基于ANSYS的架空输电线路铁塔结构振动模拟_李鑫.pdf

2023 1期 基于 的架空输电线路铁塔结构振动模拟李鑫（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林 长春 ）摘要：架空输电线路铁塔结构的稳定性对维持安全稳定供电具有非常关键的作用，因现场测量难度较大，故多对其振动情况进行模拟。由于传统模拟方法考虑因素不全面，导致结果不佳，难以提供有效的参考信息，因此提出基于 的架空输电线路铁塔结构振动模拟。模拟架空输电线路铁塔结构，计算其结构荷载可靠度，基于 构建三维模拟风场，模拟现实环境条件。模拟结果表明，门型及八字型结构振动幅度较稳定，八字型结构在强风条件下的振动幅度更小。关键词：；架空输电线路；铁塔结构；振动模拟中图分类号：（，）：，：；收稿日期：作者简介：李鑫（），高级工程师，从事输电线路结构设计工作。引言近年来，飞速增长的国民经济水平使得电力供应系统的规模逐渐庞大，对电力供应系统输电线路的安全性和稳定性也提出了更高的要求。架空输电线路作为电力供应系统中不可或缺的构成部分，因其铁塔结构占地面积较大，建设地点多选于野外地区，故常受到外部复杂自然环境的影响。随着全球气候的变化幅度不断加大，极端天气出现的频率增加，导致大部分架空输电线路较为频繁地出现塔材断裂、弯曲及腐蚀现象，严重时甚至会发生断线倒杆及铁塔倒塌的问题，引起大面积、大规模的停电事故，对东部沿海地区电力供应系统的安全稳定造成极大的威胁，从而产生巨大的经济损失。为提升电力供应系统架空输电线路铁塔结构在频发的极端天气条件下的供电可靠性，对铁塔结构进行加固和优化具有十分重要的现实意义，以振动实验为主要实现途径。然而，对实际环境中的架空输电线路铁塔结构进行测试付出的成本和代价较大，实现难度较高，因此本文基于 仿真平台进行电力供应系统架空输电线路铁塔结构振动模拟实验，为电网维护提供科学性的决策依据，从而提升电力系统防风减灾的能力。架空输电线路铁塔结构振动模型建立 模拟架空输电线路铁塔结构随着大众用电需求的增加，对安全稳定供电的依赖性也在不断上升。架空输电线路作为效率较高且经济环保性较强的输电途径，是供电系统的建设和发展中的主要构成部分。目前，电力供应系统网络普及程度不断上升，且伴随着用电量的迅猛增长，架空输电线路越来越长，荷载压力也越来越大，因此合理设计架空输电线路的铁塔结构成为维持 架 空 输 电 线 路 供 电 安 全 稳 定 的 关 键 性 前 提 和 基础。铁塔是架空输电线路架设出的空间结构，主要由型钢及螺栓焊接组成。对架空输电线路铁塔结构振动情况进行模拟，首先要模拟其铁塔结构。几类常见的架空输电线路铁塔结构模拟如图所示。输配电工程电工技术 中国电工网（a）上字型直线塔（b）猫头型直线塔（c）酒杯型直线塔（d）鼓型直线塔图 1 几类常见的架空输电线路铁塔结构图由图可知，架空输电线路铁塔结构主要分为上字型直线塔、猫头型直线塔、酒杯型直线塔及鼓型直线塔，不同结构能承受的环境振动影响也有所不同，因此在对架空输电线路铁塔结果进行振动模拟时，要考虑不同结构对振动效果的影响。此外，铁塔结构其他的相关参数也会对振动情况产生影响。表为几种主要的参数类型及其模拟参考数据。表架空输电线路铁塔振动影响参数及参考数据影响参数名称参考数值导地线单位直径 导地线单位重量（）导地线综合弹性系数 铁塔塔重 塔身坡度（）塔头高度 模拟架空输电线路铁塔结构的过程中，还应将上述主要影响参数纳入考虑范畴，提供更为全面真实的振动模拟环境，以期获得精确度更高的振动模拟结果，为提升架空输电线路铁塔结构的强度提供强大的数据支撑。计算架空输电线路铁塔结构荷载可靠度在对电力供应系统中架空输电线路铁塔结构进行振动模拟的过程中，其核心和关键是确定架空输电线路荷载的可靠程度，以体现输电线路铁塔结构在极端天气下的抗风能力。架空输电线路铁塔主要由架空导线部分和混凝土电杆主体部分构成，其结构在强负载荷度的作用下抵抗变形及破坏的能力即为机械强度。对于架空导线部分，目前多使用钢芯铝绞线，其机械强度代表导线在达到拉断状态前能承受的最大应力数值，具体计算公式如下：（）式中，为架空导线能承受的最大拉力；、分别为铝单线导线、钢单线导线的强度流失系数；及分别为铝单线导线、钢单线导线的根数；与分别为铝单线和钢单线的横向截面积；、分别为铝单线与钢单线的抗拉力强度值。通过式（）能计算出架空导线部分的机械强度，然而在实际架设工程环境中，需将导线磨损及老化因素的影响参数也纳入考虑范围，因此可将式（）改写为：（）（）以式（）和式（）为基础，对架空输电线路铁塔结构的荷载效应进行表述，有：（）式中，为架空输电线路悬挂节 点 切 线 方 向 的 综 合 张力；为架空输电线路导线的截面面积。基于的计算方法，可得出架空配电线路铁塔结构荷载可靠度，具体公式如下：，（）式中，为架空配电线路铁塔结构荷载可靠度；、分别为模拟架空配电线路铁塔结构中架空导线的总条数及混凝土主体电杆的总数；，为模拟结构中第条架空线路的荷载效应数值；，为结构中第根主体电杆的荷载效应数值。计算架空输电线路铁塔结构荷载可靠度，能为铁塔结构的振动模拟过程提供较为可靠的依据，从而提升振动模拟结果的准确程度。基于 构建三维模拟风场由于电力供应系统的架空输电线路铁塔多架设于野外地区，受外部自然环境中风力因素的影响最大，可以说架空输电线路铁塔结构的稳定和可靠程度主要取决于架设环境中的风速和风向，因此对架空输电线路铁塔结构进行振动实验前，应有相应的风速时程数据。但通过实际现场实测方法获取风场作用数据的实现难度较高，因此基于 对模拟风场进行构建，弥补实际环境测量模拟难度较大的缺陷，工作原理如图所示。设定风场三维坐标构建模拟风场施加荷载影响导入铁塔结构数据形成模拟模型模拟振动结果图 2 ANSYS 平台构建模拟风场工作原理框架由图可知，基于 平台对模拟风场进行构建的关键和核心为对风场的三维坐标进行确立，具体坐标如下：（），（），（），（）；（）式中，、分别为模拟风场中的顺风向轴、横风向轴及竖风向轴；（）为模拟风场中顺风向轴的平均风速；、分别为模拟风场中顺风向、横风向及竖风向电工技术输配电工程2023 1期 的脉动风速；、分别为模拟架空输电线路铁塔结构中的总线长及铁塔结构的总高度；为时间。基于三维坐标体系对模拟振动风场进行构建，为架空输电线路铁塔结构振动模拟实验提供尽可能真实的实际操作环境，以提升模拟振动情况对实践的参考价值和现实意义。架空输电线路铁塔结构模拟振动情况 振动情况结果基于 平台对架空输电线路铁塔结构及三维风场进行模拟，为模拟振动情况提供技术手段和基础。振动模拟第一阶段，对四种主要的架空输电线路铁塔结构进行测试，如图所示。图 3 不同架空输电线路铁塔结构振动模拟结果由图可知，不同铁塔结构的模拟振动结果区间及幅度都有所不同。其中，单立型及字型结构的振动模拟结构浮动区间偏大，振动幅度剧烈，表明结构稳定性较弱；门型及八字型结构振动浮动区间较小，振动幅度趋于平缓，表明结构稳定性较强。振动模拟第二阶段，将风场作用力作为变量条件，选取架空输电线路铁塔结构中的门型及八字型结构作为模拟对象，观察其在不同风场作用力条件下的振动情况，如图所示。图 4 不同风场条件下铁塔结构振动模拟结果由图可知，风场作用力的变化能对铁塔结构振动情况产生较大的影响。随着风场作用力的增强，门型铁塔结构的振动幅度呈现剧烈的变化，而八字型结构振动幅度变化较小。振动谐响应分析基于 平台不仅能对架空输电线路铁塔结构振动情况进行仿真模拟，而且可形成振动模拟谐响应分析曲线，基于以上振动模拟结果，能推算出铁塔结构发生意外事故的振动临界点，如图所示。图 5 架空输电线路铁塔结构振动模拟谐响应分析曲线结构稳定度/(%)振动幅度系数J由图可知，架空输电线路铁塔结构振动幅度与其结构稳定程度呈负相关关系，当振动幅度临近临界点时，架空输电线路铁塔结构的稳定度降低至非安全区间，因此可将临界点作为预测意外事故的振动临界点，为实际操作中维护架空输电线路铁塔结构稳定提供参考。结语基于 对架空输电线路铁塔结构振动情况进行模拟，能改善实际操作环境中测量难度较大的缺点，并为提升架空输电线路铁塔结构稳定度提供更为科学的依据及参考。但由于实际气候条件复杂，十分全面精确地对风场作用力条件进行模拟的难度较大，可能会导致振动情况的模拟结果出现误差，因此今后应更加注重优化模拟风场的多维数据构建算法，提升与实际环境的贴合度，优化架空输电线路铁塔结构振动模拟结果，为实际操作提供更为准确的参考依据。参考文献 杨风利，王旭明，朱彬荣低温及大温差区输电铁塔螺栓扭矩及横 向 振 动 试 验 研 究 振 动 与 冲 击，（）：刘俊卿，王学明，薛晓敏，等输电铁塔四地脚螺栓塔脚板抗拉承载力试验与计算方法研究应用力学学报，（）：林志军，刘宝军，关俊峰，等 基于影像特征分析的架空输电线路三维实景建模电子器件，（）：邓亨长，徐国挺，李清培，等基于 无制动结构钢吊车梁加固后的力学性 能研究 建筑结构，（）：徐铂裕 架空输电线路铁塔基础偏心测量装置的设计及应用 电气技术与经济，（）：，夏冬生 架空输电线路自立式模块化临时杆塔优化设计研究光源与照明，（）：输配电工程电工技术