塔线体系覆冰脱落对输电塔的动力响应研究

摘 要 输电线路的断线、覆冰和脱冰都会引起纵向不平衡张力，给输电线路安全运行带来重大威胁。本文采用ABAQUS有限元数值模拟方法，研究导地线覆冰脱落输电塔的动力响应及不平衡张力的动力系数，以期为输电塔的安全设计提供参考。

关键词 输电线路；覆冰脱落；动力响应

中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）09-0137-02

输电线路中杆塔的作用荷载宜分为横向荷载、纵向荷载和垂直荷载，其中纵向张力对于耐张塔和侧向刚度较弱的直线塔都有较大影响。输电线路会在特定情况下发生覆冰，特别是不均匀覆冰，会产生较大的不平衡张力，另外输电线路的断线和脱冰也会引起纵向不平衡张力，由此产生的这些荷载会严重威胁输电线路的安全运行。本文采用ABAQUS进行有限元数值模拟，研究导地线脱冰对输电线路铁塔结构的动力响应及不平衡张力的动力放大系数，以期为输电塔的安全设计提供参考。

1 数值模型

以某±500 kV直流输电线路为例，建模的输电塔呼称高为48 m，总高为53.4 m。塔头为羊角型，导线水平排列，塔身为方形断面，材料全部为角钢，图1为铁塔的有限元模型，建立三档四塔模型进行分析。

导地线参数如表1。

表1 导地线参数

在ABAQUS有限元模拟时，采用附加冰单元法，即在导地线单元外侧附加冰的单元来模拟覆冰，由于导地线截面形状为圆形，因此，覆冰的截面形状通常采用环形，采用管道pipe单元来模拟。由于冰的弹性模量较小，刚度贡献可以忽略不计，主要考虑其重力产生的作用。而输电线路的脱冰模拟，可以采用有限元中的单元生死法来实现，相当于模拟冰的pipe单元消失。

2 数值模拟结果

在导地线覆冰后，由于日照、温度等原因的影响，融冰时不同档距中会发生不均匀脱冰，从而产生不平衡张力，尤其是中间跨脱冰两侧覆冰的极端情况，会在相邻跨导地线连接处产生了巨大的不平衡张力，造成牵扯效应。图2和图3分别是全跨覆冰工况和中间跨脱冰后静力工况的示意图。

图2 全跨覆冰工况

图3 中间跨脱冰静力工况

1）地线脱冰的动力荷载。当输电塔线体系的某一档地线脱冰后，本档地线张力减小，会发生脱冰跳跃，脱冰会使地线跳跃上下摆动并发生剧烈振动，由于动态放大效应，地线的最大不平衡张力会较地线静态不平衡张力大很多，我们把地线动态脱冰的不平衡张力最大值与地线脱冰的静态工况的不平衡张力的比值称为动力放大系数。取不同覆冰厚度和不同档距进行分析，结果见表2。

表2 不同覆冰厚度和档距地线不平衡张力动力放大系数

由表2可以看出，地线的动力不平衡张力比静力不平衡张力增大很多。经计算，其动力放大系数大约为1.2～1.7，轻冰区动力响应影响较大，中重冰区影响相对较小，档距大时影响较大，档距较小时影响偏小。所以，本文建议在输电线路铁塔设计中，应结合覆冰厚度和档距综合考虑地线不平衡张力的动力放大效应，一般情况下建议取值不低于1.5。

2）导线脱冰的动力荷载。与地线脱冰张力类似，当中间跨导线脱冰时，相邻跨导线也将产生不平衡张力。当全跨均匀覆冰时，输电塔两侧不存在张力差，杆塔主要承受水平荷载和垂直荷载。但当某一跨覆冰脱落时，输电塔相邻跨会产生张力差，对于耐张塔和侧向刚度较弱的直线塔都有较大影响。取不同覆冰厚度和不同档距进行分析，结果见表3。

表3 不同覆冰厚度和档距导线不平衡张力动力放大系数

由表3可知，导线脱冰后，导线的动力不平衡张力比静力不平衡张力也有所增大，且放大系数随着档距和覆冰厚度的变化规律与地线脱冰类似，其数值大约在1.1～1.5之间，整体数值相对地线较小，这是由于导线绝缘子摆动，会抵消一部分张力差，降低导线的不平衡张力。

3）导线脱冰的输电塔构件的动力响应。取20 mm冰，300 m档距的导线脱冰典型情况，分析对输电塔构件的影响，如图1所示：横担下平面主材H1、H2，塔身主材S1、S2，塔腿主材T1，塔身斜材X1。分别统计相应材质在自重、全跨覆冰、脱冰静态工况、脱冰动态工况的轴应力，如表4。

表4 不同情况下输电塔构件的动力响应

由表4可知，在导线覆冰脱落过程中，输电线路铁塔的塔头、塔身、塔腿等关键部位杆件的轴应力出现较大波动，动力响应明显，在导线脱冰前，输电塔的不平衡张力小，塔身斜材受力较小，但在不均匀脱冰后，受到不平衡力带来的弯矩作用，部分斜杆的轴应力增大甚至变号。导线脱冰的动力响应也会增加铁塔基础的作用力，因此在基础设计时应相应放大安全系数，预留一定的设计欲度，防止铁塔基础的破坏。

3 结论

本文采用有限元数值模拟方法，研究导地线脱冰对输电线路铁塔结构的动力响应及不平衡张力的动力放大系数，并对导线不均匀脱冰时输电塔各个部位构件的动力响应进行分析，结论如下。

1）地线的不平衡张力会由于动力效应增大很多。经计算，其动力放大系数大约为1.2～1.7，一般情况下建议取值不低

于1.5。

2）导线脱冰不平衡张力方法系数数值大约在1.1～1.5之间，相对地线较小，这是由于导线绝缘子摆动，会降低导线的不平衡张力。

3）在导线脱冰过程中，各个杆件的轴应力出现较大波动，动力响应明显，容易引起构件失稳和破坏，并应加强输电塔基础的设计。

参考文献

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作者简介

夏谦（1986-），男，湖北咸宁人，工程师，从事输电线路工程设计。