基于塔線體系模型的沿海輸電鐵塔抗風(fēng)性能研究

張志強，安利強，龐松嶺，張榮倫

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003； 2.海南電力技術(shù)研究院，海南海口570125)

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基于塔線體系模型的沿海輸電鐵塔抗風(fēng)性能研究

張志強1，安利強1，龐松嶺2，張榮倫2

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003； 2.海南電力技術(shù)研究院，海南海口570125)

提高輸電線路的抗風(fēng)能力一直是沿海地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的重要任務(wù)。為研究沿海地區(qū)輸電鐵塔的抗風(fēng)性能，采用極值III型威布爾分布，結(jié)合海南省海口市氣象站監(jiān)測的年最大風(fēng)速序列，推算出了當(dāng)?shù)?0年重現(xiàn)期內(nèi)的極值風(fēng)速，并利用石沅臺風(fēng)風(fēng)譜進(jìn)行了風(fēng)速脈動風(fēng)的模擬；然后根據(jù)當(dāng)?shù)匾换F塔在ANSYS中建立了一塔兩線模型，進(jìn)行風(fēng)致動力學(xué)分析。分析表明：在脈動風(fēng)作用下，主材最大軸力達(dá)到97.1 kN，已經(jīng)超過了塔材軸向壓力設(shè)計值71.9 kN，當(dāng)考慮風(fēng)載荷的脈動放大效應(yīng)時，動態(tài)分析和靜態(tài)分析的軸力極值之比超過了2倍。塔材受壓失穩(wěn)是鐵塔發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，需要充分考慮脈動風(fēng)的放大效應(yīng)，按照靜風(fēng)等效作用進(jìn)行沿海地區(qū)輸電線路的設(shè)計很有可能導(dǎo)致構(gòu)件受壓失穩(wěn)，嚴(yán)重時，甚至?xí)l(fā)生倒塔事故。

抗風(fēng)性能；塔線體系；風(fēng)載荷

0 引言

高壓架空輸電線路長期在野外運行，惡劣的環(huán)境因素對輸電線路有很大影響，且架空輸電線路屬于高柔性結(jié)構(gòu)，對風(fēng)具有很高的敏感性[1]，極端條件下的風(fēng)載荷會使輸電桿塔發(fā)生傾覆危險，進(jìn)而導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[2]，據(jù)統(tǒng)計，2014年超強臺風(fēng)“威馬遜”造成海南電網(wǎng)35 kV及以上輸電線路跳閘共117條、倒塔27基，給海南電網(wǎng)帶了嚴(yán)重的損失。

提高輸電線路的抗風(fēng)能力一直是沿海地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)的重要任務(wù)，由于沿海地區(qū)輸電線路電壓等級相對較低，采用的塔材強度也因而較低，加之沿海地區(qū)氣候環(huán)境惡劣，因此才會出現(xiàn)倒塔事故頻發(fā)。當(dāng)前對于沿海地區(qū)輸電線路的抗風(fēng)加固及事故分析，多是從臺風(fēng)或者惡劣氣候發(fā)生后，對電網(wǎng)事故的統(tǒng)計分析而提出的防風(fēng)抗風(fēng)加固方案[3-6]；通過對事故的分析固然可以在一定程度上提高線路抗風(fēng)設(shè)計水平，但是難以從根本上揭示事故原因，根本還是因為沿海地區(qū)輸電線路其外部環(huán)境載荷主要是風(fēng)載荷的強度大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了結(jié)構(gòu)的承載能力，因此需要根據(jù)地形地貌和重災(zāi)區(qū)進(jìn)行風(fēng)速的統(tǒng)計分析，掌握當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速規(guī)律，才能有針對性的提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計水平，厲天威等人以大容量且維護(hù)困難的輸電線路為研究對象，對沿海設(shè)計風(fēng)速及其地域分布特點進(jìn)行了計算分析[7]；鄧洪洲等人結(jié)合福建省風(fēng)速資料，采用不同的極值分布模型對當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速進(jìn)行了統(tǒng)計分析[8]；此外通過建立電網(wǎng)的風(fēng)災(zāi)預(yù)警故障和風(fēng)險評估系統(tǒng)也可以提高沿海地區(qū)電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[9]收集整理了近年來登陸沿海地區(qū)熱帶氣旋資料，對臺風(fēng)重災(zāi)區(qū)提出了電網(wǎng)運行的安排調(diào)度和事故處理的解決措施；文獻(xiàn)[10]考慮臺風(fēng)對沿海輸電線路可靠性的影響，提出了一種臺風(fēng)作用下電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險評估方法，建立了預(yù)想故障集。

以上研究對沿海輸電線路的防風(fēng)抗風(fēng)設(shè)計具有很大的指導(dǎo)意義，但是從理論數(shù)值上分析沿海地區(qū)輸電線路抗風(fēng)能力的研究較少，本文根據(jù)海南省?？谑?983～2013的極值風(fēng)速序列，采用極值III型威布爾分布推算了其50年內(nèi)重現(xiàn)期的風(fēng)速，并通過石沅臺風(fēng)風(fēng)譜模擬了脈動風(fēng)速，根據(jù)當(dāng)?shù)?10 kV鐵塔在ANSYS中建立的一塔兩線模型，從構(gòu)件受力角度，分析在風(fēng)載荷作用下，主材下半段的軸力分布規(guī)律，并從結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定角度，進(jìn)行了受壓構(gòu)件的強度校驗，研究在臺風(fēng)作用下輸電線路的抗風(fēng)性能。

1 極值風(fēng)速推算

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑娘L(fēng)速記錄數(shù)據(jù)，表1中給出了其1983～2013期間的最大風(fēng)速序列，數(shù)據(jù)的地形氣象條件為近地10 m高度，10 min時距平均風(fēng)。

表1 1984～2013年間海口最大風(fēng)速序列 (m/s)

通過推算風(fēng)速的重現(xiàn)期，可以得出不同重現(xiàn)期年內(nèi)的風(fēng)速，從而能夠確定當(dāng)?shù)剌旊娋€路的風(fēng)速設(shè)計值，本文根據(jù)極值III型威布爾分布，對當(dāng)?shù)氐臉O值風(fēng)速進(jìn)行推算。

三參數(shù)Weibull分布累積分布概率模型為：

(1)

式中：α為尺度參數(shù)；γ為位置參數(shù)；β為形狀參數(shù)。

假設(shè)最大風(fēng)速X超過XT平均每T年發(fā)生一次，則稱T為風(fēng)速XT的重現(xiàn)期(MRP)。

X小于XT的概率為：

(2)

則XT的超越概率為：

(3)

重現(xiàn)期T即為超越概率的倒數(shù)

(4)

采用極大似然估計方法，引入?？谧畲箫L(fēng)速序列，對Weibull分布參數(shù)進(jìn)行迭代求解，求解得到Weibull分布的三個參數(shù)分別為：

通過模擬得到海口極值風(fēng)速50年內(nèi)重現(xiàn)期曲線如圖1所示。

圖1 海口極值風(fēng)速重現(xiàn)期曲線

2 脈動風(fēng)速模擬

通過推算不同重現(xiàn)期內(nèi)的極值風(fēng)速，確定的設(shè)計風(fēng)速只是當(dāng)?shù)氐钠骄L(fēng)速，在進(jìn)行輸電線路設(shè)計時，不能僅按照平均風(fēng)速進(jìn)行取值，因為沿海地區(qū)常有臺風(fēng)等強風(fēng)侵襲，需要考慮當(dāng)?shù)仫L(fēng)況的高強度高變異和高湍流特性，因此進(jìn)行脈動風(fēng)模擬，考慮脈動風(fēng)的放大作用，使得設(shè)計更加合理。

采用石沅臺風(fēng)風(fēng)譜進(jìn)行脈動風(fēng)模擬，石沅臺風(fēng)風(fēng)譜經(jīng)過多數(shù)研究人員的驗證[11]，具有很高的適應(yīng)性，石沅等學(xué)者用計算機擬合給出的不隨高度變化的臺風(fēng)水平風(fēng)速譜經(jīng)驗公式為：

(5)

根據(jù)設(shè)計規(guī)范，對于110 kV線路，按照15年重現(xiàn)期的風(fēng)速作為設(shè)計風(fēng)速，因此，脈動風(fēng)模擬時，取15年重現(xiàn)期風(fēng)速作為基準(zhǔn)風(fēng)速，v10=25.5 m/s，粗糙度長度取k=0.1 m，風(fēng)剖面指數(shù)按A類地貌取值α=0.12，時間間隔為0.25 s，在MATLAB軟件中模擬石沅臺風(fēng)風(fēng)譜，圖2為模擬的一塔兩線模型中某一點的脈動風(fēng)速時程曲線和對應(yīng)的功率譜曲線。

圖2 脈動風(fēng)速時程曲線和功率譜曲線

3 算例分析

為了對沿海輸電線路抗風(fēng)設(shè)計水平進(jìn)行了計算分析，在ANSYS中以當(dāng)?shù)厮Ｐ蜑閷ο?，建立了一塔兩線模型，該塔電壓等級為110 kV，單回路貓頭塔，檔距250 m，最大弧垂3.73 m，材料選用Q235鋼材，采用Beam188單元模擬塔的主材和橫隔材構(gòu)件，Link8單元模擬鐵塔的斜材構(gòu)件和懸垂絕緣子串。由于導(dǎo)線長度較大，屬典型的柔索結(jié)構(gòu)，用Link10單元模擬導(dǎo)線。表2中給出了導(dǎo)地線參數(shù)，輸電塔線體系有限元模型如下圖3所示。

表2 導(dǎo)、地線型號及參數(shù)表

圖3 輸電塔線體系有限元模型

根據(jù)設(shè)計規(guī)范[12]，對塔線體系模型進(jìn)行風(fēng)載荷計算，并將風(fēng)載荷施加在導(dǎo)、地線及塔身迎風(fēng)面和背風(fēng)面對應(yīng)的節(jié)點上，在ANSYS中，采用完全法進(jìn)行動力學(xué)求解分析。同時，為了驗證風(fēng)的脈動放大作用，采用推算的15年重現(xiàn)期風(fēng)速，進(jìn)行了靜風(fēng)等效作用求解，對比兩種計算模式下塔線體系模型的風(fēng)載荷效應(yīng)。圖4標(biāo)記了后期分析時，塔身相應(yīng)的單元，分別選取的為迎風(fēng)面和背風(fēng)面第一節(jié)間上下兩個單元和第二節(jié)間上面的單元。

圖4 鐵塔關(guān)鍵單元位置

3.1 主材軸力時程分析

為研究受力構(gòu)件在風(fēng)載荷作用下的風(fēng)載荷效應(yīng)，提取圖4標(biāo)記的單元對應(yīng)的軸力，分別繪制迎風(fēng)面和背風(fēng)面的主材軸力時程曲線如圖5、6所示。

圖5 迎風(fēng)側(cè)軸力時程曲線

圖6 背風(fēng)側(cè)軸力時程曲線

圖中所示的軸力曲線，其在時間上的分布規(guī)律一致，即峰谷均出現(xiàn)在同一時刻，因為模擬出的風(fēng)載荷，在每個時間節(jié)點上均是同時作用在塔線體系模型節(jié)點上的。在高度方向上，可見軸力與高度呈正相關(guān)關(guān)系，因為高度越低，主材所受重力引起的壓力越大。從兩幅圖對比來看，迎風(fēng)面主材值為正，處于受拉狀態(tài)，背風(fēng)側(cè)主材值為負(fù)，處于受壓狀態(tài)；這是因為在90°風(fēng)用下，風(fēng)載荷引起的力矩大于重力載荷；背風(fēng)面主材軸力在同一高度處明顯大于迎風(fēng)面主材，因為在背風(fēng)面，重力的附加力矩和風(fēng)載荷力矩方向一致，因而使之軸向壓力更大。

3.2 主材受壓構(gòu)件的強度分析

從軸力的時程分析曲線可以看出，所選取的背風(fēng)側(cè)主材單元均為受壓構(gòu)件，為了研究主材受壓構(gòu)件的受壓穩(wěn)定性，按照輸電鐵塔受壓構(gòu)件穩(wěn)定計算公式[12]進(jìn)行其強度校驗，計算受壓構(gòu)件的臨界載荷。分析過程中，選取背風(fēng)側(cè)主材單元2、6、22這三個單元，因為這三個單元的軸向壓力值較大，且為與靜風(fēng)等效作用下的主材構(gòu)件臨界載荷進(jìn)行對比，突出動力學(xué)分析的脈動放大作用，計算時，取各單元的軸力極值作為比較值。

計算時，單獨將受壓構(gòu)件作為分析對象進(jìn)行受壓穩(wěn)定分析，而未從整塔的角度分析，因為計算結(jié)果表明，每個構(gòu)件的受力差異很大，尤其是迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的主材構(gòu)件，在同一高度截面上，軸力相差很大。根據(jù)鐵塔構(gòu)件計算長度和長細(xì)比計算規(guī)則，求解三個單元對應(yīng)構(gòu)件的長細(xì)比λ，根據(jù)構(gòu)件截面分類、長細(xì)比和材料屬性查閱構(gòu)件的受壓穩(wěn)定系數(shù)φ，并列于表3中。

表3 構(gòu)件參數(shù)表

按照文獻(xiàn)[12]，輸電鐵塔受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計算采用下式：

(6)

式中：N為軸向受壓構(gòu)件設(shè)計值，N；A為構(gòu)件截面毛截面積，mm2;φ為軸向受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)；f為鋼材抗壓強度設(shè)計值，MPa；mN為壓桿穩(wěn)定強度折減系數(shù)。

表4 構(gòu)件軸向壓力極值和設(shè)計值

注：動靜響應(yīng)極值比指的是脈動風(fēng)動態(tài)響應(yīng)時軸力極值與靜風(fēng)等效作用時軸力值之比。

表4中可以看出，當(dāng)按照設(shè)計規(guī)范，取15年重現(xiàn)期風(fēng)速進(jìn)行靜風(fēng)等效作用計算時，得到的主材背風(fēng)側(cè)三個單元軸力明顯小于軸向受壓設(shè)計值，然而考慮脈動風(fēng)放大作用后，在脈動風(fēng)作用下，軸力極值已經(jīng)超過了設(shè)計值，脈動放大比超過了2倍，因此從結(jié)構(gòu)受壓穩(wěn)定性角度考慮，脈動風(fēng)時的風(fēng)載荷作用下，算例中的輸電鐵塔將有可能發(fā)生受壓失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致受壓構(gòu)件的破壞，這也說明了在強風(fēng)(臺風(fēng))作用下，輸電鐵塔會出現(xiàn)倒塔事故的原因。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)最大風(fēng)速序列，采用極值Ⅲ型威布爾分布推算出?？趨^(qū)50年內(nèi)的極值風(fēng)速，并采用石沅臺風(fēng)風(fēng)譜，模擬了其脈動風(fēng)速。

(2)主材軸力與高度呈正相關(guān)關(guān)系，由于重力的附加力矩和風(fēng)載荷力矩方向一致，背風(fēng)面主材軸力在同一高度處明顯大于迎風(fēng)面主材。

(3)在強風(fēng)(臺風(fēng))作用下，塔身下半段背風(fēng)側(cè)主材軸向壓力已經(jīng)超過了構(gòu)件設(shè)計值，塔材受壓失穩(wěn)是鐵塔發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，需要充分考慮脈動風(fēng)的放大效應(yīng)。

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The Study of Wind Resistance Performance in Coastal Region Tower Based on Transmission Line System Model

ZHANG Zhiqiang1, AN Liqiang1, PANG Songling2, ZHANG Ronglun2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003，China; 2.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570125，China)

It is always an important task to enhance the wind resistance performance of transmission lines for the power grid construction in coastal areas.In order to study the wind resistance performance of transmission lines in coastal areas, we calculated the extreme wind speed of the return period in 50 years in local areas by using the extreme III Weibull distribution and the maximum wind speed sequences acquired by the weather station in Hainan.And the fluctuating wind speed was simulated by Shiyuan typhoon spectrum.We built a one-tower and two-span-conductor transmission line model in ANSYS according to the local tower to process the wind-induced dynamics analysis.The analysis indicates that the maximum axial compressive force of principal members can reach up to 97.1kN under fluctuating wind, which has exceeded the design value 71.9kN.Taking the pulse amplification effect of wind load into consideration, the maximum dynamic axial compressive force exceeds twice that of the static one.The buckling is the main factor for structural failure in tower, so we need to consider the pulse amplification effect of wind load in a comprehensive way.It may lead to buckling when we design transmission line simply based on static analysis.What’s more, it can even cause tower collapse.

wind resistance performance; transmission tower-line system; wind load

2016-07-27。

河北省自然科學(xué)基金(E2016502102)；中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目(073000KK52160007)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2014ZD33)。

張志強(1993-)，男，碩士研究生，研究方向為臺風(fēng)風(fēng)場、輸電線路塔線體系動力學(xué)，E-mail:m13331253173@163.com。

TM726.3

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.013