一、引言
架空输电线路覆冰脱落问题在我国广泛存在, 尤其是西南和华中地区更为严重, 覆冰脱落会造成输电铁塔倒塌事故, 对我国电网的稳定安全运行产生较大影响。输电线脱冰所产生的载荷会通过绝缘子挂点作用在铁塔上, 为了明确不同脱冰工况下挂点处的载荷情况, 本文以输电线-绝缘子系统为研究对象, 利用ANSYS软件对比研究了两侧脱冰和一侧脱冰情况下绝缘子挂点处的载荷情况。
二、输电线-绝缘子有限元模型
输电线-绝缘子系统主要由架空输电线和绝缘子组成。输电线是只能承受拉力而不能承受压力的柔性索链结构, 在ANSYS中利用杆单元 (LINK10) 来进行模拟, 该单元具有大变形功能且满足轴向仅承受拉力的要求。不考虑架空输电线的分裂特征, 在有限元模型中将多分裂导线做单导线处理, 并且导线的截面积等于分裂导线的截面积总和。对于绝缘子的有限元建模, 考虑到绝缘子串对输电线及铁塔的变形影响较小, 本文利用梁单元进行模拟。各部件有限元模型建立完成后, 组成系统有限元模型如图1所示。
三、输电线脱冰模拟及绝缘子挂点处动载荷
在对输电线进行覆冰脱落的动力学分析前, 需要确定其静态平衡位置即输电线的悬链线形态, 将输电线的物理参数赋予单元, 根据其自身的重力及其张力确定悬链线形态。
模拟覆冰输电线脱冰的数值方法有等效荷载法、质量法、Tamas模型法及单元生死法, 本文采用生死单元法进行脱冰模拟, 在ANSYS软件中, 通过将单元刚度矩阵变得足够小并把其它参数设为零使质量单元“被杀死”来实现脱冰的数值模拟。文献[4]通过整档覆冰实验和数值仿真的对比研究, 证明了单元生死法的正确性与可行性。
正常工况下或是连续两档均匀覆冰工况下的绝缘子挂点处主要为竖直方向的载荷, 而当输电线连续两档一档脱冰另一档不脱冰时, 其会在顺线路方向产生不平衡的张力作用。将绝缘子串挂点处的载荷分解到水平方向x方向、竖直方向y方向和顺线路方向z方向, 各方向的载荷分别为Fx、Fy、Fz。在脱冰过程中, 动力载荷随时间不断变化, 脱冰后继续振荡并逐渐衰减。以10mm冰厚为例, 分别计算两档全脱冰和其中一档脱冰, 得到绝缘子挂点处的最大支反力如表1所示。
由表1可知, 当铁塔两侧全脱冰时, 水平方向和顺线路方向载荷的量级都为10-9, 脱冰跳跃所引起的载荷主要在竖直方向;仅一侧脱冰时, 竖直方向载荷的数量级没有发生变化, 但顺线路方向的载荷大大增加, 不均匀脱冰不仅在竖直方向产生较大载荷, 还在顺线路方向对铁塔结构产生较大的冲击作用, 这对铁塔的结构安全威胁很大, 使得铁塔发生侧倾、塔头受损甚至倒塌的可能性大大增加。仅一侧脱冰的Fx、Fy、Fz的时程曲线如图2所示。
四、结论
本文以输电线-绝缘子系统为研究对象, 利用ANSYS软件对比计算了输电线两侧同时脱冰和一侧脱冰情况下绝缘子挂点处的载荷情况, 仿真计算的结果表明, 相比于输电线两侧同时脱冰, 仅一侧脱冰在绝缘子挂点处所产生的载荷其顺线路方向的分量较大, 这一作用力对铁塔的冲击作用较大, 使铁塔发生侧倾、塔头受损甚至倒塌的可能性大大增加, 因此输电线一侧脱冰对于铁塔的威胁更大。
摘要：输电线覆冰脱落工况对输电铁塔的安全运行具有严重威胁。脱冰所产生的动态力通过绝缘子挂点作用在输电铁塔上。为了明确不同脱落工况下绝缘子挂点处的载荷情况, 以输电线-绝缘子系统为研究对象, 采用生死单元法模拟线路覆冰脱落, 并利用ANSYS软件进行仿真计算。结果表明:相比于两侧同时脱冰, 一侧脱冰的工况对输电铁塔的威胁更大。
关键词：覆冰脱落,数值模拟,输电线-绝缘子模型
参考文献
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