貴州電網(wǎng)老舊輸電線路覆冰危險點桿塔結(jié)構(gòu)可靠性分析

毛先胤，華建坤，曾華榮，何榮卜，王勇，余啟春

(1.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550000；2.中國電建集團貴州電力設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽，550000)

在新的重覆冰規(guī)程下，一部分老舊鐵塔已不滿足安全運行要求[1-2]。如果將原有鐵塔直接拆除另行設(shè)計和建造，不僅會產(chǎn)生大量的經(jīng)濟成本，而且在重新建造期間會給社會帶來停電等不利因素[3-5]；由此可見不斷深入研究輸電鐵塔的整體穩(wěn)定性、局部承載力，明確鐵塔薄弱環(huán)節(jié)[6-17]并進行加固補強，使原有的鐵塔結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)使用，極具科研及使用價值。為了解決鐵塔安全性不足的問題，學者們針對鐵塔提出了大量加固理論和方法[18-26]。調(diào)查顯示，2008年貴州電網(wǎng)區(qū)域因冰雪災(zāi)害停運線路共5075條，其中110kV線路277條，220kV線路94條，500kV線路29條(含外送通道3條)，受災(zāi)面積廣、停電范圍大。因此有必要分析計算貴州電網(wǎng)老舊鐵塔自身的荷載，模擬計算出導地線對于鐵塔的作用，了解覆冰危險點桿塔可靠性，為后續(xù)加固補強和進一步提高貴州電網(wǎng)安全運行能力提供理論支撐。

1 覆冰荷載對鐵塔影響

輸電線路覆冰災(zāi)害事故產(chǎn)生的直接原因可分為四類：1)實際覆冰厚度大于設(shè)計覆冰厚度，同時覆冰導致風壓面積增大，進而引發(fā)過荷載事故；2)覆冰不均勻或者脫冰不同時造成機械和電氣方面的事故；3)絕緣子串覆冰太多或被覆冰橋接，使得絕緣子串的電氣性能降低；4)不均勻覆冰引起的導線舞動事故。綜上，覆冰的類型、密度等不確定性導致了覆冰的隨機性，這使輸電線路結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的作用荷載也會產(chǎn)生不規(guī)律的變化。隨著導地線覆冰厚度的增加，鐵塔承受的荷載會越來越大，主要體現(xiàn)在水平、垂直和縱向上。

1.1 不同覆冰厚度下的水平與垂直荷載

桿塔水平和垂直檔距不變，覆冰厚度發(fā)生變化時鐵塔水平和垂直荷載如表1所示。

由表1可以看出，隨著覆冰厚度增加，桿塔所承受的水平荷載、垂直荷載均呈現(xiàn)增長的趨勢。同時導線線徑越小，覆冰造成的荷載增量倍數(shù)越大，即對線路的影響越大，通常電壓等級越小，所使用的導線線徑越小，由此可以發(fā)現(xiàn)覆冰對于低電壓等級的影響會大于高電壓等級。線路覆冰危害對于小截面導線危害程度大于大截面導線；受到覆冰影響時，導地線截面尺寸越小風險越高。

表1 (a)不同覆冰厚度下的水平荷載Tab. 1 (a) Horizontal loads under different icing thickness

表1 (b)不同覆冰厚度下的垂直荷載Tab. 1 (b) Vertical loads under different icing thickness

1.2 覆冰厚度對不平衡張力的影響

覆冰區(qū)線路檔距、塔高不相等時或連續(xù)相鄰檔距不一致時，導線覆冰會造成線路荷載靜態(tài)縱向不平衡。覆冰的脫落或除掉是極不均衡的，這將使導線固定點承受很大的沖擊荷載。在線條過載不均勻冰情況下鐵塔承受的不平衡張力如表2所示。從表2中可見覆冰厚度增加對張力影響很大。

表2 (a)10mm冰區(qū)過載冰時鐵塔承受不平衡張力Tab.2 (a)Unbalanced tension of iron tower under overload ice in 10mm ice area

表2 (b)20mm冰區(qū)過載冰時鐵塔承受不平衡張力Tab.2 (b)Unbalanced tension of iron tower under overload ice in 20mm ice area

1.3 檔距和高差對不平衡張力的影響

覆冰厚度不變檔距改變時導線的不平衡張力如表3所示。從表3中可以看出檔距對不均勻冰引起的不平衡張力影響極大，因此對重覆冰段有必要縮短檔距以限制不平衡張力。

覆冰厚度和檔距相同但高差不同條件下不平衡張力如表4所示。

表3 (a)10mm冰區(qū)不平衡張力Tab.3 (a) Unbalanced tension in 10mm ice area

表3 (b)20mm冰區(qū)不平衡張力Tab.3 (b)Unbalanced tension in 20mm ice area

表4 (a)10mm冰區(qū)不平衡張力Tab.4 (a)Unbalanced tension in 10mm ice area

表4 (b)20mm冰區(qū)不平衡張力Tab.4 (b)Unbalanced tension in 20mm ice area

綜上可知，隨著導線過載覆冰厚度的增加，鐵塔承受的垂直、水平、縱向荷載急速增加，是倒塔、斷線等事故發(fā)生的主要原因。同時隨著導、地線線徑的增大，在覆冰厚度增加時，水平、垂直及縱向荷載的增加倍數(shù)有所減少，即可認為覆冰危害對于使用小截面導線的鐵塔大于使用大截面導線鐵塔，覆冰危害風險對于低電壓等級影響大于高電壓等級。

2 鐵塔力學模型

2.1 三維力學模型的建立

鐵塔結(jié)構(gòu)的可靠性根據(jù)《工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準》中的定義為結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力，可以利用下式來衡量。

γ0Sd≤Rd

Sd≤C

γ0—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Sd—荷載組合的效應(yīng)設(shè)計值；

Rd—結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力設(shè)計值；

C—結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限值。

依托本項目前期對貴州電網(wǎng)老舊輸電線路覆冰運行情況的調(diào)研，選取具備典型特征的220kV“羊角”耐張塔YJ22及500kV“干”字型耐張轉(zhuǎn)角塔JG22，作為三維力學模型的建立對象，其設(shè)計運行情況如表5所示。

表5 典型鐵塔塔設(shè)計運行條件Tab.5 Design operating conditions of typical tower

圖1 桿塔連接節(jié)點類型Fig.1 Type of tower connection node

鐵塔中主材、斜材、輔助材的連接如圖1所示，采用梁-桁架混合力學模型，根據(jù)各構(gòu)件節(jié)點類型和連接方式的不同，對力學模型中各構(gòu)件的連接作以下簡化：

(1)鐵塔中主材與斜材采用多個高強螺栓直接連接或螺栓節(jié)點板連接，將此連接節(jié)點視為剛性；

(2)斜材和斜材相交處僅用一顆螺栓連接，在實際工程中，兩斜材連接處常有較大間隙，且輸電鐵塔中斜材變形不大，因此模擬時忽略此類節(jié)點，不考慮兩斜材之間的相互作用；

(3)斜材和輔材之間的聯(lián)接是通過單根螺栓相連，我們將此類節(jié)點作為鉸接節(jié)點來處理；

(4)主材和主材、主材和斜材之間的節(jié)點都屬于剛接，節(jié)點可以傳遞彎矩和剪力，所以將鐵塔的主材和斜材作為梁單元處理；

(5)輔材與主材和斜材之間的節(jié)點都屬于鉸接僅能傳遞軸力，所以將輔材作為桿單元來處理。

2.2 設(shè)計氣象組合及導地線參數(shù)

220kV和500kV典型鐵塔氣象組合條件 分別如表6、表7所示。

表6 220kV氣象組合Tab.6 220kV meteorological combination

表7 500kV氣象組合Tab.7 500kV meteorological combination

3 典型鐵塔可靠性分析

為了解《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T5440-2020)發(fā)布后，老舊輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)的可靠性，選取220kV線路YJ22鐵塔和500kV線路JG22鐵塔作為代表，利用北京道亨公司開發(fā)的《自立式鐵塔多塔高、多接腿滿應(yīng)力分析程序》建立鐵塔力學模型，約束四個塔腳處節(jié)點的所有位移，進行承載能力和正常使用極限狀態(tài)下的桿塔受力分析。

3.1 220kV典型鐵塔YJ22分析

針對老舊線路中使用較多的典型塔型YJ22進行鐵塔可靠性分析，在上述荷載效應(yīng)基本組合下，線性狀態(tài)中鐵塔承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)受力分析應(yīng)力分布結(jié)果如圖2(a)、(b)所示。

圖2 (a)YJ22承載能力極限狀態(tài)下應(yīng)力分布 圖2 (b)YJ22正常使用態(tài)下應(yīng)力分布Fig.2 (a)Stress distribution in the ultimate state of YJ22 Fig.2 (b)Stress distribution of YJ22 in normal service statebearing capacity

從圖2(a)、(b)中我們可以發(fā)現(xiàn)，荷載效應(yīng)標準組合工況下，220k羊角塔導線橫擔、塔身交叉斜材仍存在覆冰破壞風險，橫擔主材、少量斜材仍處于應(yīng)力計算超限狀態(tài)，控制工況為覆冰斷線及不均勻覆冰，即可認為鐵塔及導地線覆冰達到設(shè)計標準時，鐵塔正常使用不滿足要求，存在受損風險。因為《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T5440-2020)的實施，對于鐵塔覆冰荷載效應(yīng)的計算有了較為顯著的提高，在現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范標準的要求下，老舊線路的典型鐵塔整體難以滿足現(xiàn)行規(guī)范的承載能力要求，大量桿件存在應(yīng)比例超限風險。超限桿件主要分布于羊角塔導線橫擔主材、塔身交叉斜材、塔腿斜材及個別塔身主材，各超限桿件計算應(yīng)力比見表8。

計算結(jié)果表明，塔身主材超限構(gòu)件(1110-1130)桿件規(guī)格為L125X10H，控制工況為不均勻覆冰受扭，90°風，穩(wěn)定性系數(shù)為0.68，桿件應(yīng)力比為103.5%，該桿件為受壓穩(wěn)定性控制。塔腿斜材(1230-1270)桿件規(guī)格為L80X6S，控制工況為不均勻覆冰受扭，90°風，穩(wěn)定性系數(shù)為0.352，桿件應(yīng)力比為101.8%，該桿件為受壓穩(wěn)定性控制。導線橫擔上部主材(60-150),桿件規(guī)格L90X7H，控制工況為覆冰，90°風，桿件應(yīng)力比為103.3%，該桿件為受拉強度控制，其中60-120及140-150段由于其單肢連接的特性，需按照《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)考慮強度折減系數(shù)0.7，這是由于考慮單肢連接時桿端非全部直接傳力而造成的剪切滯后及正面正應(yīng)力分布不均勻的影響，故該桿件為桿端傳力受拉控制；導線橫擔下部主材(60-190)，桿件規(guī)格L100X8H，控制工況為不均勻覆冰受扭，0°風，穩(wěn)定性系數(shù)為0.439，桿件應(yīng)力比為131.4%，由于100-190段構(gòu)件特性為單面連接、一端偏心，一端中心受力，根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)在該受力模式下，構(gòu)件長細比修正系數(shù)需按照(0.75+30(L0/r))取值，進而降低了構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)，歸根結(jié)底該桿件受節(jié)點連接傳力特性控制，降低了構(gòu)件的穩(wěn)定性，形成節(jié)點連接處薄弱環(huán)節(jié)。塔身正面交叉斜材控制工況均為不均勻覆冰控制，側(cè)面交叉斜材控制工況為覆冰斷線工況，桿件應(yīng)力比為106.1%至158.2%，塔身交叉斜材由于其受力性質(zhì)為一拉一壓桿件。

表8 YJ22超限桿件計算應(yīng)力比Tab.8 Calculated stress ratio of YJ22 transfinite member

綜上所述，由于《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(D DL/T5440-2020)的實施，規(guī)定了重冰區(qū)需要考慮不均勻覆冰受扭工況，同時由于覆冰增大系數(shù)的考慮，故YJ22鐵塔在按照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程驗算后多根桿件產(chǎn)生了應(yīng)比例超限的情況，該鐵塔在按照現(xiàn)行規(guī)定使用條件上存在一定的安全風險,需對該塔型做提高防冰減災(zāi)能力改造。

3.2 500kV典型鐵塔JG22分析

針對老舊線路中使用較多的典型塔型JG22進行鐵塔可靠性評估分析，在上述荷載效應(yīng)基本組合工況下，線性狀態(tài)中鐵塔承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)受力分析應(yīng)力分布結(jié)果如圖3(a)、(b)所示。

圖3 (a)JG22承載能力極限狀態(tài)應(yīng)力分布 圖3(b)JG22正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力分布Fig.3 (a)Stress distribution in ultimate state of Fig.3 (b)Stress distribution of JG22 in normal JG22 bearing capacity service limit state

從圖3(a)、(b)中可以看出，荷載效應(yīng)標準組合工況下，線性狀態(tài)中鐵塔正常使用極限狀態(tài)受力分析應(yīng)力分布結(jié)果基本滿足設(shè)計使用要求，即可認為鐵塔及導地線覆冰達到設(shè)計標準時，鐵塔正常使用滿足要求，但安全裕度較低，當面對覆冰超載時有鐵塔受損風險。

在承載能力極限狀態(tài)下，老舊線路的典型干字型鐵塔JG22，在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程要求下導線橫擔主材，塔頭部分主材及側(cè)面交叉斜材、塔身斜材及個別塔腿主材、斜材不能滿足承載能力要求，各超限桿件計算應(yīng)力比如表9所示。

計算結(jié)果表明，塔頭主材(470-490)，桿件規(guī)格為L110X8H，控制工況為覆冰，90°風，桿件穩(wěn)定性系數(shù)為0.620，桿件應(yīng)力比為103.6%，為受壓穩(wěn)定性控制桿件；塔頭主材(790-870)超限工況情況同(470-490)，桿件規(guī)格為L160X14H。導線橫擔下平面主材(60-790)，桿件規(guī)格為L160X12H，控制工況為覆冰斷線，桿件穩(wěn)定性系數(shù)為0.659，桿件應(yīng)力比為108.6%，由于60-790段構(gòu)件特性為單面連接,一端偏心，一端中心受力，根據(jù)《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5154-2012)在該受力模式下，構(gòu)件長細比修正系數(shù)需按照(0.75+30(L0/r))取值，進而降低了構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)，歸根結(jié)底該桿件受節(jié)點連接傳力特性控制，降低了構(gòu)件的穩(wěn)定性，形成節(jié)點連接處薄弱環(huán)節(jié)。塔腿主材(1010-1030)，桿件規(guī)格為L200X24H，控制工況為覆冰，90°風，桿件穩(wěn)定性系數(shù)為0.808，桿件應(yīng)力比為100.2%，為強度控制桿件。塔腿斜材(1070-1270、1070-1310、1070-1330)，桿件規(guī)格為L125X8H,控制工況均為不均勻覆冰受扭，90°風，應(yīng)力比超限100.0%至105.3%，穩(wěn)定性系數(shù)為0.329-0.351，均為受壓穩(wěn)定性控制桿件。塔身正面交叉斜材控制工況均為不均勻覆冰控制，側(cè)面交叉斜材控制工況為覆冰斷線工況，桿件應(yīng)力比為102.2%至127.4%，塔身交叉斜材由于其受力性質(zhì)為一拉一壓桿件。

綜上所述，由于《重覆冰架空輸電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T5440-2020)的實施，規(guī)定了重冰區(qū)需要考慮不均勻覆冰受扭工況，同時由于覆冰增大系數(shù)的考慮，故JG22鐵塔在按照現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程驗算后多根桿件產(chǎn)生了應(yīng)比例超限的情況，該鐵塔在按照現(xiàn)行規(guī)定使用條件上存在一定的安全風險,需對該塔型做提高防冰減災(zāi)能力改造。

表9 JG22超限桿件計算應(yīng)力比Tab.9 Calculated stress ratio of JG22 transfinite member

4 結(jié)論

1)隨著導線線徑的增大，在覆冰厚度增加時，水平、垂直及縱向荷載的增加倍數(shù)有所減少，導線截面越小覆冰危害越大。

2)老舊線路典型鐵塔YJ22和JG22在現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程要求下，實際覆冰達到設(shè)計覆冰時，承載能力極限狀態(tài)難以滿足設(shè)計要求，JG22鐵塔正常使用極限狀態(tài)基本符合承載能力要求，在實際覆冰達到設(shè)計值時，鐵塔安全裕度較小，當覆冰過載時，鐵塔使用存在風險隱患。YJ22鐵塔正常使用極限狀態(tài)仍有部分構(gòu)件存在應(yīng)力超限，在實際覆冰達到設(shè)計值時，鐵塔使用存在風險隱患。

3)老舊線路典型鐵塔YJ22和JG22超限桿件多為受壓穩(wěn)定性控制，少量桿件為強度控制及節(jié)點連接控制。故后續(xù)研究針對提高鐵塔防冰減災(zāi)能力研究可著重于提高構(gòu)件受壓穩(wěn)定性及強化節(jié)點連接兩個方面。通過二者的提高來提高鐵塔整體的防冰減災(zāi)能力。

4)針對老舊線路典型鐵塔中導線橫擔上平面主材單肢連接受拉控制時，后續(xù)研究可針對性的研究改善桿端傳力機制，降低剪切滯后效應(yīng)改善正應(yīng)力分布的改造方法，來提高橫擔上平面主材防冰減災(zāi)承載能力。