淺談500kV架空輸電線路覆冰失效有限元仿真分析

王旦黎 楊磊 王曉冬 羅洋

摘 要：高壓架空輸電線路覆冰是當(dāng)前影響我國電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全的重要因素，借助有限元仿真分析模型能夠?qū)Ω邏杭芸蛰旊娋€路覆冰現(xiàn)象做出詳盡的分析，從而為輸電線路穩(wěn)定發(fā)展提供重要的支持。為此，文章結(jié)合線路覆冰氣候區(qū)的特點(diǎn)，借助有限元仿真分析模型打造兩個耐張段的塔線力學(xué)數(shù)值分析模型，就不同氣候、覆冰程度、風(fēng)向環(huán)境下塔線系統(tǒng)失效情況進(jìn)行探究。

關(guān)鍵詞：高壓架空輸電線路；覆冰；有限元仿真分析

覆冰是自然界中常見的一種現(xiàn)象，從發(fā)展實(shí)際情況來看，在外界環(huán)境溫度過低環(huán)境中如果下雪，覆冰的厚度將會加大，嚴(yán)重危害了電網(wǎng)的運(yùn)行。500kV架空輸電線塔在遭遇這種環(huán)境因素的影響會出現(xiàn)鐵塔傾斜、導(dǎo)線斷線的問題，由此嚴(yán)重危害了人們的實(shí)際生活。為此，文章借助有限元仿真模型的構(gòu)造原理就怎樣防范高壓輸電線路覆冰危害問題進(jìn)行探究。

一、有限元分析

有限元分析是利用和數(shù)學(xué)原理相近的方法來對真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，在模擬的過程中會涉及到多個單元，能夠應(yīng)用有限數(shù)量的未知量趨近無限未知量的過程來打造一個真實(shí)系統(tǒng)。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元，有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。

二、基于有限元分析理論的500kV架空輸電線路系統(tǒng)力學(xué)分析

（一）本構(gòu)方程

500kV架空輸電線路系統(tǒng)的受力分析屬于強(qiáng)度問題，在方程構(gòu)建的過程中會應(yīng)用到彈性力學(xué)知識。彈性力學(xué)控制方程具體包含微分方程和材料本構(gòu)方程。結(jié)合輸電線路結(jié)構(gòu)體系和方程構(gòu)造，應(yīng)用有限元分析方法打造實(shí)體模型。

（二）梁單元

500kV架空輸電線路系統(tǒng)基本梁單元如圖一所示。根據(jù)圖一發(fā)現(xiàn)，梁單元是一種兩節(jié)點(diǎn)三維線性有限元應(yīng)變單元，每個單元上安排了七個自由度，具體包含轉(zhuǎn)動自由度、平動自由度和翹曲WARP，在發(fā)展的過程中具備拉、壓、彎、扭和剪的特點(diǎn)。梁單元在變形之后橫截面會保持一種平衡不扭曲的現(xiàn)象，且在使用的過程中能夠進(jìn)行截面模擬，從而幫助人們更好分析各個材料模型。

（三）索單元

輸電線路的導(dǎo)線和導(dǎo)線作為一種柔性 構(gòu)件，在使用的過程中往往不會承受較多的壓力和彎矩，而是僅僅承受拉力。和一般的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比，導(dǎo)地線的剛度比較小、跨度和撓度較大，非線性程度較高。

（四）桿單元

絕緣子串和導(dǎo)線連接金具的尺寸大小和一般鐵塔導(dǎo)線接地系統(tǒng)相比比較小，因而對塔線結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析影響較小。為了能夠計(jì)算出高壓架空輸電線路的檔距、高差和因?yàn)椴痪夂奢d引起的應(yīng)力形變，可以應(yīng)用梁單元來模擬整個輸電線路鐵塔，將鐵塔的界面打造成“L”型，之后將界面和偏心進(jìn)行連接，打造實(shí)體模型。

三、基于有限元分析理論的500kV架空輸電線路系統(tǒng)數(shù)值分析

（一）初始數(shù)值的確定

500kV架空輸電線路最難確定的初始數(shù)值是導(dǎo)線和地線，在一般情況下，架空輸電線路導(dǎo)線、地線在重力的作用下會呈現(xiàn)出懸鏈結(jié)構(gòu)，各個受力狀態(tài)會達(dá)到一種平衡。如果500kV架空輸電線路初始線路確定不恰當(dāng)，那么將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)在受力求解之后出現(xiàn)形變。

（二）有限元分析模型

在2008年的冰雪災(zāi)害中，某地區(qū)500kV架空輸電線路在使用的過程中出現(xiàn)斷線、倒塔事故，事故地區(qū)的海拔高度在135m-435m之間。結(jié)合事故發(fā)生現(xiàn)象建立有限元覆冰仿真分析模型。在建模操作過程中充分利用塔平面對稱的特點(diǎn)，分別打造四分之一和二分之一模型，如圖一所示。

（三）計(jì)算結(jié)果

將風(fēng)荷載和覆冰負(fù)載作為基本荷載形式，按照公式分別計(jì)算鐵塔的角鋼、絕緣子、導(dǎo)線荷載和地線荷載。在導(dǎo)線覆冰的時候可以根據(jù)導(dǎo)線覆冰質(zhì)量和導(dǎo)地線的覆冰重力來計(jì)算出荷載。假設(shè)風(fēng)向?yàn)槟孓D(zhuǎn)角的基本風(fēng)向，通過改變覆冰厚度和風(fēng)速能夠打造仿真分析模型，啟動大變形分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)線覆冰厚度和風(fēng)速的不斷增加下，鐵塔和導(dǎo)線會出現(xiàn)位移的現(xiàn)象。在風(fēng)速每秒10m、覆冰厚度是22mm的時候，299鐵塔的應(yīng)力情況如圖二所示。

（四）鐵塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)策略

根據(jù)上文分析發(fā)現(xiàn)在風(fēng)速為每秒10m的時候，299轉(zhuǎn)角塔上導(dǎo)線轉(zhuǎn)角外端吊桿覆冰厚度在超過22mm 的時候出現(xiàn)了比較大的變形，承受的檔距差、高度差、轉(zhuǎn)角差加劇了輸電線路的承重和張力不平衡程度。針對這個問題需要相關(guān)人員采取有效的措施來仿真檢驗(yàn)和分析整個塔線系統(tǒng)，經(jīng)過一段時間的分析和觀察發(fā)現(xiàn)，在沒有風(fēng)力作用的情況下，500kV架空輸電線路臨界點(diǎn)覆冰厚度會從21mm轉(zhuǎn)變?yōu)?9mm，在逆轉(zhuǎn)角風(fēng)向狀態(tài)下、風(fēng)速每秒10m的時候，500kV架空輸電線路覆冰厚度也會從22mm變?yōu)?0mm，由此證明系統(tǒng)改進(jìn)效果良好。

結(jié)束語

綜上所述，文章在闡述有限元分析內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，結(jié)合500kV架空輸電線路的實(shí)際覆冰情況打造了有限元仿真分析模型，根據(jù)模型的信息發(fā)現(xiàn)，在達(dá)到臨界點(diǎn)覆冰厚度的時候，500kV架空輸電線路系統(tǒng)多個位置的應(yīng)力達(dá)到了最大屈服強(qiáng)度，桿塔發(fā)生了較大的形變，整個系統(tǒng)運(yùn)作將會失效，且風(fēng)向?qū)?00kV架空輸電線路系統(tǒng)的影響要比風(fēng)速的大。

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