以得出当覆冰厚度与风速的相关系数为1时，输电塔可靠指标达到最小；当相关系数为-1时，可靠指标最大，两极值相差5.3%，证明了随机变量的相关性会影响到结构可靠度的计算结果.