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摘要：目前，影响输电塔线体系安全主要有风致灾害和覆冰事故，其中导线覆冰引起的事故更令人担忧。据不完全统计，自上世纪50年代以来，我国输电线路发生大大小小的覆冰事故达上千次。故对覆冰状态下，进行更为深入细致地研究同塔双回输电铁塔的受力相应，并找出其中的相关规律，对今后预防此类事故的发生具有现实意义。
关键词： 输电工程；同塔双回 ；脱冰跳跃； 应力分析
1 引言
据2008年雨雪冰冻灾害的灾后调查，冰灾中90%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及自然条件下不均匀脱冰产生的顺线路方向的不平衡张力造成。
针对覆冰状态下，输电铁塔的力学特性的细致研究，找出铁塔主要构件力学特性的变化规律，具有很大的现实意义，为及时有效地采取除冰措施，预防线路冰害事故的发生，提供一定的参考价值。另外随着对输电线路覆冰灾害事故的不断认识，国内外相关部门及学者们展开了输电线路除冰技术的深入研究。鉴于此，本课题拟对同塔双回输电线路建立塔线体系整体有限元模型，并借助大型有限元软件ANSYS进行有限元分析，旨在通过对输电线脱冰（自然及人工脱冰等状况下）前后铁塔响应的分析比较，达到校验铁塔强度的目的。
2 同塔双回输电塔线体系有限元建模
2.1输电线路的组成
架空输电线路主要由导线、地线、绝缘子（串）、线路金具、杆塔和拉线、基础以及接地装置等部分组成。
1）导线用以传导电流，输送电能。它通过绝缘子（串）悬挂在杆塔上。导线常年在大气中运行，长期受风、冰、雪和温度变化等气象条件的影响，承受着变化拉力的作用，同时还受到空气中污物的侵蚀。2）地线又称避雷线，是悬挂在导线上方的一根或两根金属线，主要作用是防止雷电直击导线，同时在雷击杆塔时起分流作用，对导线起耦合和屏蔽作用，降低导线上的感应过电压，以保证线路安全运行。3）绝缘子用来支持货悬挂导线和地线，保证导线与杆塔间不发生闪络，保证地线与杆塔间的绝缘。4）输电线路金具在架空输电线路中起着支持、固定、接续保护导线和避雷线的作用，并且能使拉线紧固。5）杆塔基础是将杆塔固定在地面上，以保证杆塔不发生倾斜、倒塌、下沉等的设施。
2.2同塔双回输电线路塔线体系建模
架空输电线路的运行状况具有非常的特殊性，在对其进行相关力学性质的分析过程中，若要进行复杂气象条件下的长线路，多档距的大型试验研究，不仅成本代价过高，而且试验场地、设备、测量技术等均具有不同程度的局限性。本文选用ANSYS作为模型仿真分析平台，选择某500kV输电线路一耐张段的同塔双回输电线路塔线体系为研究对象，研究考虑铁塔与导地线耦合作用的输电塔线体系整体有限元模型的建立，建模中采用kg、mm、N单位制。
本文采用桁梁混合模型，利用ANSYS建模，主材和斜材采用BEAM188梁单元，辅助材采用LINK8杆单元，建造模型图祥见图1。
图1同塔双回模拟图
3 输电线路脱冰状况模拟
本文以耐张段内的某铁塔为研究对象，考虑铁塔顺线路方向两侧档距的不同（分为长挡距侧和短档距侧），重点研究如下三种脱冰状况：输电线脱冰状况I——长档距一侧输电线整档脱冰，短档距一侧输电线未脱冰；输电线脱冰状况II——短档距一侧输电线整档脱冰，长档距一侧输电线未脱冰；输电线脱冰状况III——顺线路方向右侧单回输电线脱冰，另一回未脱冰；输电线脱冰状况IV——顺线路方向左侧单回输电线脱冰，另一回未脱冰。本论文主要考虑第一种情况，其他情况将于后续论文中进行论述总结。
3.1整档脱冰状况下铁塔的受力响应
首先研究脱冰状况下铁塔主要构件的力学特性，在风速一定的条件下（取v=15m/s），以覆冰厚度為变量，分析长档距一侧输电线整档脱冰后，铁塔的上、中、下各横担以及塔身主材的应力随覆冰厚度增加相应的变化规律。
（a） 整体变形图
（b） 节点变形云图
（c） 应力云图
图2 铁塔受力状态图
将ANSYS计算出的杆塔各个部件应力值进行分析统计，得出表格1，使得结果更加的直观，便于发现输电工程塔线体系下，脱冰跳跃状态中应力的规律。具体数值详见表1。
表1 脱冰状况下铁塔各构件应力变化值
铁塔构件 应力/MPa 覆冰厚度/mm
5 10 15 20 30 40 50
上横担 拉应力 93.451 99.013 105.904 114.262 135.93 165.352 203.972
压应力 101.286 106.005 113.275 122.426 145.749 176.996 217.722
弯曲应力 8.442 10.207 11.96 13.783 17.36 21.152 25.356
中横担 拉应力 106.132 118.151 131.633 148.676 190.805 248.747 336.271
压应力 142.917 151.246 160.561 171.95 206.373 262.11 354.484
弯曲应力 56.342 71.7 87.619 108.075 157.65 219.211 293.759
下横担 拉应力 130.334 137.611 146.15 156.102 189.706 235.955 306.894
压应力 138.229 146.483 155.558 165.675 189.661 241.213 315.59
弯曲应力 55.324 70.633 88.222 109.131 160.005 223.485 300.66 塔 身 长档距侧应力 65.563 69.248 73.244 82.526 110.247 145.573 188.74
短档距侧应力 87.417 92.331 97.659 110.034 146.996 194.097 251.653
3.2相应分析
由图（a）可看出，随着覆冰厚度从5mm增加到50mm的过程中，上横担的拉应力值始终小于中横担及下横担的拉应力值，而且变化趋势较缓慢；在覆冰厚度从5mm增加到32mm左右的过程中，下横担的拉应力值始终比中横担的拉应力值要大，然而在覆冰厚度增加到32mm以后，下横担的拉应力值反而一直比中横担的拉应力值要小。
由图（b）可看出，与各横担的拉应力值的变化趋势相似，在随着覆冰厚度从5mm增加到50mm的过程中，上横担的压应力值始终比中横担及下横担的拉应力值要小，且整体变化趋势较缓慢；而对于中横担和下横担的压应力值虽然在覆冰厚度较小时（5～10mm），二者相差并不明显，但随着冰厚的继续增加二者的差距明显增大，而且还可看出中横担的压应力始终大于下横担的压应力，并没出现如图（a）中各横担拉应力的那种特殊变化趋势。
由图（c）可看出，在随着覆冰厚度从5mm增加到50mm的过程中，对于各横担的弯曲应力的变化趋势而言，应力变化趋势显现的更为特殊，具体为上横担的弯曲应力值虽然也是成指数函数规律变化，但明显变化趋势更为缓慢，说明覆冰厚度的增加对上横担的弯曲应力影响不是特别明显；另外，中横担与下横担的彎曲应力拟合曲线几乎重合，说明二者随冰厚的增加整体变化趋势大致相同，同时大小也大致相同。
4 结论
通过对覆冰状况下同塔双回输电铁塔的受力响应进行仿真分析后，得到以下结论：无风荷载作用时，随着覆冰厚度的增加，线路铁塔横担主材以及塔身主材角钢应力变化呈现出一定规律性，具体为：无论是直线型杆塔，还是耐张型铁塔，各个横担主材角钢应力值，均随覆冰厚度的增加呈指数函数增长趋势。铁塔横担主材角钢各种应力值随风荷载增加变化并不大，该规律几乎不受塔型的影相对于直线型和耐张型杆塔同样适用。
参 考 文 献
1. 印水华. 我国电网发展趋势研究[J]. 电气应用， 2009（12）：66-69.
2. 侯慧，尹项根，陈庆前，游大海，童光毅，邵德军. 南方部分500kV主网架2008年冰雪灾害中受损分析与思考[J]. 电力系统自动化. 2008（11）.
3. 蒋兴良，马俊，王少华，等. 输电线路冰害事故及原因分析[J]. 中国电力， 2005，38（11）：27-30.
4. 李光辉. 电力系统防冻融冰问题的分析及对策[J]. 大众用电， 2007，（1）：33-34.
关键词： 输电工程；同塔双回 ；脱冰跳跃； 应力分析
1 引言
据2008年雨雪冰冻灾害的灾后调查，冰灾中90%左右的倒塔都是由于不均匀覆冰以及自然条件下不均匀脱冰产生的顺线路方向的不平衡张力造成。
针对覆冰状态下，输电铁塔的力学特性的细致研究，找出铁塔主要构件力学特性的变化规律，具有很大的现实意义，为及时有效地采取除冰措施，预防线路冰害事故的发生，提供一定的参考价值。另外随着对输电线路覆冰灾害事故的不断认识，国内外相关部门及学者们展开了输电线路除冰技术的深入研究。鉴于此，本课题拟对同塔双回输电线路建立塔线体系整体有限元模型，并借助大型有限元软件ANSYS进行有限元分析，旨在通过对输电线脱冰（自然及人工脱冰等状况下）前后铁塔响应的分析比较，达到校验铁塔强度的目的。
2 同塔双回输电塔线体系有限元建模
2.1输电线路的组成
架空输电线路主要由导线、地线、绝缘子（串）、线路金具、杆塔和拉线、基础以及接地装置等部分组成。
1）导线用以传导电流，输送电能。它通过绝缘子（串）悬挂在杆塔上。导线常年在大气中运行，长期受风、冰、雪和温度变化等气象条件的影响，承受着变化拉力的作用，同时还受到空气中污物的侵蚀。2）地线又称避雷线，是悬挂在导线上方的一根或两根金属线，主要作用是防止雷电直击导线，同时在雷击杆塔时起分流作用，对导线起耦合和屏蔽作用，降低导线上的感应过电压，以保证线路安全运行。3）绝缘子用来支持货悬挂导线和地线，保证导线与杆塔间不发生闪络，保证地线与杆塔间的绝缘。4）输电线路金具在架空输电线路中起着支持、固定、接续保护导线和避雷线的作用，并且能使拉线紧固。5）杆塔基础是将杆塔固定在地面上，以保证杆塔不发生倾斜、倒塌、下沉等的设施。
2.2同塔双回输电线路塔线体系建模
架空输电线路的运行状况具有非常的特殊性，在对其进行相关力学性质的分析过程中，若要进行复杂气象条件下的长线路，多档距的大型试验研究，不仅成本代价过高，而且试验场地、设备、测量技术等均具有不同程度的局限性。本文选用ANSYS作为模型仿真分析平台，选择某500kV输电线路一耐张段的同塔双回输电线路塔线体系为研究对象，研究考虑铁塔与导地线耦合作用的输电塔线体系整体有限元模型的建立，建模中采用kg、mm、N单位制。
本文采用桁梁混合模型，利用ANSYS建模，主材和斜材采用BEAM188梁单元，辅助材采用LINK8杆单元，建造模型图祥见图1。
图1同塔双回模拟图
3 输电线路脱冰状况模拟
本文以耐张段内的某铁塔为研究对象，考虑铁塔顺线路方向两侧档距的不同（分为长挡距侧和短档距侧），重点研究如下三种脱冰状况：输电线脱冰状况I——长档距一侧输电线整档脱冰，短档距一侧输电线未脱冰；输电线脱冰状况II——短档距一侧输电线整档脱冰，长档距一侧输电线未脱冰；输电线脱冰状况III——顺线路方向右侧单回输电线脱冰，另一回未脱冰；输电线脱冰状况IV——顺线路方向左侧单回输电线脱冰，另一回未脱冰。本论文主要考虑第一种情况，其他情况将于后续论文中进行论述总结。
3.1整档脱冰状况下铁塔的受力响应
首先研究脱冰状况下铁塔主要构件的力学特性，在风速一定的条件下（取v=15m/s），以覆冰厚度為变量，分析长档距一侧输电线整档脱冰后，铁塔的上、中、下各横担以及塔身主材的应力随覆冰厚度增加相应的变化规律。
（a） 整体变形图
（b） 节点变形云图
（c） 应力云图
图2 铁塔受力状态图
将ANSYS计算出的杆塔各个部件应力值进行分析统计，得出表格1，使得结果更加的直观，便于发现输电工程塔线体系下，脱冰跳跃状态中应力的规律。具体数值详见表1。
表1 脱冰状况下铁塔各构件应力变化值
铁塔构件 应力/MPa 覆冰厚度/mm
5 10 15 20 30 40 50
上横担 拉应力 93.451 99.013 105.904 114.262 135.93 165.352 203.972
压应力 101.286 106.005 113.275 122.426 145.749 176.996 217.722
弯曲应力 8.442 10.207 11.96 13.783 17.36 21.152 25.356
中横担 拉应力 106.132 118.151 131.633 148.676 190.805 248.747 336.271
压应力 142.917 151.246 160.561 171.95 206.373 262.11 354.484
弯曲应力 56.342 71.7 87.619 108.075 157.65 219.211 293.759
下横担 拉应力 130.334 137.611 146.15 156.102 189.706 235.955 306.894
压应力 138.229 146.483 155.558 165.675 189.661 241.213 315.59
弯曲应力 55.324 70.633 88.222 109.131 160.005 223.485 300.66 塔 身 长档距侧应力 65.563 69.248 73.244 82.526 110.247 145.573 188.74
短档距侧应力 87.417 92.331 97.659 110.034 146.996 194.097 251.653
3.2相应分析
由图（a）可看出，随着覆冰厚度从5mm增加到50mm的过程中，上横担的拉应力值始终小于中横担及下横担的拉应力值，而且变化趋势较缓慢；在覆冰厚度从5mm增加到32mm左右的过程中，下横担的拉应力值始终比中横担的拉应力值要大，然而在覆冰厚度增加到32mm以后，下横担的拉应力值反而一直比中横担的拉应力值要小。
由图（b）可看出，与各横担的拉应力值的变化趋势相似，在随着覆冰厚度从5mm增加到50mm的过程中，上横担的压应力值始终比中横担及下横担的拉应力值要小，且整体变化趋势较缓慢；而对于中横担和下横担的压应力值虽然在覆冰厚度较小时（5～10mm），二者相差并不明显，但随着冰厚的继续增加二者的差距明显增大，而且还可看出中横担的压应力始终大于下横担的压应力，并没出现如图（a）中各横担拉应力的那种特殊变化趋势。
由图（c）可看出，在随着覆冰厚度从5mm增加到50mm的过程中，对于各横担的弯曲应力的变化趋势而言，应力变化趋势显现的更为特殊，具体为上横担的弯曲应力值虽然也是成指数函数规律变化，但明显变化趋势更为缓慢，说明覆冰厚度的增加对上横担的弯曲应力影响不是特别明显；另外，中横担与下横担的彎曲应力拟合曲线几乎重合，说明二者随冰厚的增加整体变化趋势大致相同，同时大小也大致相同。
4 结论
通过对覆冰状况下同塔双回输电铁塔的受力响应进行仿真分析后，得到以下结论：无风荷载作用时，随着覆冰厚度的增加，线路铁塔横担主材以及塔身主材角钢应力变化呈现出一定规律性，具体为：无论是直线型杆塔，还是耐张型铁塔，各个横担主材角钢应力值，均随覆冰厚度的增加呈指数函数增长趋势。铁塔横担主材角钢各种应力值随风荷载增加变化并不大，该规律几乎不受塔型的影相对于直线型和耐张型杆塔同样适用。
参 考 文 献
1. 印水华. 我国电网发展趋势研究[J]. 电气应用， 2009（12）：66-69.
2. 侯慧，尹项根，陈庆前，游大海，童光毅，邵德军. 南方部分500kV主网架2008年冰雪灾害中受损分析与思考[J]. 电力系统自动化. 2008（11）.
3. 蒋兴良，马俊，王少华，等. 输电线路冰害事故及原因分析[J]. 中国电力， 2005，38（11）：27-30.
4. 李光辉. 电力系统防冻融冰问题的分析及对策[J]. 大众用电， 2007，（1）：33-34.