山區(qū)覆冰輸電塔線體系風致不平衡張力的研究

杜運興+孫倩

文章編號：16742974(2014)04007206

收稿日期：20130902

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51108174，51378199)；湖南省科技計劃資助項目（2013GK3020）

作者簡介：杜運興（1971-），男，河南平頂山人，湖南大學副教授，博士

通訊聯(lián)系人，E-mail:duyunxing@hnu.edu.cn

摘要：針對5BZBC1輸電塔，采用數(shù)值試驗的方法研究了風速、初始風攻角、輸電塔高差和導線覆冰厚度對輸電塔縱向不平衡張力的影響.作用在輸電塔線上的脈動風時程是利用諧波合成法生成，通過改變高差、覆冰厚度，獲得了輸電塔上縱向不平衡張力的變化規(guī)律.該規(guī)律表明，在一些情況下現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定所計算的輸電塔不平衡張力偏小.在此基礎上提出了山區(qū)這類塔型在雪荷載和風荷載共同作用下的縱向不平衡張力的理論公式.該公式的結果與數(shù)值試驗結果相比誤差在±6%以內，具有較好的精度.

關鍵詞：覆冰；有限元；風；輸電塔；張力



中圖分類號：TB83；TM753文獻標識碼：A

AnalysisoftheWindinducedUnbalanceTensionofIced

TransmissionTowerlineSysteminMountainousAreas



DUYunxing，SUNQian

(CollegeofCivilEngineering,HunanUniv,Changsha,Hunan410082,China)

Abstract:Anumericalexperimentwasadoptedtoanalyzetheeffectsofwindspeed,initialwindangle,elevationdifferenceandicethicknessonthelongitudinalunbalancetensionoftransmissiontower.Harmonysuperpositionmethodwasusedtosimulatethefluctuatingwindspeedtimeseriesactingonthetransmissiontowerline,andthelawofunbalancetensionwasderivedbychangingelevationdifferenceandicethickness.Theresultshaveshownthat,insomecases,thevalueofthelongitudinalunbalancetensionofthetowerinexistingelectricityindustrystandardissmaller.Basedoncomputationalanalysis,thetheoreticalformulaofthelongitudinalunbalancetensionoftowerssubjectedtowindandsnowsimultaneouslywasproposed.Theerrorsoftheformulaarewithin±6%comparedwithnumericalsimulation.Ithaspreferableaccuracy.

Keywords:iceadhesion；finiteelementmethod；wind；transmissiontowers；tension



2008年1月,在湖南、江西、浙江、湖北、貴州和云南等出現(xiàn)了罕見的大面積冰災，致使電力設施承受著大大超過規(guī)范規(guī)定的荷載值，因而出現(xiàn)了大量倒塔斷線現(xiàn)象，給國家電網(wǎng)公司帶來了嚴重的經(jīng)濟損失[1].在中國北方地區(qū)，這種破壞更為常見.因而研究覆冰輸電塔線體系的風致動力響應的特性是十分必要的.

為了避免覆冰對輸電塔所造成的破壞，國內外許多學者對這一問題進行了大量的研究，獲得了一定的科研成果.DenHartog[2]最先發(fā)表了關于覆冰導線馳振理論研究，利用馳振理論解釋覆冰后導線在風荷載激勵下產(chǎn)生大幅振動現(xiàn)象.Nigol等[3-4]利用風洞實驗手段，針對工程常用范圍內的覆冰形狀及風速研究覆冰導線風振動力響應特性.Yu等[5-6]將振動的覆冰導線用2個自由度體系模擬，分析考慮質量軸和彈性主軸中心不重合的覆冰導線馳振規(guī)律.這些研究僅針對導線覆冰后風振動力響應進行分析.Momomura等[7]通過全方位測量山區(qū)的輸電塔線風致振動，得到導線氣動力阻尼對整體阻尼影響作用不可忽視.李宏男等[8]對覆冰輸電塔線在未考慮脈動成分的風速激勵下動力響應分析，得出塔線耦聯(lián)體系對覆冰導線風振有很大影響.以上研究都考慮了塔線耦合作用對整個體系風致響應的影響，但并沒有注意風中脈動成分對塔線體系風致響應不可忽略的影響.李宏男[9]和陳俊旗[10]等考慮脈動風對整個體系風荷載作用下動力響應影響.

目前，針對山區(qū)覆冰輸電塔線體系的風致不平衡張力缺乏深入研究，本文采用數(shù)值試驗的方法模擬山區(qū)輸電線路在覆冰時的風致動力響應的特性，進而研究高差對不同覆冰厚度輸電塔線體系的影響.

1有限元模型建立

為了研究相鄰輸電塔間的高差對覆冰輸電塔線體系風致動力響應影響，本文選用山地常用的5BZBC1塔型進行研究.建立三塔四線精細三維計算模型，其中三塔依次置于同一座山的山谷、山腰、山頂，如圖1所示.5BZBC1酒杯型輸電塔幾何尺寸如圖2所示.計算模型采用的材料本構模型為線彈性模型，計算過程中考慮了整個體系的幾何非線性.本文輸電塔構件長度及幾何尺寸具體參照文獻[11]，水平檔距為440m，導(地)線型號及物理參數(shù)如下：

1）導線型號4×LGJ—400/35，直徑d=27mm，重量13.49N/m，彈性模量E=6.5×1010N/m2，最大使用張力39480N.

2）地線型號JLB40—150，直徑d=15.75mm，重量6.93N/m，彈性模量E=1.09×1011N/m2，最大使用張力28693N.

在計算模型中，輸電塔塔身桿件用梁單元模擬.由于導(地)線具有抗扭剛度并承受一定扭矩，因而導線采用忽略剪切變形梁單元模擬，并通過定義導線的彈性模量使該單元只能承受拉力，不能受壓.當應變ε＞0時，彈性模量E取導(地)線彈性模量；當應變ε＜0時，彈性模量E取為0.絕緣子串一端與輸電塔橫擔鉸接，一端與導(地)線鉸接，利用剛性連接連接橫擔及導(地)線對應點，約束3個平動自由度來模擬，如圖3所示.

圖1輸電塔線體系圖

Fig.1Transmissiontowerlinesystem



圖25BZBC1塔幾何特性

及塔身風荷載施加點分布圖（單位：mm)



Fig.2Geometricalpropertiesof5BZBC1tower&distribution

ofwindloadapplicationpointsontower(unit：mm)





圖3絕緣子兩端連接示意圖

Fig.3Diagramofendsconnectionofinsulators



1.1桿塔及絕緣子冰荷載

根據(jù)規(guī)范[12]確定非圓截面構件每單位表面面積上覆冰荷載，按下式計算：

qa=0.6ba2γ×10－3.(1)

式中：qa為單位面積上的覆冰荷載(kN?m-2)；b為基本覆冰厚度（mm），根據(jù)當?shù)仉x地10m高度處觀測資料；a2為覆冰厚度高度遞增系數(shù)；γ為冰重度(kN/m3).

1.2導(地)線冰荷載

本文不考慮覆冰對導線剛度的影響，將導(地)線冰荷載等效為導線的重力荷載，按文獻[13]中公式計算：

q=π4［(d+b)2－d2］γ×10－3.(2)

式中：q為單位長度上的覆冰荷載(N/m)；d為導線的直徑(mm)；b為覆冰厚度(mm)；γ為冰重度(kN/m3)，取9kN/m3.

1.3風荷載

風速由平均風速與脈動風速組成.其中，對于平均風速沿高度變化規(guī)律，規(guī)范[14]采用指數(shù)型風剖面變化.中國規(guī)范取標準參考高度為10m，地面粗糙度指數(shù)取0.16.因而，任一高度平均風速值為：

=30×z100.16.(3)

脈動風速時程模擬的方法有：回歸法、諧波合成法、逆傅立葉變換法和非均勻圓頻率間隔方法[15].本文參照文獻[16]，通過MATLAB軟件利用諧波合成法編寫程序合成塔身荷載施加點脈動風速時程，得到t時刻施加點的脈動風速v(z,t).

1.3.1輸電塔及絕緣子所受風荷載

本文將塔所受風載集中等效在20個施加點上，如圖2所示，編號代表施加點分布情況.施加點風載可按式(4)計算：

Ft=μsAsV21.6B.(4)

式中：Ft為輸電塔荷載施加點處風荷載值（N）；μs為構件體型系數(shù)，取2.5；As為塔承受風壓投影面積計算值（mm2)，取其上、下施加點間塔身受壓面積各一半之和；V為風荷載施加點高度處風速（m/s)；B為覆冰時風荷載增大系數(shù)[17].

絕緣子串所受風荷載按式(5)計算：

FJ=AJV2J1.6．(5)

式中：FJ為絕緣子串所受風荷載(N)；AJ為絕緣子承壓投影面積(mm2)；VJ為絕緣子串中點高度處的風速(m/s).

1.3.2覆冰導(地)線所受風荷載

作用于覆冰導(地)線氣動力荷載與作用于其他傳統(tǒng)結構動力問題時的荷載是有區(qū)別的.它與覆于導線上冰的幾何特性以及相對風攻角α非線性相關，其中覆冰導線橫截面如圖4所示.氣動力荷載包括水平力Fx，豎直力Fz和扭矩Mθ3個分量.按文獻[18]所給公式計算：

FxFzMθT=

12ρairV2reldCx(α)Cz(α)dCθ(α)T，(6)

V2rel≈V2z，(7）

α≈θ－R+VxVz.(8)

式中：ρair為空氣密度(kg/m3)；Vrel為相對風速(m/s)；d為裸導線的直徑(mm)；Vz為導線平均風速(m/s)；θ為初始風攻角(rad)；為風攻角角速度(rad/s)；R為導線半徑(mm)；Vx為導線x方向運動的線速度(m/s)；Cx(α)為升力系數(shù)；Cz(α)為阻力系數(shù)；Cθ(α)為扭轉系數(shù).Cx(α)，Cz(α)和Cθ(α)按王昕等[19]進行風洞試驗的數(shù)據(jù)取值，如圖5所示.本文僅針對初始風向角45°和90°兩種情況進行研究.

圖4覆冰導線橫截面示意圖

Fig.4Transversesectionoficedtransmissionline

風攻角/（°）

圖5覆冰導線氣動力系數(shù)



Fig.5Aerodynamiccoefficientsoficedconductors



2模型計算

改變塔線體系中塔間高差和導(地)線覆冰厚度，風速，使塔間高差在0~105m內變化，覆冰厚度在10~30mm內變化，風速取值分別為10m/s，15m/s和30m/s.將數(shù)值模擬計算結果繪制成曲線，如圖6~圖12所示.其中圖6~圖10及圖12所示結果初始風向角90°，風速30m/s.

由圖6可知，2#塔頂z方向位移隨高差增加而增加，覆冰厚度越大，增長的越快.由圖7和圖9可以看出，在風荷載和覆冰荷載共同作用，輸電塔的縱向不平衡張力隨高差的增加而增加越快.規(guī)范[17]規(guī)定在山地地區(qū)懸垂塔四分裂導線情況下，塔考慮的縱向不平衡張力取值為導線最大使用張力的25%.

高差/m

圖62#塔頂z方向位移均值

Fig.6Themeandisplacementin

zdirectionat2#towerstop



高差/m

圖72#塔不平衡張力

Fig.7Unbalancedtensionof2#tower

高差/m

圖82#塔不平衡張力增長率與高差關系曲線

Fig.8Growthrateofunbalancedtensionvs.

elevationdifferencein2#tower



覆冰厚度/mm

圖92#塔不平衡張力

Fig.9Unbalancedtensionof2#tower



覆冰厚度/mm

圖102#塔不平衡張力增長率與覆冰厚度關系曲線

Fig.10Growthrateofunbalancedtensionvs.ice

thicknesscurvein2#tower

高差/m

圖11初始風向角90°時2#塔不平衡張力對比圖

Fig.11Comparisionofunbalancedtensionwith

initialwindangle90°in2#tower



由圖7可以看出，在高差105m，導線覆冰厚度30mm時，輸電塔承受的不平衡張力為導線最大使用張力的31.92%.所以按規(guī)范取值設計，縱向不平衡張力取值偏小.

由圖8可以看出，越大的覆冰厚度間縱向不平衡張力增長率隨高差的增加趨勢顯得越明顯.當塔間高差大于90m時，覆冰厚度0~10mm的不平衡張力增長率大于覆冰厚度10~15mm的不平衡張力增長率；當塔間高差大于60m時，覆冰厚度20~25mm的不平衡張力增長率約為覆冰厚度25~30mm的不平衡張力增長率的1.7倍，而覆冰厚度20~25mm的增長率與25~30mm的相差不大.分析圖10可知，當覆冰厚度超過20mm時，不同高差區(qū)間不平衡張力增長率相差更大；越大高差間不平衡張力增長率也越大.分析圖11可知，相同覆冰厚度，在風速為10m/s較低風速下，隨高差增加，不平衡張力的增加不明顯；而在風速為30m/s時，隨高差增加，不平衡張力的增加很明顯.

高差/m

圖122#塔不平衡張力高差、覆冰厚度關系曲線

Fig.12Unbalancedtensionelevationdifference

vs.icethicknesscurvefor2#tower



本文將輸電塔的縱向不平衡張力和塔間高差、覆冰厚度的非線性關系繪制成散點圖，然后進行非線性擬合.散點圖及擬合曲線見圖12.對以上關系擬合可以得到不平衡張力的公式為：

ΔFH=β(a1+a2c+a3c2).(9)

a1=0.136Δd3-2.795Δd2+

20.243Δd+354.25，(10)

a2=eγ，(11)

a3=ξΔd2.314，(12)

γ=2.04Δd0.143，(13)

ξ=0.0003.(14)

式中：ΔFH為輸電塔縱向不平衡張力(kN)；c為塔間高差(m)；Δd為覆冰厚度(mm)；β為考慮初始風攻角和風速的影響系數(shù),按表1取值.

表1β取值

Tab.1Valuesofβ

風速v/(m?s-1)

初始風攻角θ/(°)

45°

90°

10

0.1092

0.33

15

0.2485

0.5

30

0.7530

1

曲線擬合公式?jīng)Q定系數(shù)R2均大于0.993，平均值為0.99674，公式擬合度很高.

3公式驗算及應用

對擬合公式(9)進行驗算.驗算使用的模型與擬合公式使用的模型不同，保證公式驗算的意義.選取初始風向角為90°的公式計算結果與有限元結果進行對比，結果見表2.

表2公式解與數(shù)值模擬解比較

Tab.2ComparisonofsolutionsobtainedbyFEMandformula

風速

v/(m?s-1)

高差

c/m

覆冰厚度

Δd/mm

數(shù)值模擬解

ΔFH1/N

公式解

ΔFH2/N

誤差

/%

30

0

5

684.944

688.098

0.46

15

5

917.786

885.248

-3.68

30

5

1037.891

1087.992

4.61

45

5

1323.336

1296.328

-2.08

60

5

1507.309

1510.256

0.20

75

5

1727.498

1729.778

0.13

90

5

2004.027

1954.891

-2.51

105

5

2319.707

2185.598

-6.14

125

10

3436.742

3514.087

2.20

125

15

5523.698

5418.332

-1.95

125

20

8490.014

8369.231

-1.44

125

25

12850.257

12466.06

-3.08

125

30

16787.03

17785.27

-5.61

15

0

5

342.472

342.205

0.07815

5

458.89

472.788

-3.02830

5

518.95

525.104

-1.18745

5

661.67663.176-0.228

605

753.65

731.581

-2.929

75

5

863.75

879.243

-1.79490

5

1002.01

1008.975

-0.695105

5

1159.85

1183.587

-2.046

10

0

5

226.032

226.138

-0.047

15

5

302.87

323.025

-6.65

30

5

342.50

348.873

-1.86

45

5

436.70

432.287

1.01

60

5

497.41

508.024

-2.13

75

5

570.07

572.481

-0.42

90

5

661.33

662.349

-0.15

105

5

765.50

789.157

-3.09

計算結果最大誤差為4.61%，最小誤差為-6.65%，平均誤差為-0.5903%.由此可以看出，公式有很好的適用性.

由上節(jié)計算結果分析得到，當初始風向角90°，風速30m/s時，在覆冰厚度為30mm、高差105m時，輸電塔不平衡張力按規(guī)范取值偏不安全.而在覆冰厚度不大于20mm,高差不大于105m時，按規(guī)范取值又偏于保守.

4結論

本文針對作用有風荷載的覆冰輸電塔線體系在高差影響下不平衡張力進行了研究，得出以下結論：

1)在風荷載和覆冰荷載共同作用下，覆冰厚度越大，縱向不平衡張力隨高差增長而增長的速率越大；當覆冰厚度為0和10mm時，不平衡張力隨高差增長速率保持基本一致；當覆冰厚度為15mm和25mm，高差在大于60m時，縱向不平衡張力顯著增加；當覆冰厚度為30mm時，縱向不平衡張力隨高差保持明顯增長.塔頂位移均值隨高差增加而增加，覆冰厚度越大，增長越快.

2)在相同高差情況下，風荷載作用的輸電塔縱向不平衡張力隨覆冰厚度的增加而增加越明顯.當高差為0，覆冰厚度小于15mm時，縱向不平衡張力增長平緩；當高差大于15mm時，不平衡張力增加速率隨冰加厚而增加；當高差依次為30，60和90m時，縱向不平衡張力隨覆冰厚度增加而增加得更顯著.

3)通過大量的數(shù)值計算，在統(tǒng)計基礎上擬合出塔線體系在風荷載作用下的縱向不平衡張力公式.該公式適用于塔型為5BZBC1，水平檔距440m，且輸電塔線路所在環(huán)境的最大風速為30m/s時的輸電塔線路.利用該公式計算結果與數(shù)值模擬結果進行比較，誤差在±6%以內，可以為相關設計提供參考.

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