引言

隨著我國經(jīng)濟不斷發(fā)展,人們對電力的需求量日益增加,為滿足人們的用電需求,電力企業(yè)興建了大量輸電線路。輸電塔是電力系統(tǒng)的動脈,也是成功輸送電能的基本保障。因此,如何保障電力輸電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運行至關重要。輸電塔形式種類繁多,主要分為羊角型、干字形、F型等。其中,羊角型輸電塔因塔頂端為V字形,導線采用水平布置的方式,能有效降低塔結構施工的繁瑣程度,建造輸電塔時采用的鋼材量較小而得到了廣泛應用。

因輸電塔外形細長、高度高,決定了輸電塔身自振周期較長,而地面方向振動對塔身造成的響應相對于截面風振響應來說微不足道,在自然風力影響下,輸電塔各部位產(chǎn)生的風振響應較大。為保障輸電塔頂端不被風力破壞,及時預防強風導致輸電塔故障,本文采用ANSYS軟件模擬小風力與大風力兩種狀態(tài),對羊角型輸電塔的風振響應情況展開研究,詳細分析了輸電塔不同部位的加速度值,并將其與最大容許限值對比,判斷羊角型輸電塔在風力作用下是否處于危險狀態(tài),為保障輸電塔的安全提供參考依據(jù)。

1輸電塔風振響應與動力理論

輸電塔結構所受來自風力的作用是風壓而非風速,根據(jù)輸電塔迎風面大小決定輸電塔風荷載大小這一原理,得到輸電塔風荷載大小計算方法如下:

式中,B表示輸電塔風荷載:e表示輸電塔結構體形系數(shù):D和O分別表示結構迎風面積與風速。

結構振動隨機理論是分析輸電塔這種高聳結構順風風向響應的基本理論,結構振動隨機理論和結構動力學理論存在相似之處,密不可分。根據(jù)結構振動隨機理論采用公式2）描述多自由度結構阻尼振動表達式,即風荷載計算方法:

式中,G1）表示風荷載:[H]、[C]、[K]分別表示阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣、剛度矩陣:a1）、81）、s1）分別表示質(zhì)點的位移、速度和加速度。

在實例分析中,基于以上公式可計算輸電塔測量點的位移與加速度值。

羊角型輸電塔受風力作用下,可采用振型向量描述輸電塔結構位移向量,如公式（3）所示:

其中,輸電塔結構的無阻尼振型矩陣與振型幅值廣義變化坐標分別用n=(n1,n2,…,nn]、R=(A1,A2,…,An]表示。公式3）表明,風力作用于輸電塔的不同時刻,R值存在差異。因此,不同時間點上同一風力振型對輸電塔總體結構產(chǎn)生的干擾不同,在實例分析中基于該原理分析不同時刻輸電塔對同一風力振型的風振響應。

2輸電塔實例分析

在上述理論支持下,本文以貴州省某地區(qū)的羊角型輸電塔為例,分析其風振響應狀態(tài),為預防同類型輸電塔在較大風力作用下,使輸電線路受損或出現(xiàn)故障提供參考依據(jù)。本文所研究的羊角型輸電塔建造于Ⅱ類場地,是高48m、鋼結構的角鋼型塔。高聳結構存在高柔特性,感知風力的能力較強。羊角型輸電塔基本風壓假定為0.38kN/m2,抗震防烈度設置為8級,兩種參數(shù)均基于當?shù)匕倌曛畠?nèi)的最大風等級確定。該地區(qū)羊角型輸電塔的加速度最大容許限值絕對值為0.674m/s2,據(jù)此判斷輸電塔是否面臨故障威脅,當輸電塔監(jiān)測點加速度絕對值接近或者超過最大容許限值絕對值時,則輸電塔面臨危險:反之,輸電塔則處于安全狀態(tài)。實例分析中的羊角型輸電塔的有限元模型如圖1所示。

在ANSYS軟件中求取輸電塔5階模態(tài)的自振周期,如表1所示。

表1輸電塔5階模態(tài)的自振周期

首先,利用ANSYS軟件對羊角型輸電塔施加小風力風力4級）風荷載作用,由于大部分情況下,輸電塔的加速度與位移上限出現(xiàn)在頂端A點位置,所以計算輸電塔A點的位移與加速度。

表2描述了輸電塔頂端位移變化情況,由表2可知,在小風力作用下,輸電塔頂端位移區(qū)間為[0.015m,0.278m],所以輸電塔頂端位移最大值為0.278m。

圖2為輸電塔頂端加速度-時間曲線,該圖顯示羊角型輸電塔頂端加速度最大絕對值為0.419m/s2,而羊角型輸電塔的加速度最大容許限值的絕對值為0.674m/s2,在小風力作用下,羊角型輸電塔加速度值低于其最大容許限值,不會造成輸電塔故障。

其次,利用ANSYS軟件對羊角型輸電塔施加大風力風力10級）風荷載作用,測得輸電塔A、B兩點的加速度如表3所示。

表3顯示,在大風力作用下,羊角型輸電塔頂端A點水平方向的加速度最大絕對值可達0.61m/s2,B點垂直方向加速度最大絕對值可達0.63m/s2,因此B點垂直方向加速度較A點水平方向的加速度絕對值大:由于羊角型輸電塔的加速度最大容許限值絕對值為0.674m/s2,在大風力作用下,雖然羊角型輸電塔A點與B點的加速度上限均低于最大容許限值絕對值,但是與最大容許限絕對值差距較小,該輸電塔正處于瀕臨破壞的邊緣。因此,輸電塔在大風力作用下,電力系統(tǒng)巡檢人員應做好故障預防工作,保障輸電塔安全、穩(wěn)定運行。

3結語

本文采用ANSYS軟件建立羊角型輸電塔的有限元模型,對輸電塔施加小風力與大風力,得到以下實驗結果,在小風力作用下:輸電塔頂端位移最大值為0.278m,頂端加速度最大絕對值為0.419m/s2,遠低于最大容許限值絕對值0.674m/s2,輸電塔不會面臨毀壞風險:在大風力作用下:羊角型輸電塔頂端A點水平方向的加速度最大絕對值可達0.61m/s2,B點垂直方向加速度最大絕對值可達0.63m/s2,接近于最大容許限值絕對值0.674m/s2,輸電塔頂端處于瀕臨損壞的邊緣。

由上述分析結果可知,在10級大風作用下,羊角型輸電塔的頂端處于瀕臨破壞的狀態(tài),在實際應用中,輸電塔監(jiān)測與巡檢人員可根據(jù)風力大小判斷羊角型輸電塔輸電的穩(wěn)定性,當風力達到10級時,相關人員需做好輸電塔故障預防準備工作。