输电塔线体系覆冰与脱冰的数值模拟研究

摘要

输电塔线体系作为高压电能输送的载体，是重要的生命线工程。架空线路的主要破坏荷载是覆冰和大风，而覆冰是自然荷载中最具破坏力的一个。线路的不均匀覆冰、脱冰对输电塔产生纵向不平衡张力，严重威胁到输电线路的安全。
　　 本文以实际工程中某输电线路覆冰破坏的实例为背景，建立塔线耦合体系的空间有限元模型，分别采用梁单元、杆单元、仅受拉的预应力杆单元对输电塔、绝缘子及输电线进行了精确的模拟。采用pipe单元模拟输电线的覆冰，覆冰的脱落通过单元的生死来实现。与以往的导线脱冰的模型试验结果进行比较，验证本文建模方法的准确性。进行建模参数的敏感性分析，确定合适的有限元计算模型。
　　 对塔线体系中导线、地线覆冰脱落的现象进行模拟，计算结果表明，覆冰脱落使得导线产生低频舞动，绝缘子发生大幅摆动，输电塔部分杆件出现较大的峰值应力，同时使输电塔基底剪力、基底弯矩等大幅增加，并且越靠近脱冰档的杆塔，受到的冲击作用越大。进行导线脱冰的参数分析，发现当档距越大、覆冰越多、脱冰位置越靠中间和脱冰比例越大时，脱冰响应越显著；当导线的初始张力越大时，脱冰响应越小。针对导线的unzipping形式脱冰进行分析，探讨脱冰速度对响应的影响，发现脱冰速度越慢，系统响应越接近于静态卸载；脱冰速度越快，系统响应越接近于整档同时脱冰。
　　 对有转角线路及连续倾斜档的覆冰、脱冰进行模拟，发现线路转角越大，倾角越大，输电塔受到越不利的作用力。探讨绝缘子长度对塔线体系动力作用的影响，发现导线脱冰作用下，绝缘子越长，脱冰导线的跳跃高度及轴应力越大，相邻档之间的不平衡张力越小；地震作用下，绝缘子越长，绝缘子的轴力峰值越大，输电塔的基底反力峰值也越大。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1输电线路覆冰、脱冰的危害

1.2输电塔线体系的基本概况

1.2.1输电线路的组成

1.2.2输电杆塔的分类

1.3输电线路覆冰、脱冰的研究现状

1.4本文研究思路

第二章 输电塔线体系覆冰、脱冰的有限元模拟方法

2.1有限元理论概述

2.2非线性力学理论概述

2.3输电线初始形态的确定

2.3.1索曲线的悬链线方程

2.3.2索曲线的抛物线方程

2.4输电塔线体系的有限元建模

2.4.1输电塔线体系的建模方法

2.4.2某9档输电线路的有限元模型实例

2.5输电线覆冰、脱冰的有限元模拟

2.5.1输电线覆冰截面和厚度的换算方法

2.5.2覆冰、脱冰的有限元模拟方法

2.6本文覆冰、脱冰模拟方法的验证

2.6.1覆冰模拟方法的验证

2.6.2脱冰模拟方法的验证

2.7本章小结

第三章 输电线路覆冰对塔线体系的静力作用

3.1直线线路的覆冰分析

3.2带转角线路的覆冰分析

3.3连续倾斜档的覆冰分析

3.5本章小结

第四章 覆冰脱落对塔线体系的动力冲击作用

4.1脱冰张力(ISL)的概念

4.2建模参数的敏感性分析

4.2.1输电线路档数的影响

4.2.2输电线的阻尼

4.3导线的脱冰响应

4.3.1系统的整体运动情况

4.3.2位移响应

4.3.3应力及轴力响应

4.3.4输电塔的整体响应

4.3.5脱冰张力

4.4地线脱冰的响应

4.4.1位移响应

4.4.2应力响应

4.4.3输电塔的整体响应

4.4.4脱冰张力

4.5本章小结

第五章 直线线路脱冰的参数分析及unzipping形式脱冰的模拟

5.1导线脱冰的参数分析

5.1.1档距的参数分析

5.1.2导线初始张力的参数分析

5.1.3覆冰厚度的参数分析

5.1.4脱冰位置的参数分析

5.1.5脱冰比例的参数分析

5.2 Unizipping形式脱冰的模拟计算

5.2.1 Unzipping形式脱冰的成因

5.2.2脱冰档导线中点的竖向位移

5.2.3脱冰档导线中点的轴应力

5.2.4相邻塔的基底剪力和基底弯矩

5.2.5脱冰张力

5.3本章小结

第六章 带转角线路和连续倾斜档的脱冰研究

6.1导线脱冰对转角塔的动力作用分析

6.2导线脱冰对连续倾斜档的动力作用分析

6.3本章小结

第七章 绝缘子长度对输电塔线动力响应的影响

7.1绝缘子长度对脱冰响应的影响

7.1.1绝缘子长度对导线跳跃高度的影响

7.1.2绝缘子长度对导线轴应力的影响

7.1.3绝缘子长度对脱冰张力的影响

7.2绝缘子长度对地震响应的影响

7.2.1地震响应计算概述

7.2.2塔线体系时程分析的计算结果

7.2.3绝缘子长度对其轴力的影响

7.2.4绝缘子长度对输电塔基底反力的影响

7.3本章小结

第八章 结论与展望

8.1本文工作的总结

8.2进一步工作的展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间取得的科研成果