输电塔线体系风致覆冰脱落动力响应的研究.docx

输电塔线体系风致覆冰脱落动力响应的研究摘要：建立了两塔三线模型采用数值实验研究了输电线路的动力特性和中跨覆冰导线发生舞动时覆冰脱落、覆冰不脱落这两种工况的输电塔线系统的动力响应特性探讨了不同风速下二者响应的差异.计算模型考虑了输电线的初始变形和初始应力.分析结果表明塔端不平衡张力和邻跨导线横向振幅都随着风速的增加而增大舞动导致的覆冰脱落使邻跨导线横向振动频率大幅增加竖向回弹高度相对减小而中跨的竖向回弹高度和横向振幅分别增加了73.9%和57.7%左右.舞动导致的覆冰脱落对线路的影响不容忽视在实际线路的设计中应加以特别的考虑.关键词：输电线路；有限元；风；脱冰；舞动中图分类号：TM75文献标识码：A文章编号：1674-2974（2015）11-0088-07覆冰输电塔线体系在气温升高、风力以及其它环境因素的作用下会出现覆冰的不均匀和不同期脱落.覆冰脱落时将会对导线、地线、绝缘子、杆塔构件以及输电塔等产生动力冲击作用.近年来国内外学者对导线脱冰进行了大量的研究.MirshafieiF等[1]建立了六塔五线输电塔线耦合体系有限元模型并分析了覆冰脱落和导线断线共同作用下体系的动力响应但是模型中没有考虑空气中气流的作用.实际上覆冰输电导线这一细长的构件还会因空气中气流的自激作用产生低频、大幅、不稳定、纯弯曲的舞动.导线的舞动会造成相间短路、绝缘子闪络引起线路跳闸、绝缘子和金具损坏、导线断线、杆塔松动甚至倒塔等严重事故.目前覆冰导线舞动的机理和模型主要有：DenHartog[2]提出的忽略导线扭转运动的垂直舞动机理、Nigol等[3]提出的考虑垂直方向气动力和导线扭转运动的扭转激发舞动机理和YUP等[4]提出的考虑垂直方向气动力、扭转力、偏心惯性对舞动影响的偏心惯性耦合失稳机理.李欣业等[5]等考虑基于输电导线垂向和扭转振动耦合的两自由度模型利用多尺度法和数值分析方法分别就系统参数和环境参数对临界风速和舞动振幅的影响进行了理论分析；王丽新[6]等利用梁单元模拟覆冰导线通过动坐标迭代法和Newmark法进行静力、动力响应分析给出了高压输电线舞动的有限元分析方法然而对于输电塔的耦合作用和舞动过程中覆冰的脱落均未有涉及.杜运兴[7]等分析了塔线体系在风荷载和覆冰荷载共同作用下对塔端不平衡张力造成影响的各种因素并提出了二者共同作用下计算不平衡张力的理论公式但对系统的动力响应特性未做探究.针对在实际运行线路中导线舞动时伴随着覆冰脱落的情况本文采用数值实验的方法建立了塔线体系的耦合模型通过覆冰破坏准则的定义对覆冰线路发生舞动导致覆冰脱落时体系的动态响应进行了探讨和分析以期为覆冰线路的设计提供参考.1有限元模型1.1输电塔线体系结构及材料参数为了研究导线舞动导致的覆冰脱落对输电线路的影响本文选用5B-ZBC1酒杯型铁塔建立了二塔三线的三维有限元模型如图1～2所示.输电塔架的所有杆件均采用空间梁单元考虑到导线具有一定的抗扭刚度并承受一定扭矩对导线采用忽略剪切变形的弹性梁单元来模拟.针对导线抗拉不抗压的性质利用软件中的亚弹性材料定义其拉压方向的应力应变关系曲线来实现这一特性即当ε大于0时弹性模量E取导线的实际弹性模量；当ε小于0时弹性模量E取为0.导线外侧的覆冰采用基于欧拉伯努利梁理论的闭合截面梁单元模拟.覆冰单元采用与导线共节点的方式建立.绝缘子串一端与输电塔横担铰接另一端与导线铰接利用刚性连接连接横担及导线对应点约束三个平动自由度来模拟如图3所示.关于5B-ZBC1输电塔的具体几何尺寸均参照文献＼[8＼]建立导（地）线的具体参数如表1所示.覆冰的破坏准则目前所见有两种一是文献＼[9＼]提出的等效塑性应变破坏准则；二是文献＼[10＼]提出的拉伸强度破坏准则.文献＼[11-12＼]通过冷风洞模拟大气结冰测得冰的弯曲强度、等效模量和压缩强度.当覆冰厚度不大时其剪切变形可以忽略认为覆冰的破坏采用最大拉应力理论较合理故本文采用拉伸强度理论.根据沈国辉[13]等的分析本文的覆冰弹性模量取E=1.0×109N/m2拉伸强度取0.9MPa冰密度取900kg/m3.导线和杆塔的阻尼采用瑞利阻尼模型即C=αM+βK.（1）式中：α和β为瑞利阻尼系数.根据文献＼[14＼]中的分析β通常很小可以近似为0.对于覆冰导线和杆塔α可分别取为0.1和0.2.计算模型采用的材料本构模型均为线弹性模型计算过程中考虑整个体系的几何非线性.1.2导（地）线的形态和应力输电塔线体系的动态响应都是在初始静态构型的基础上进行的所以在进行导（地）线的动力分析前导（地）线形态的确定和应力的施加尤其重要.架空线路导线在其自身