钢铝混合门式输电塔试验方案设计与仿真研究

张 鸣 屈 勇 张 栋 方燕华 赵 爽 方子帆

(1.广东电网有限责任公司 佛山供电局,广东 佛山 528000;2.佛山电力设计院有限公司,广东 佛山 528000;3.三峡大学 机械与动力学院,湖北 宜昌 443002)

输电塔线系统是架空输电线路中最为关键的单元,是国家最为重要的电力生命线,其中输电塔又极易由于各种恶劣极端工况而造成断线、倒塔等事故发生.原有的抢修塔在抢修过程中需打多条临时拉线,而现场通常由于场地等原因不具备打拉线的条件.鉴于此,本文设计出一种在输电线路发生破坏,电力供给中断等情况下,能够继续满足电力需求110 k V 的1C1W6-JZQL型抢修塔.该塔是根据广东省典型气象条件和应急抢修导地线型号研发设计的单回路铝合金自立式抢修塔,可以避免因拉线抢修塔占地面积较大,在场地环境受限条件下无法展开抢修的问题.该塔采用双地线、三角形排列导线及直线耐张通用设计的思路,其杆塔结构采用主柱模块化设计,材料为铝-钢混合材料[1-3].由于采用模块化设计,该抢修塔施工简单、安装方便,其安全可靠性、经济合理性均对高压线路的抢修应用具有十分重大的意义.对该结构进行模态分析[4],获取结构薄弱部位并进行增强.为了保证真型试验的安全性和可靠性,结合工况和真型实验场条件设计了4种典型工况,根据这4种工况对抢修塔进行有限元仿真分析[5-6],进一步调整结构,为后续抢修塔真型试验的研究提供了理论基础.

1 铝合金抢修塔的结构参数

1.1 呼称高度的设计

铝合金抢修塔的呼称高度与档距、地理条件、电压等级、气象及电气条件等因素有关.通过调研广东省近15年的气象,得出南方气象特点见表1.

表1 南方气象特点

抢修塔下横担的下弦边缘线到地面的垂直距离H为杆塔的呼称高度,如图1所示.

图1 杆塔呼称高度示意图

呼称高度是杆塔的基本高度,采用公式(1)进行计算:

式中:λ为悬垂绝缘子串的长度(m);fmax为导线的最大弧垂(m);h x为导线到地面及被跨越物的安全距离(m);Δh为施工裕度(m).

国标GB 50061—2010、GB 20545—2010 规定,根据操作过电压及雷电过电压要求,110 k V 绝缘子串绝缘子片数不少于7片且单片绝缘子长度不低于146 mm.为了达到使用条件,选择10 片长度为150 mm 的单片绝缘子,故悬垂绝缘子长度λ为1.5 m.绝缘子串型号及参数见表2.

表2 绝缘子型号及参数

导线的最大弧垂可利用最高气温情况求得应力,然后根据最大弧垂的计算公式来计算,即:

式 中:γ为比载(MPa/m);Lj为水平档距(m);σ为 导线最低点的应力(MPa).

选取的导线参数见表3.

表3 导地线型号及参数

根据上述参数可计算出比载及导线在最低点应力,选择两塔水平档距为350 m,由式(2)计算得到导线最大弧垂fmax为7.5 m.

导线到地面及被跨越物的安全距离h x是指导线在最大弧垂时导线对地面上的构筑物及架空电线等跨越和交叉的最小距离.根据《架空输电线路设计规范》可得,110 k V 输电塔的导线对地面的最小垂直距离为7 m,安全考虑取h x=8.5 m.施工裕度Δh是考虑抢修塔在安装过程中出现误差而预留的宽度,Δh一般取0.5～1.4 m,取Δh=0.5 m.最后由式(1)计算得出整个抢修塔的呼称高度为18 m.

1.2 横担长度的设计

抢修塔的横担长度是根据导线的水平线间距和最小空气间隙并考虑带电作业的要求来确定的.当绝缘子串长度、风偏角度和最小空气间隙确定后,上下横担长度按照式(3)、(4)计算:

式中:R为最小空气间隙(m);λ为悬垂绝缘子串长度(m);φ为悬垂绝缘子串风偏角(°);b为抢修塔上脚钉外露部分加杆径一半的长度(m).

表4为部分带电部分与塔之间的最小间隙,本文设计的抢修塔电压等级110 k V,得最小空气间隙R=1 m.

表4 最小空气间隙(部分)(单位:m)

悬垂绝缘子串风偏角为导线与绝缘子串在风载荷作用下使悬垂绝缘子串偏离的角度.图2为悬垂绝缘子串风偏角示意图.

图2 风偏角示意图

对A 点取力矩平衡方程得:

整理得:

式中:PD为导线风荷载;GD为导线垂直荷载;PJ为悬垂绝缘子串风荷载;GJ为悬垂绝缘子串垂直荷载;Lp、LV分别为水平档距和垂直档距;γ1、γ4分别为导线的自重比载和风压比载;A为导线的截面积.

最后通过式(4)计算得到下横担长度为10.9 m.本文抢修塔采用模块化设计,让上下横担采用相同的结构参数,采用上横担长度为10.9 m.

由1.1和1.2所述及相关计算,得到该铝合金抢修塔基本尺寸,见表5.

表5 铝合金抢修塔基本尺寸 (单位:m)

1.3 抢修塔的模块设计

为了施工简单、安装方便以及从安全、经济性考虑,本文杆塔结构采用主柱模块化设计.模块结构为:在两端采用强度较好的钢材Q255,中间采用铝合金2A12组合成一个柱模块,在柱模块之间采用钢材Q355进行连接,得到单层模块,如图3所示.然后由单层模块以及柱模块进行组合,最终得到铝合金自立式抢修塔模型.

图3 铝合金抢修塔单个模块结构图

抢修塔采用的材料参数如下:2A12高强度铝合金,弹性模量为72 GPa,密度为2 800 kg/m3,泊松比为0.3;Q255钢,弹性模量为210 GPa,密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.27;Q355 钢,弹性模量为206 GPa,密度为7 850 kg/m3,泊松比为0.3.本铝合金抢修塔角钢及角铝规格尺寸见表6.

表6 铝合金抢修塔角钢/角铝规格尺寸

2 有限元模型的建立及模态分析

2.1 有限元模型建立

在输电塔有限元模型的建立过程中,通常将横向和竖向杆件视为只承受轴向力,不承受剪力和弯矩作用的二力杆.但实际当输电杆塔结构有较大变形和转动时,杆件会受到弯曲和扭转应力,因此将主材考虑定义为梁单元[7-8].BEAM 188梁单元各个端点包含X,Y,Z3个方向的位移和围绕三轴的扭转共6个自由度,选用该单元来模拟抢修输电塔受力特性.输电塔有限元模型如图4所示,该模型共有4 948个节点,3 366个单元.

图4 铝合金抢修塔有限元模型

2.2 模态分析

为了解该铝合金抢修输电塔的结构动力特性[9],利用Block Lanczos模态分析法对抢修塔进行模态求解,选取输电塔的前3阶振型进行分析.抢修塔的前3阶固有频率见表7,前3阶振型图如图5所示.

表7 抢修塔前3阶固有频率及振型

图5 抢修塔模态振型

可以看出抢修塔的前三阶为扭转及轴向弯曲振型,根据振型特点对横担区域进行结构优化.在变形较大的横担两端,加大角铝截面尺寸,增加刚度,减小共振的影响.

3 抢修塔的试验研究及数值模拟

3.1 关键测点布置

观测点的布置需能反映出铁塔的整体挠度、变形和受力,主要布置在如下位置:杆塔主要构件,如塔身、塔腿、横担主材;杆塔各试验工况下受力较大的杆件;杆塔局部构造薄弱和关键传力部位.根据以上规则,位移测点和应力测点布置如图6所示.

图6 测点布置

在真型实验中应注意:根据构件规格和受力特点采用不同的应变片粘贴方式.一般斜材及受力较小的构件在连接肢或两个肢上沿心线位置粘贴;对受力较大构件或承受较大次弯矩的构件可酌情增加应变片粘贴数量;当应变观测点贴片数量大于4时,应将应变片控制在杆件同一横截面上.

3.2 试验工况设计

输电塔在设计时要考虑各种工况的相应风载荷、覆冰载荷、安装载荷和断线载荷等.将作用在塔身上的风载荷,按照塔身的高度系数进行分段,最终将风载荷分配到相应的节点上用以模拟真实风载.输电线路常用工况有正常运行工况、安装检修工况和事故断线工况等.断线事故一般系外力所致,计算断线情况的目的,主要是确定断线时杆塔所受的载荷用以校验杆塔强度.

单回路悬垂型抢修塔断线工况为:任意一相导线断(地线不断)或地线断(导线不断);悬垂抢修塔安装工况为:提升导线地线等重量和安装工人及工具的附加荷载,一般按2倍计算;正常运行工况为:90°大风工况和长期运行工况.采用这4种典型工况来校验杆塔强度,具体工况设计说明见表8.

表8 抢修塔4种典型工况设计表

根据《110 k V—750 k V 架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)及导地线参数表,计算得出各个工况的载荷加载数值,将导地线的荷载等效作用在与输电塔连接的节点上.各个工况载荷加载情况见表9.载荷类型为线条载荷.

表9 各工况加载荷载表(单位:k N)

载荷加载时采用分段分级加载方式,便于观察和分析杆塔受力变化过程和判断强度极限点,载荷加载比例随时间变化过程如图7所示.

图7 载荷加载分级图

3.3 数值模拟

将铝合金抢修塔的底部16个节点固定,根据表9和图7对抢修塔进行数值模拟仿真[10-12],最终得到输电塔各节点的位移及应力分布,位移与应力随时间变化曲线与载荷加载曲线一致.C1检测点为地线连接点处,C4检测点为导线连接点处,可知两处为关键检测点,两处测点位移曲线如图8所示.

工况1最大位移为C4测点的241.43 mm,工况2最大位移为C1测点的228.4,工况3 最大位移为C4测点的337.92 mm,工况4最大位移为C4测点的191.5 mm.根据《高耸结构设计规范》规定,输电塔塔顶水平位移应小于等于杆塔总高的1/75;本输电塔塔高25.4 m,即最大位移不能超过338 mm,满足规范要求.仿真中最大试验载荷是实际抢修塔载荷的150%～200%,故抢修塔不会发生破坏.为防止极端情况出现破坏问题,在位移较大的C1 测点处与C4测点处,应适当加大两部位的角铝截面尺寸.

根据应力大小来判断材料是否发生破坏的规则主要有最大拉应力准则、最大剪应力准则及最大畸变能准则等.本文采用的判断准则是最大畸变能准则,该准则是当材料的最大畸变能达到该材料的畸变能极限值时,材料会发生屈服(或剪断),主要适用于韧性材料.其以主应力形式来表达的公式为:

式中:σeq为等效应力;σ1、σ2、σ3分别为3个主应力.

应力较大的D1 测点处与D4 测点处的应力曲线,如图9所示.

图9 关键检测点应力图

经过静力学分析计算,工况1最大应力为D1测点的328.87 MPa,工况2 最大应力为D1 测点的245.19 MPa,工况3 最大应力为D4 测点的246.08 MPa,工况4最大应力为D1测点的228.69 MPa.可知D1与D4测点为应力关键测点,最大等效应力为328.87 MPa,小于2A12铝合金材料345 MPa极限,材料不会发生破坏.为保证运行安全,在D1测点处与D4测点处,同样应适当加大角铝截面尺寸.

4 结语

设计了一种能够在输电线路发生倒塔等灾害时迅速恢复电力供给的模块化铝合金抢修塔.对抢修塔进行模态分析,并在抢修塔真型试验之前进行4种典型工况的数值仿真,主要得到以下结论.

1)根据振型特点对横担区域进行结构优化,在变形较大的横担两端加大角铝截面尺寸,增加刚度,减小共振的影响.

2)在安装工况下导地线与抢修塔连接部位变形较大,且等效应力接近屈服极限,应适当加大导地线与杆塔连接处的角铝截面尺寸.

3)在断线工况下,位移和应力未超出设计规范与材料的强度,但是均与极限值接近,应优化结构,防止应力集中,且应尽量避免在极端天气下进行抢修工作.

本文在抢修塔上使用钢铝混合材料代替高强度钢材料,验证了其满足安全性及稳定性的要求,为真型试验提供了理论基础和优化方案.