覆冰荷載作用下高壓輸電塔可靠性研究

馮康　趙海玲

【摘 要】輸電桿塔為一類高聳格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，支撐著導(dǎo)線和地線，在電力、通訊等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。輸電線路塔線體系覆冰是一種較為嚴重的自然災(zāi)害，該自然災(zāi)害輕則會引起導(dǎo)地線脫冰跳躍重則會引起倒塔事故，造成整個輸電線路的癱瘓，給人們生產(chǎn)生活帶來嚴重影響。輸電塔線體系的可靠度分析一直是設(shè)計、施工和運營中備受關(guān)注的問題。本文將在查閱大量文獻地基礎(chǔ)上，介紹結(jié)構(gòu)可靠度理論、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度的一般原理和結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的方法，將國內(nèi)外的覆冰輸電線路的科研狀況進行了歸納，將覆冰的分類進行了總結(jié)，針對輸電塔架結(jié)構(gòu)的分析模型進行討論，從而提出高壓輸電線路覆冰研究的必要性。因此對現(xiàn)行線路設(shè)計規(guī)程中可靠度水平特別是輸電塔線體系在覆冰荷載作用下的可靠度指標加以考察，為采取預(yù)防措施或應(yīng)急措施提供參考，同時也對輸電塔的設(shè)計具有一定的參考價值。

【關(guān)鍵詞】輸電塔線體系；覆冰；可靠度；失效模式

高壓輸電線路塔線體系覆冰現(xiàn)象是一種較為嚴重的自然災(zāi)害，它可引發(fā)線路承受的荷載過重、導(dǎo)地線脫冰跳躍甚至導(dǎo)線舞動、絕緣子串閃絡(luò)等事故，將會給電力系統(tǒng)的安全運行帶來很大的威脅。近幾年來，我國自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，據(jù)不完全統(tǒng)計，20 世紀50年代以來線路發(fā)生的大小冰災(zāi)事故已達上千次，尤其是2008年的冰雪災(zāi)害。覆冰對輸電線路的影響主要表現(xiàn)為動力和靜力兩個方面[1]。動力作用比靜力作用更加復(fù)雜，主要表現(xiàn)在導(dǎo)地線的脫冰跳躍和導(dǎo)地線舞動兩個方面。輸電塔結(jié)構(gòu)作為重要的生命線工程，對于國家的經(jīng)濟發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因此輸電塔的安全性是國民經(jīng)濟是否穩(wěn)定、快速發(fā)展的關(guān)鍵。

1 塔線體系覆冰研究狀況

1.1 覆冰機理及類型

塔線體系覆冰的首要影響條件為氣象條件，主要是冷暖空氣對流、溫濕度、風(fēng)等氣象條件的綜合作用而形成的一種物理現(xiàn)象。除了氣象條件以外，線路覆冰還會受到輸電線路所在地勢海拔、導(dǎo)線懸掛高度等因素的影響。上述條件之間的相互交叉組合就會產(chǎn)生各種各樣氣象條件，從而形成不同的覆冰種類。

通常根據(jù)電力系統(tǒng)運行、維護及設(shè)計要求，輸電鐵塔和導(dǎo)線的覆冰可分為以下幾類[2]：

雨凇是過冷卻雨或毛毛雨作用于輸電線路導(dǎo)線的迎風(fēng)面，其粘著力較強，會在導(dǎo)地線表面形成光滑且透明的覆冰，該種覆冰類型多會在凍雨期的低海拔地區(qū)發(fā)生。輸電塔和輸電導(dǎo)線覆冰為純粹的雨凇覆冰的情況相對較少[3]。

混合淞為雨凇與霧凇交替混合凍結(jié)形成的不透明或半透明覆冰，其生長速度較快，對輸電塔和輸電導(dǎo)線危害特別嚴重。

霧凇、白霜由于其自身的粘著力很弱，不易依附于線路之上，所以霧凇、白霜對高壓輸電線路的影響不大。

雪主要是由自然降雪于輸電線路上，經(jīng)過較長時期的反復(fù)融化、結(jié)冰循環(huán)，最終粘附于線路上，形成了雪和冰的混合物，特定情況下的大面積降雪會使其質(zhì)量驟增對導(dǎo)地線產(chǎn)生較大的下壓荷載。

1.2 輸電塔可靠度研究

在當(dāng)前條件下對導(dǎo)、地線的覆冰現(xiàn)象進行實驗探討分析非常困難，因為塔線體系本身跨度大，鐵塔、導(dǎo)地線之間具有耦合作用以及輸電塔的高冗余性和非線性等因素的綜合影響，這就使得覆冰作用下塔線體系的靜、動力分析都相對困難。以上所闡述的影響因子均造成了輸電塔線體系覆冰荷載探討分析的緩慢進行。

陸佳政等[4]應(yīng)用梁單元和索單元建立了輸電塔和導(dǎo)線的整體單元模型，對輸電塔線體系結(jié)構(gòu)覆冰荷載進行了有限元計算后得到了鐵塔的不平衡張力。

李正等[5]利用有限元數(shù)值模擬技術(shù)，根據(jù)2008年雪災(zāi)倒塔現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)選擇了3種典型塔型，計算了幾種不同覆冰厚度及其工況組合情況下輸電塔覆冰的受力情況。

劉純等[6]則在2008年雪災(zāi)之后及時進行了現(xiàn)場實地勘測，掌握了大量數(shù)據(jù)，與之前的覆冰倒塔的數(shù)據(jù)進行了對比，總結(jié)出5種典型的輸電塔倒塌的失效形式。

上述論文均對覆冰荷載作用下的輸電線路進行了研究，可為本文研究輸電線路覆冰可靠度提供有益的參考。

2 結(jié)構(gòu)體系可靠度理論

2.1 塔架結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)

輸電桿塔為一類高聳格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，其塔身鏤空、高度高、外形細長，其極限狀態(tài)可以分為正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)。

當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的某一狀態(tài)值達到正常使用允許的該極限值，則認為結(jié)構(gòu)處于正常使用極限狀態(tài)。根據(jù)塔架不同的破壞機理，正常使用極限狀態(tài)可分為以下三種：

1）超變形失效

2）局部失效

3）振動失效

當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形較大，已經(jīng)不適于夠繼續(xù)承載，或達到其最大承載能力、疲勞破壞等，就認為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到承載能力極限狀態(tài)。根據(jù)塔架不同的破壞機理，塔架結(jié)構(gòu)超越其承載能力極限狀態(tài)的破壞形式如下：

1）連接失效

2）屈曲失效

3）構(gòu)件強度失效

4）機構(gòu)失效

5）疲勞失效

以上塔架結(jié)構(gòu)的5種失效形式，其中的機構(gòu)失效形式是塔架結(jié)構(gòu)體系層次的失效狀態(tài)形式，而疲勞失效既可能發(fā)生在結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次也可能發(fā)生在結(jié)構(gòu)體系層次。

2.2 構(gòu)件可靠度

2.2.1 確定極限狀態(tài)方程

在計算結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效概率之前，必須確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效模式以及失效模式極限狀態(tài)方程。在計算失效概率時需要確定每個隨機變量之間的函數(shù)關(guān)系。實驗?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值分析是兩種最常見的用于確定結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的方法。

2.2.2 計算構(gòu)件失效概率

構(gòu)件失效概率計算兩種方法是解析方法和數(shù)值方法，兩種方法的基本原理都是根據(jù)基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)參數(shù)方程和結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程。

在計算結(jié)構(gòu)的可靠度時，一次二階矩法計算精度在大多數(shù)情況下都能滿足工程需要。但如果在驗算點附近的結(jié)構(gòu)功能函數(shù)非線性程度較高時，這時一次二階矩方法的可靠度計算結(jié)果就不準確了。

數(shù)值積分法和數(shù)值模擬法是構(gòu)件可靠度分析數(shù)值方法中最基本的兩種方法。其中，蒙特卡羅法是一種數(shù)值模擬方法，隨著計算機的快速發(fā)展而被廣泛應(yīng)用，其基本原理是概率論與數(shù)理統(tǒng)計中的大數(shù)定律和中心極限定理。

3 覆冰塔線體系存在的問題及展望

覆冰塔線體系存在的問題主要如下：

（1）迄今為止輸電塔覆冰模型在國內(nèi)外的研究中并不多見，承受冰荷載的輸電鐵塔的剛度、彈性模量等參數(shù)會由于桿塔承重情況的改變而有所變動。由于塔線體系是輸電鐵塔和導(dǎo)、地線共同耦合作用的，若只考慮導(dǎo)線覆冰，忽略了輸電塔的覆冰受力情況，則計算結(jié)果會相差很大。

（2）在如今的國內(nèi)外對輸電桿塔導(dǎo)地線斷線的研究中，我們不難發(fā)現(xiàn)，大部分的研究主要單獨就覆冰時的風(fēng)荷載、脫冰跳躍、覆冰舞動等其中的某種情況進行分析，然而并沒有針對其相互之間的耦合作用進行分析。

（3）有關(guān)實地考察測量塔線體系覆冰斷線情況的數(shù)據(jù)資料搜集及對覆冰條件下桿塔受力情況的仿真模擬需要進一步完善。

下一步需要開展的工作主要有：

（1）可靠度定義的完善。塔架結(jié)構(gòu)如果要按照多級設(shè)防的標準來考慮，則應(yīng)在“強度”、“功能”原則的基礎(chǔ)上加上“可修復(fù)性”原則。

（2）結(jié)構(gòu)體系可靠度實驗。在影響結(jié)構(gòu)體系可靠度試驗的進行中，最主要的一個原因就是的代價太過于巨大。這個巨大的困難直接造成有關(guān)結(jié)構(gòu)體系可靠度的研究將會長時間的停留于理論分析階段，所有的研究只是理論推導(dǎo)與推測，其理論結(jié)論得不到試驗數(shù)據(jù)的驗證。

【參考文獻】

[1]王麗新.輸電線路靜平衡及動力響應(yīng)的有限元分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004：12-16.

[2]Daisuke Kuroiwa. Icing and Snow Accretion[M].Monograph series of the research institute of applied electricity，1958.

[3]Makkonen L.Atmosphric Icing on Structure[J].U S Army CRREL Monograph，1984，84（2）：102-105.

[4]陸佳政，陳紅東.500kV輸電塔線覆冰有限元計算[J].高電壓技術(shù)，2007，33（10）： 167-169.

[5]李正，楊靖波.2008年輸電線路冰災(zāi)倒塔原因分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（2）：31-35.

[6]劉純，熊亮，胡彬.2008年湖南省輸電線路覆冰鐵塔典型失效形式分析[J].2009，42（1）：13-17.

[責(zé)任編輯：李書培]