输电塔及塔线体系的静动力特性分析

摘要

电网的安全稳定运行是关乎国计民生和国家安全的重大问题。作为电网运行的大动脉，输电线路是电网系统的重要设施。作为支撑输电线的骨骼，输电铁塔的安全可靠运行是电网安全稳定运行的重要保证。但近年来，在各种极端情况下，倒塔断线事故时有发生，严重危害了电网安全。因此，全面了解和掌握输电塔在风载、导线等各种载荷综合作用下的静动力特性，研究塔线耦合体系下两者的耦合作用，对于提高我国电网的安全可靠性具有重要的理论和工程意义。
　　 本文以有限元软件ANSYS12.0为平台，研究了输电塔及塔线耦合体系的有限元建模方法，构建了ZB39酒杯型直线塔、SDG42双回路六角形终端塔、JT43干字形转角塔等单塔有限元模型，以及一塔两线、两塔三线、三塔四线的ZB33输电塔线模型、一塔两线的ZB39输电塔线模型、一塔两线的JT43输电塔线模型等五种输电塔线体系有限元模型。提出了风载荷、覆冰载荷、地震载荷、基础沉降、断线载荷、安装载荷的处理方法。
　　 根据输电线路设计规程，分析了ZB39直线塔、SDG42终端塔、JT43转角塔，计算得到此三种输电铁塔在最大设计风速下所承受的风载荷，采用分段施加的方法，实现了输电塔风载荷的准确加载。本论文以ZB39铁塔为例，研究得到了其主材在最大设计风载下的高度-等效应力分布曲线图，并提出在对铁塔做最大设计风载荷受力分析时，可以忽略输电线自重对结果的影响。另外，论文模拟得到了ZB39直线塔、SDG42终端塔、JT43转角塔三种输电铁塔在最大设计风载荷下的变形、应力及杆件轴力分布情况，获得了三种塔型铁塔主材所承受的轴力随高度的变化曲线图。本文对ZB33一塔两线耦合体系的静力特性进行了研究，分析了风速v分别为25.30m/s、28.28m/s、31.00m/s时，以及各风速下风向角取值分别为0°、30°、45°、60°、90°时，导线弧垂位移的变化情况，得到了导线弧垂位移随不同风速和风向角变化的曲线图。
　　 本文研究了输电铁塔在覆冰载荷、基础沉降、断线载荷和安装载荷等特殊载荷工况下的力学特性。考虑输电线均匀覆冰的情况，采取在输电线节点上施加瞬时力的方式模拟输电线覆冰现象，研究了不同覆冰厚度对ZB33一塔两线结构的影响作用，发现当覆冰厚度为最大设计值30mm时，地线弧垂位移达到17.5m，导线弧垂位移为1.7m，导线距地面距离17.8m，满足导线距地面距离的设计要求安全值14m。考虑输电铁塔基础不均匀沉降的作用，研究了ZB39直线塔在不同沉降量下的内力变化，得到了铁塔杆件内部等效应力随沉降量的变化曲线图，并以双石饮线所处采矿区段的实际测量沉降量为初始条件，模拟分析了ZB33一塔两线模型在基础沉降量约为60mm时的受力情况，提出通过在塔腿底部放置加强板的方式，削弱因基础沉降量过大而导致的根开变化过大对铁塔强度的影响。研究了断线载荷对SDG42双回路终端塔的影响，发现铁塔在此工况下处于安全状态，断线端横担斜材处是铁塔的薄弱部位。研究了ZB39直线塔在52kN安装载荷作用下的静力特性，铁塔横担主材上表面处受强拉力，铁塔杆件最大应力集中在悬挂点处，此时，横担主材在拉力和弯矩的共同作用下容易发生失稳现象。以基础沉降工况为例，列出了ZB39铁塔在此工况下，在ANSYS中快速加载的命令流。
　　 论文分别对ZB39酒杯型直线塔、双回路六角形SDG42终端塔、干字形JT43转角塔进行了模态分析，得到了各单塔的前十阶自振频率和相对应的振型，发现塔身及塔腿处易出现局部模态，通过增加输电铁塔横隔面的方法加固了SDG42铁塔结构。以ZB33一塔两线模型为例，研究了输电线对输电塔线体系模态的影响;根据模态分析结果，修正了500kV酒杯型铁塔的第一自振周期计算公式;采用达文波特风速功率谱，对ZB39酒杯塔进行了结构动态风谱分析，发现最大位移出现在塔身侧迎风面斜材处;以瞬时动力的形式考虑地震作用对ZB39酒杯塔的影响，发现此铁塔不能抵抗8级地震。