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论文指导

风冰荷载联合作用下输电线承载力特性研究

摘    要:基于我国输电线路规范建立了输电线路风荷载模型和覆冰荷载模型,采用解析法建立了输电线在风冰荷载作用下的变形和水平张力计算方法。以某实际输电线为工程背景,基于开发的分析程序,研究了风冰荷载联合作用下输电线承载力特性。结果表明,覆冰厚度对输电线承载力的影响明显大于档距和垂度的影响。
 
关键词:输电线;覆冰荷载,风荷载;张力,
 
Research on Force-bearing Capacity of Transmission Lines Under Wind and Ice
Combined Loading
LI Shuo BAI Ying-hua SONG Xin-xin
Hubei Key Laboratory of Roadway Bridge and Structural Engineering,Wuhan University of
Technology School of Civil Engineering Architecture and Environment,Hubei University of
Technolog
 
Abstract:
The models of wind loading and icing loading were established based on the Chinese design codes of transmission line.The analytical method of deformation and horizontal tension of transmission line under wind and ice loading were developed based on theoretical analytical solution.A real transmission line was used as an example to examine the force-bearing capacity of transmission lines under wind and ice combined loading using developed computational program.The results show that the effects of icing thickness on force-bearing capacity are much larger than those of span and sag of transmission lines.
 
Keyword:
transmission line; icing loading; wind loading; tensile force;
 
输电线路跨度巨大,沿途跨越地形复杂和气候多变地区,致使输电线路具有事故频发等特点。国内外相关调查表明,风荷载和覆冰荷载对线路的安全运行具有重要影响[1,2,3,4]。我国南方地区多次因覆冰引发严重的电网事故,包括冰闪、断线和倒塔等,给国民经济造成巨大损失。据不完全统计,自建国以来我国已经发生上千次输电线路的覆冰灾害事故。在2008年冰雪灾害中,我国南方大量输电线路遭受了极端覆冰灾害。据统计,国家电网公司因覆冰灾害造成10~110kV杆塔倒塔超过14万基。输电线路在承受覆冰荷载的时候,不可避免地同时承受风荷载的作用。输电线路长时间在恶劣环境下服役,其承载能力不可避免地逐渐衰退。因此,如何在线路强度退化后仍保证其正常运行具有重要的现实意义[5,6,7]。
 
Imail等[8]考虑雨凇覆冰,建立了覆冰预测模型。上世纪80年代Makkonen等[9]考虑覆冰为湿增长,提出了输电线的覆冰数值模型,并引入捕捉系数和冻结系数进行模型修正,该模型适用范围较为广泛。随后,Makkonen等[10]对模型进行改进,提出了一种新的综合数值模型,该模型包括冰柱生长的详细信息。2010年蒋兴良[11]在人工气候室内研究了覆冰时间及环境参数对线路覆冰的影响。田金鹏[12]基于Makkonen模型对输电线的覆冰增长特性做了参数研究,并通过有限元软件分析了韶关某输电线路的覆冰情况。邓梦妍[13]采用有限元软件建立了钢芯绞线模型,研究了输电线覆冰过程中碰撞过程的影响因素。
 
总体而言,国内外学者或通过调查气象资料、或通过分析覆冰监测数据、或通过人工气候室试验相继建立了各种覆冰模型[14,15,16,17]。部分模型应用范围较广,部分模型仅适用于特定区域。虽然目前国内外针对输电线路覆冰效应开展了相关研究,但是对输电线路覆冰演化规律以及覆冰对输电线服役性能影响的理解还不完善,相关工作有待继续深入进行[18,19,20,21]。基于此,作者开展了风冰荷载联合作用下输电线承载力特性的研究。首先基于我国输电线路规范建立了输电线路风荷载模型和覆冰荷载模型。采用解析法建立了输电线在风冰荷载作用下的变形和水平张力计算方法。以某实际输电线为工程背景,基于开发的分析程序,研究了风冰荷载联合作用下输电线承载力特性。
 
1 输电线风冰荷载
根据输电线路设计规范,输电线的水平风荷载可表示为
 
式中,W为风荷载标准值;α为风荷载不均匀系数;W0为基本风压标准值;μz和μsc分别为风压高度变化系数和体型系数;βc为荷载调整系数;d为输电线直径;Lp为水平档距;θ为风向与输电线之间的夹角。
 
输电线路中通常采用比载来描述服役荷载。输电线自重比载γc(N/(m·mm2))可表示为
 
式中,m为每米长导线的质量,kg/m;A为输电导线横截面积,m2。
 
依据输电线路设计标准,标准的覆冰形状可假设为圆柱形(如图1所示)。输电线承受覆冰所引起的冰重比载γi可表示为
 
式中,ρi为覆冰密度,kg/m3;D为导线直径,m;b为导线覆冰厚度,m。
 
则单位长度冰柱的重力qi为
式中,ρi为覆冰密度,kg/m3;b为覆冰厚度,m;D为导线直径,m;b为导线覆冰厚度,m。
 
2 输电线受力模型
在风冰荷载和自重荷载作用下,输电线线形由初态向终态变化,竖向荷载作用下输电线初态和终态如图2所示。
 
假设在初始状态下,输电线承受的荷载为q0,形状曲线为z0,水平张力为H0。输电线作用有风荷载和覆冰荷载后其荷载增量为Δq,则所承受的荷载由q0变为q0+Δq,内力由H0变为H0+ΔH、坐标也由z0变为z0+w,其中w表示输电线变形。由图2可知,设输电线由初始状态过渡到终态时温度变化为ΔT。分析长度为ds0的微分单元AB,它在变化后移动到A′B′的位置,其长度变为ds。由几何关系可知
 
输电线的总伸长为
 
式中,ur和ul分别为两端水平位移;l表示沿整个跨长积分。
 
索的伸长由索内力增量和温度变化所引起,即
 
令式(7)与式(8)相等可得输电线的变形协调方程为
 
输电线在初始状态下,荷载q0、曲线状态z0和初始水平张力H0均为已知。它们满足式(10)平衡条件。
 
在输电线上施加外荷载后,结构受力状态过渡到终态。此时内力H和曲线的形状z满足变形协调条件和新状态下的平衡条件,即
 
将初始状态的平衡方程和终态的平衡方程代入到终态的变形协调方程中,可得风冰荷载作用下的输电线张力为
 
式中,V0和V分别为初始状态和终态下的输电线剪力。
 
3 输电线响应效应
以某实际输电线为背景,研究风冰荷载联合作用下的输电线非线性响应特点。该输电线为LGJ-240/40的钢芯铝绞线,输电线路所在地其风荷载重现期为30年。输电线初始状态不覆冰,覆冰后冰厚为30mm,档距为300m,两端等高,垂跨比为1/40,覆冰密度900kg/m3。
 
图3给出了档距对输电线变形的影响,分析过程中考虑了300m、400m和500m3种不同档距。在垂跨比不变的情况下,随着输电线档距的增加,其离地高度逐渐减小。由风荷载和覆冰所引起的竖向位移也逐渐增加。在档距300m时,竖向变形为2.68m。档距400m时,竖向变形为4.23m,增幅达57.3%。若档距增加为500m,竖向变形为5.58m,已达300m档距的2.08倍。显然,在荷载作用下竖向变形的增加速度明显大于水平档距的增加速度。表1给出了参数变化下输电线水平张力结果。随着档距的增加,水平张力逐渐增加,从300m档距时的41.65kN增加为500m档距时的59.04kN,张力增幅明显小于档距增幅。
 
图4给出了垂跨比对输电线变形的影响。垂跨比为1/50时,施加荷载前后竖向变形增量为3.29m。垂跨比为1/40时,施加荷载前后竖向变形增量为2.68m,变化幅度为18.5%。若垂跨比为1/30时,施加荷载前后竖向变形增量为1.85m,变化幅度为17.1%。随着垂跨比的增加,水平张力逐渐减小,从1/50垂跨比时的43.37kN减小为1/30垂跨比时的37.46kN,变化幅度为13.6%,水平张力的变幅略小于竖向位移。相对而言,垂度的影响明显小于档距对输电线承载力的影响。
 
图5 给出了档距和垂度不变下,覆冰厚度对输电线变形的影响。随着覆冰厚度的增加,作用于输电线的竖向荷载显著增加,输电线的线形也发生显著变化,输电线的竖向位移明显增加。覆冰厚度从10mm增加到30mm过程中,覆冰厚度线性增加,跨中竖向变形也基本呈线性增加方式。但实际上虽然覆冰厚度线性增加,但覆冰荷载按二次函数增加。因此,覆冰荷载相较于导线竖向位移而言增加速度更快。随着覆冰厚度增加,水平张力迅速增加,从10mm覆冰厚度时的25.75kN急速增加为30 mm覆冰厚度时的59.52kN。覆冰厚度增加为3倍,水平张力增加为2.31倍。
 
图6 给出了在档距、垂度和外荷载等参数不变的条件下,不同输电线类型对其竖向变形的影响结果。
 
分析过程中还考虑了LGJ-300/50和LGJ-400/50两种输电线类型。显然,输电线类型的差异对其风冰荷载联合作用下的响应影响较为明显。虽然不同输电线的档距、垂度等几何参数和外荷载参数一样,但由于各输电线物理参数和力学参数不同,导致了它们在外荷载作用下明显不同的承载力特征。采用不同输电线型号时,其水平张力存在一定差异,但张力值均介于40~50kN之间差异约为10%~20%。
 
4 结论
a.覆冰和风荷载联合作用下,输电线发生了明显的变形和水平张力变化。
 
b.随着档距的增加,竖向变形和水平张力逐渐增加,张力增幅明显小于档距增幅。随着垂跨比的增加,水平张力逐渐减小。随着覆冰厚度的增加,作用于输电线的竖向荷载显著增加,输电线的线形也发生显著变化,输电线的竖向位移明显增加。
 
c.覆冰厚度对输电线承载力的影响明显大于档距和垂度的影响。
 
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