导线对输电塔动力特性的影响罗迪

导线对输电塔动力特性的影响罗迪

罗迪

（海南电力设计研究院海南海口570100）

摘要：输电线路是由输电塔以及导地线组成的连续体，结构较为复杂，且一条输电线路上的载荷主要包括自重、风、覆冰的作用，以及气温的影响，因此在设计整个线路时应有足够的结构强度来保证输电系统的正常运行。有研究结果表明输电线路故障是多种多样的，但其中由于导线的振动所引起的较为严重，而大跨越线路的振动比一般线路更为严重，将致使线路倒塔，进而可能会造成整个输电电网陷入瘫痪状态。由于结构自身的动力特性对输电线路的倒塔会产生很大影响，因此设计、计算输电线路的动力特性以保障输电线路在运行阶段的安全性和稳定性，具有重要意义。本文分析了导线对输电塔动力特性的影响。

关键词：导线；输电塔；动力特性；

结构动力响应具有明显的随机性和几何非线性特征，对地震、风以及导线覆冰等荷载反应灵敏，容易发生振动疲劳损伤，最终导致断线、倒杆倒塔等事故。输电线路发生灾害的原因很多，其中对于荷载作用机理和结构动力响应特性的复杂性存在理论认识上的不足。

一、概述

输电塔线体系由输电杆塔和导、地线连接而成，是国家输送电能的主要载体：在风荷载、地震作用或者其他动力荷载作用下，会表现出空间塔-线耦合振动的特点。随着电力系统的不断升级，输电线路的跨度越来越大，这使得导线所占输电塔-线体系的比重越来越大，导线对输电塔动力特性和动力响应的影响便越来越不容忽视。而进行输电塔线的动力特性分析，又是研究其在风荷载或者地震作用下的动力响应的基础。国内现有规范仍是采用塔和线分离的形式计算体系的动力效应，对于输电塔的动力特性分析时，还未曾考虑过输电线的影响。在计算输电塔-线体系在平面（纵向）的动力特性时，考虑了节点纵向位移的二阶小量的影响：并通过该模型计算了某工程实例，发现塔线耦联振动会使得输电塔在平面内的自振频率明显减小，而对输电塔出平面自振频率影响较小。大跨越输电塔线体系具有塔体高、跨距大、柔性强等特点，结构动力响应具有明显的随机性和几何非线性特征，对导线覆冰等环境荷载反应敏感。输电线覆冰是线路外荷载的一个重要参数，导线覆冰后不但使得导线的张力和线路不平衡力增大，而且覆冰改变了导线原有的截面形式，在风的诱发下容易发生导线舞动，最终导致断线、倒杆倒塔等事故。

二、导线对输电塔动力特性的影响

1.模型研究。无论是理论分析，还是数值模拟，力学模型对输电塔线体系动力响应分析都是至关重要的。因此，国内外学者根据研究问题侧重点的不同，建立了不同的力学模型对输电塔线体系动力响应进行了理论研究。考虑到动力响应的差别，提出了求解输电塔线藕联体系在平面动力特性的两种计算模型：在高频段，把输电塔简化成质量集中于顶部的悬臂杆，导线简化为无质量的弹簧，各塔架之间在顶部由无质量的弹簧连接，为塔线藕联摆动模型：在低频阶段，输电塔线体系平面内动力响应特性比较接近塔线多质点模型。并从理论上分析了这种简化方法的合理性及可行性，而且分析了低频下导线、塔的振动行为，给出了导线的振动对塔的振动有一定的影响的结论和频响函数；还分析了塔线跨数、边界条件、导线的质量和垂跨比对塔线体系在平面动力特性的影响。在此基础上得到了分裂导线结构舞动分析的动力学模型。对导线进行有限元模拟之前需要进行找形，即寻找初始时刻导线的位置。对导线来说，把其只承受自重荷载时的状态称为基准态，或称之为初始形态，而将其承受外荷载时的工作状态称为荷载态。在初始时刻，由于自身重力的影响，导线形状发生变化以平衡自重，在初始状态导线存在微小的初应变，导致内部存在初应力和初始张力。

2.动力特性计算方法。由于输电塔一线体系通常是正对称的，故可取一塔、半跨主跨线和半跨边跨线建立高柔、输电塔一线体系出平面（侧向）耦联振动的多自由度计算模型。将塔身简化为阶梯形悬臂杆，导线简化为垂链。塔左侧为边跨垂链，用上端固定的多质点垂链计算模型分析两端固定的悬索侧向振动的动力特性，与连续化模型相比，离散化模型亦能达到满意的计算精度，悬索侧向振动的自振圆频率为：，由此式算得输电塔线体系主跨和边跨导线侧向振动振型的自振圆频率与多质点悬臂杆相似，垂链的质量矩阵亦为对角矩阵。垂链的刚度矩阵可由刚度法求得，为一带状矩阵。因此，体系侧向振动的多自由度计算模型的质量矩阵是塔一线互不耦联的，而刚度矩阵是塔一线相互耦联的。多质点阶梯形悬臂杆的侧移刚度矩阵可通过静力凝聚法转动自由度后得到，格构式钢塔的侧移刚度矩阵可在塔各质点上加单位力获柔度矩阵后求逆得到，加上各悬挂点的塔一链互刚度系数与垂链刚度矩阵即可组合成体系的刚度矩阵。体系侧向振动的质量矩阵为以塔和各垂链集中质量为主对角线元素的对角矩阵。体系的刚度与质量矩阵由上述方法求得后，可方便地通过电算程序求得体系的各阶自振圆频和振型。在纵向，当导线的质量与塔的质量比较大时，输电塔在平面低阶振型自振频率受塔一线耦联振动的影响将有所降低，随着线／塔质量比的增加降低幅度增加。随着输电塔振型的增加降低幅度减小。而塔一线耦联振动对导线在平面自振频率影响非常小。在侧向，塔一线耦联振动对塔和导线出平面自振频率的影响都很小。无论在纵向还是在侧向，塔一线耦联振动对塔和导线各阶振型的影响都不大，也就是塔、线各自的振型不因塔一线耦联振动发生明显的变化。

3.导线划分精度对输电塔动力特性的影响。输电塔线体系最显著的特点是输电导线的力学性质非常复杂，几何非线性非常显著，正确建立导线模型是输电塔线结构分析的关键。进行有限元计算时，模型划分越精细，计算结果往往越准确，但是需要更多的计算时间和内存。因此，单元合理划分是非常重要的。一是在输电塔线体系中，低阶振动均表现为导线的振动，没有输电塔的参与，而且导线振动频率非常密集。导线划分越细，以输电线振动为主的低阶振动频率逐渐减小并趋于稳定值。导线划分粗细，对于输电塔横向振动有较大影响，尤其横向反向振动，频率最大相对差达7．9％，但对以输电塔纵向和扭转振动为主的振动影响甚小；二是导线划分越精细，输电塔振动频率计算值与实测值越接近，但是计算时间和内存也会增加。绝缘子对输电塔线体系的影响。绝缘子的存在，减小了输电塔线体整体刚度，而且改变了塔线体系的模态振型，因此建模时不能忽略绝缘子的作用。导线划分精度对输电塔线体系的影响。导地线划分精度对输电塔纵向和扭转振型几乎没有影响，但是对横向振动影响较大，最大相对误差达7．8％；应该对导线进行合理的划分。

无论是单塔还是塔线体系中的杆塔，其振型均以顺线路方向和垂直线路方向的平动振型为主，且两个方向的振动频率很接近。对输电塔进行稳定性分析时，有可能在输电塔倒塌之前，导线已被拉断。在进一步的研究中，需要考虑导线拉断时对输电塔的冲击影响。

参考文献：

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