输电塔-线体系断线冲击分析.docx

输电塔-线体系断线冲击分析 张思祥 马芳 陈鹏 刘凯铭 田利摘 要：输电线路工程是重要的能源传输工程，但由于输电线路大多架设于乡间野外，长年累月受到环境荷载的作用，极有可能发生导线断裂事故为了探究断线对输电塔线体系的冲击作用，运用ABAQUS有限元软件建立“四塔三线”模型，模拟不同输电线断线工况下的动态过程，开展了断线后输电塔的受力分析基于定义的冲击系数，分析了断线前后输电塔主材杆件的受力变化情况，明确了输电塔受冲击最严重的位置通过模拟结果与规范的对比，指出了现有规范的不足结果表明：断线对输电塔产生的破坏主要为弯曲破坏和扭转破坏，且弯曲破壞更为严重单根导线断裂时，上部导线断裂所造成的冲击最严重，受冲击最大的部位为断裂导线所连横担与其下方相邻横担之间的一段塔身随着断线根数增多，扭转破坏所占比例有所增加，各横担之间的塔身为破坏最严重的部位按规范取值并通过静力方法计算断线对输电塔的影响不能确保结构在断线动力冲击下的安全，有必要采用动力分析对输电塔进行验算关键词：输电塔线体系;断线冲击;冲击系数;瞬态动力分析;有限元模拟：TU352 文献标志码：A ：2096-6717（2021）03-0142-07Abstract： The transmission tower-line systems play a vital role in power transmission. However， since most of the transmission tower-line systems are situated in rural areas subjected to various extreme weather conditions， transmission conductors are prone to be broken. In order to investigate the dynamic impact of conductor breakage on the transmission tower， a finite element model is established in ABAQUS， and the global state of the transmission tower is determined according to the base reaction. By calculating the impact coefficient of the main members in different parts of the tower under different working conditions， the changes of axial forces of the main members in different positions are shown， and the most severely impacted parts of the tower are identified. Finally， the simulation results are compared with the current norm， and the shortcomings of the criteria are pointed out. The results show that the main failure modes of transmission tower caused by wire breakage are bending failure and torsion failure， and the bending failure is more serious. When a single wire is broken， the impact caused by the rupture of the upper wire is the most serious， and the place suffering the greatest impact is the section between the crossarm connected with the broken wire and the adjacent crossarm. With the increase of the number of broken wires， the proportion of torsion failure increases， and the sections between two adjacent crossarms are damaged seriously. In addition， it is necessary to use dynamic methods to analyze structures， because using current codes and static methods to calculate the influence of wire rupture on structures cannot ensure that structures are still safe under the dynamic impact of wire rupture.Keywords： transmission tower-line system; dynamic effect of rupture line; impact coefficient; transient dynamic analysis; finite element simulation架空输电线路是能源传输系统的重要组成部分。

但是，由于线路设备长期裸露在自然环境中，容易受到各种气象条件的侵袭、化学气体的腐蚀以及外力的破坏，出现故障的几率较高在众多输电线路故障中，导（地）线断裂便是危害最为严重的事故之一2004年在湖南省、2008年在江西省、2011年在贵州省和2019年在湖北省都因发生冰雪灾害而造成输电线路多处发生断线除了冰雪天气使输电线路覆冰从而导致断线事故外，雷击和外力破坏也是引起断线事故发生的重要原因此外，大风、振动以及压接管抽签等也有可能导致架空输电线路断线导（地）线的断裂会在断裂瞬间对输电塔造成一定的冲击作用，在严重的情况下，还有可能导致沿线输电塔的连续倒塌，从而对工农业生产和人民生活产生十分严重的影响因此，研究断线对铁塔的冲击作用，对保证输电线路安全和保障居民生活用电具有重大意义断线事故对输电塔造成的影响主要为纵向不平衡张力为了探究断线不平衡张力的大小，Cambell等[1]通过推导输电塔线体系断线时的静力方程得出了断线后的平衡位置和导线的残余应力;Mozer[2]以简化物理模型为基础，建立了断线荷载下峰值应力的半解析公式除了理论分析外，一些学者针对断线工况设计了相关实验来进一步探究断线事故对输电塔的影响。

默增禄等[3]以特高压直线塔为原型进行了导线断裂的实验研究，并根据实验结果指出断线冲击荷载的传递特点刘春城等[4]建立了输电塔线体系缩尺模型，通过实验得出了酒杯塔的最不利断线工况和破坏最严重的部位随着有限元分析技术的发展，许多学者利用有限元软件建立连续多档输电线绝缘子模型，来探究断线后断线张力的大小和输电线的动力响应杨风利[5]研究了覆冰工况下分裂导线断线张力的大小欧阳克俭等[6]利用有限元软件ANSYS探究了断线冲击效应，并从时域和频域的角度分别分析了导线振动的动力特性为了使模拟结果更加符合实际，一些学者建立了输电塔线体系模型来进行断线分析Vincent等[7]使用ADINA软件建立了输电塔线体系并进行断线模拟，通过将模拟结果与实验对比，证明了有限元模拟的可靠性沈国辉等[8]在有限元软件ABAQUS中建立了塔线体系模型并对导线断裂和断线后导线与地面的撞击进行模拟，阐述了断线后输电塔的破坏情况曹丹京等[9]采用SAP2000建立了“三塔四线”模型并模拟了导线断裂事故，研究了不同工况下断线对输电塔的冲击作用并进行了安全度的评定Li等[10]探究了覆冰情況下导线断裂后输电塔的动力响应并进行了参数分析，指出档距、绝缘子长度和初始张力对断线冲击的影响。

宋欣欣等[11]对转角塔在断线工况下的性能进行了分析Carlos等[12]针对拉线塔进行了断线模拟并分析了其在断线后的动力响应Alminhana等[13]对比了拉线塔和自立式输电塔断线后的状态，并指出拉线塔具有更好的抗断线性能杨繁等[14]不仅探究了断线对输电塔的影响，还针对断线工况提出了合理的减振措施除了上述确定性分析外，Kaminski等[15]对导线断裂进行了不确定性分析，研究了建模方法不确定性对分析结果的影响综上所述，目前已经开展了一些断线破坏的研究，但对输电塔的断线动力响应分析时多以塔顶位移和个别杆件的轴力变化情况作为评价断线冲击的指标，并不能全面反映断线后输电塔的性能状态为了对断线后输电塔的动力响应进行更加全面系统的分析，笔者采用ABAQUS有限元软件建立了“四塔三线”有限元模型并开展不同导线断裂动态模拟通过输电塔基底反力合力和合力矩的变化状态，总结了输电塔在断线后的整体受力状况总结了不同导线断裂下输电塔冲击系数随主材所在位置的变化情况，以反映输电塔局部受力状况，并指出受断线影响最大的部位最后，将模拟结果与规范进行对比，指出了现有规范的不足1 有限元模型与模拟1.1 输电塔线体系有限元模型的建立基于实际工程，利用ABAQUS有限元软件建立输电塔线体系有限元模型。

根据某地区双回500 kV输电线路工程建立“四塔三线”塔线体系模型，研究“耐直直耐”体系的耐张段此段线路长1 164 m，每档档距388 m工程线路采用钢芯铝绞线，每相4分裂线路架设1根铝包钢绞线作为地线输电线参数如表1所示绝缘子串选用瓷绝缘子单联Ⅰ型上扛式悬垂串每个绝缘子上有31个绝缘子片，共长4 805 mm该耐张段直线塔高56.9 m，呼高33 m，根开11.595 m;耐张塔形高51.5 m，呼高21 m，根开12.78 m研究的输电塔所有杆件均为角钢，各杆件之间通过螺栓进行连接在ABAQUS中，采用一阶剪切变形梁单元B31进行角钢杆件的模拟钢材使用理想弹塑性模型进行模拟绝缘子串由于一端与输电塔横担末端杆件铰接且另一端与导线铰接，可将其视为桁架单元，因而使用三维杆单元T3D2模拟由于导（地）线不能受弯和受压，仅能承受拉力，所以，也采用三维杆单元T3D2模拟并将四分裂导线简化为单导线进行建模同时，因其刚度较小，而跨度和挠度较大，具有非线性，所以，将每一根导（地）线分为100个单元，以保证计算精度导（地）线的弧垂根据式（1）计算建立的有限元模型如图1所示式中：fm为电线弧垂，m;σ0为电线各点的水平应力，MPa;γ为电线比载，N/mmm2;m为档距，m。

1.2 断线工况模拟断线工况的模拟通过生死单元法实现利用ABAQUS软件“接触”模块中的移除（REMOVE）单元命令来模拟导线断裂由于断线在瞬间发生，所以，将移除指定单元的时间设为10-8 s研究过程中，首先对模型施加重力，重力施加完毕后维持6 s，以获得正常工作状态下输电塔线体系的受力情况，然后再移除指定导线单元来模拟输电线的断裂，并对断线后30 s内塔线体系的动力响应进行时程分析2 输电线断线对输电塔的冲击分析利用上述有限元模型和断线模拟方法，对输电线断裂后输电塔所受的冲击作用进行分析为了准确地描述断线工况，将输电线进行编号，具体情况如图2所示2.1 单根导线断裂后输电塔的受力分析葛绪章[16]的研究结果表明，单根导线断裂时，上导线断裂对输电塔最为不利，因此，首先以上。