输电线路杆塔疲劳可靠性的分析

输电线路杆塔疲劳可靠性的分析

聂颖涛

中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司 云南 昆明 650000

摘要：输电线路杆塔疲劳不仅在电网线路输电运行中存在着较大的安全隐患，而且可能对于电力系统电网线路的正常和稳定运行有着很大的不利影响。进行输电线路杆塔疲劳可靠性的研究，有利于对于输电线路杆塔疲劳情况进行有效防治，保证电力系统和电网线路的安全稳定输电运行。本文主要依照输电线路杆塔结构以及环境荷载特征，通过建立输电线路杆塔疲劳损伤模型，以阵风环境下输电线路杆塔的荷载特征分析为主，进行输电线路杆塔疲劳损伤可靠性的分析研究。

关键词：输电线路；杆塔；疲劳损伤；可靠性；环境荷载；研究

输电线路杆塔疲劳问题对于电力系统和电网线路的正常输电运行有着很大的危害影响。随着社会经济的发展以及电力用户的电力需求不断增长，高耸结构输电线路杆塔在电力运行输送中应用数量越来越多，因此，输电线路杆塔疲劳对于电网线路运行安全影响越来越大，输电线路杆塔疲劳可靠性在进行输电线路设计中也被列为重要考虑范围。高耸结构输电线路杆塔在环境荷载作用下的疲劳损伤主要有低频循环与高频循环两种类型。其中，低频循环输电杆塔疲劳损伤主要是指频次相对较少的强风暴雨对于输电线路杆塔疲劳的加剧损伤；高频循环输电杆塔疲劳是指在输电线路杆塔的结构使用期内，由于低水平应力循环的重复作用，对于杆塔疲劳的加剧累积损伤。

1、杆塔疲劳损伤可靠性分析

1.1 疲劳损伤分析模型建立

电力系统的电网线路中，对于输电线路杆塔的疲劳损伤分析，主要是从环境荷载作用与输电导线本身的附加动力作用对于输电线路杆塔疲劳损伤影响的两个方面进行的。结合以往对于输电线路杆塔疲劳损伤情况的分析试验结果可以知道，输电导线中的电流流场情况以及输电导线本身的悬挂和不悬挂情况，对于输电导线附加动力作用的疲劳损伤增加影响作用并不大。所以，在进行输电线路杆塔疲劳损伤分析模型建立时，主需要从以下几个方面进行建模分析。首先，在进行输电线路杆塔的疲劳应力作用分析时，可以将输电导线的质量因素归入到输电导线附加动力疲劳损伤加剧影响作用中。其次，在进行输电线路杆塔疲劳可靠性分析中，对于输电导线的疲劳影响不进行考虑。最后，在进行输电线路杆塔疲劳可靠性分析模型的建立时，是以输电线路杆塔刚度与强度情况分布均匀，并且输电线路杆塔连接点之间连接可靠为条件，假设输电线路杆塔疲劳损伤发生在杆塔的最不利于荷载的界面结构中。

1.2环境荷载作用特征

进行输电线路杆塔的环境荷载作用特征分析，主要就是对于阵风以及暴雨环境条件下的输电线路杆塔的荷载情况进行分析。

首先，阵风环境条件下的输电线路杆塔荷载主要是指顺风向的湍流脉动作用。对于这种情况下的输电线路杆塔荷载的计算，是在假定阵风作用是平稳并且随机的状态下，通过阵风风速功率谱密度函数实现的，如下列公式（1）（2）所示。

（1）

（2）

如上述两个公式中，公式（1）表示的是空间两点i与j之间的互功率谱密度函数关系，而公式（2）则表示的是公式（1）空间两点之间的相干函数关系。建立公式（2）中的函数关系是通过建立计算坐标，在已知计算点的平均风速情况与顺风向的湍流频率情况下进行公式关系的建立。

阵风作用对于输电线路杆塔的疲劳影响，根据风速大小的随机分布风湍流情况有不同的影响作用。通常情况下，一年中风湍流在10米高度处的概率情况，可以通过下列公式（3）中的函数关系式计算出，而一年中，风湍流处于最大情况概率的计算则如下列公式（4）所示。

（3）

（4）

通常情况下，在暴风环境条件下，平均风速的变化是根据暴风发生的时间先升高然后减低的，暴风发生的整个过程一般在3分钟到25分钟之间。

对于输电线路的雨荷载特征的分析，是将中等的降雨量作为荷载特征分析标准，并根据年降雨量情况进行具体分析。通常情况下，在进行输电线路杆塔的雨荷载特征分析时，只是通过雨对于输电杆塔结构的平均作用力进行分析的。

2、阵风响应荷载特征分析

在输电线路杆塔的疲劳损伤影响因素中，风力荷载作用下的输电杆塔结构动力响应是一个比较重要的影响因素。在进行电力系统电网线路的设计过程中，由于风力环境作用与输电杆塔结构荷载的不确定，就会给输电线路的架设设计带来一定的困难，对于输电线路杆塔结构的阵风荷载作用特征进行分析，有利于对于输电线路杆塔疲劳可靠性进行把握，以保证电网线路的安全稳定运行。

在风力作用下，输电线路杆塔结构的荷载特征根据风力作用情况的不同，可以分为两种。第一种是基于位移的阵风响应因子对于杆塔结构荷载作用影响。这一种风力作用对于杆塔结构荷载的影响变化特征，主要是由位移变化的风力作用峰值与风力作用的平均值进行计算得出的。在进行基于位移的阵风响应因子变化特征分析中，根据风力变化峰值以及风力平均值的计算公式如下（5）所示。

（5）

在上述对于基于位移的阵风响应因子作用变化的计算，是在进行阵风响应变化的随机假设情况下，根据对于风力峰值变化因子的统计，最终计算出来的。总之，在基于位移的阵风响应因子作用中，输电杆塔结构的荷载的变化主要呈现出以下规律，在风力作用下，随着风力作用变化中的平均风速以及风速湍流强度的加大，输电杆塔的塔顶位移动力响应也会逐渐加大，而这时的位移阵风响应因子也是呈现逐渐加强变化。如下图1所示，为输电杆塔塔顶的位移功率变化情况。

图1 输电杆塔塔顶位移功率谱密度

此外，阵风作用下，杆塔结构的动力响应变化的另一响应因子，是指基于弯矩的阵风响应因子，它在不同的风俗条件下也呈现不同的响应变化特征。

3、输电线路杆塔疲劳可靠性的研究

根据上述对于输电线路杆塔疲劳可靠性分析模型，在对于输电线路杆塔疲劳可靠性进行分析时，首先应注意对于疲劳可靠性分析条件进行假设，以保证输电线路杆塔疲劳可靠性分析结果准确可靠。其次，需要对于输电线路杆塔疲劳可靠性的失效概率进行确定。在进行输电线路杆塔疲劳可靠性失效概率确认过程中，可以通过完全分布法对于概率进行确认，也可以通过具一次二阶矩法对于输电线路杆塔疲劳可靠性失效概率进行确认。在确定了输电线路杆塔疲劳可靠性的失效概率之后，根据输电线路杆塔的结构情况，输电线路杆塔是一种由杆件拼装成的杆塔结构形式，因此，在对于输电杆塔疲劳可靠性进行分析时，输电杆塔中的单根杆件以及杆塔阶段单元的疲劳可靠性分析都可以看做是一个结构体系进行分析，最后通过串联或者是并联的方法，对于输电线路的杆塔疲劳可靠性进行分析。对于输电线路杆塔疲劳可靠性的表示形式，主要通过对于输电线路杆塔结构整体失效率表示出来的。

4、结束语

总之，对于输电线路杆塔疲劳可靠性的研究，有利于提高输电线路杆塔的疲劳可靠性，保证电力输电线路的安全稳定运行，具有一定的研究价值和意义。

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