架空输电塔线体系有限元建模及风载分析

架空输电塔线体系有限元建模及风载分析

郝辉,李建民,窦世杰

华北石油管理局有限公司电力分公司 河北 任丘 062550

摘要：随着电网建设规模的不断扩大，超高压、特高压的输电线路不断增多，其大多途经地质环境复杂、气象条件多变的中、重冰区，覆冰期发生的倒杆、倒塔、断线等事故造成了重大经济损失。因此，研究并设计以在线监测为基础的输电塔线体系安全状态评估模型并进行短期的安全状态预测，是保证电网安全可靠运行的重要环节。

关键词：架空输电；塔线体系；有限元；模态分析；风载分析

引言

高压输电线路在运行过程中由于电压等级高，输电线路长，会对周围的环境产生强电磁场，对人体健康和信号通讯造成的影响不可忽视．研究高压输电线路周围电场和磁场分布，对确定输电线路的电压等级有指导意义．同时，输电线路输送电力的能力与电力系统稳定性密切相关，研究学者较多将等面积准则应用于电力系统稳定性的研究中。

1特高压架空输电线路放线的重点以及主要特征

特征一：该项技术是特高压架空输电线路中使用频率最广泛的操作方式，可以有效保障线路施工的安全性与稳定性，也可以加快施工整体速度。特征二：该项技术还可提高施工质量以及速度，降低施工难度。传统输电线路的架线工作需要人工辅助完成，虽然操作简便，但工作人员在展放导线的过程中会进行拖拽动作，导致导线出现磨损或是损坏问题，降低其使用寿命，同时该种方式施工效率较低。而张力放线技术主要借助牵引机以及张力机等辅助设备，可以让线路展放时保持张力状态，保证导线的完整性，也加快了导线展放的施工速度。

2铁塔基础

本地区电网公司架空输电线路铁塔基础偏心测量难度大，耗时长，亟待调整和优化，其具体表现在:1)预投入高。施工单位要投入大量的人力进行预试，由于基础中心点偏心定位与基础螺栓中心点偏移验收操作时间长，效率低下，增加了人工成本;2)精确性差。精确定位基础中心点的偏移单位都是以毫米为单位进行计算，而目前中心点定位均是由手工进行操作，在看尺、划线、计算时容易出现偏差，影响基础中心点的精确度;3)风险较高。对于基础露高大的情况，测量人员需要站在基础顶面才能进行测量，而测量中心点的时间长，容易造成验收人员高处坠落的人身安全风险;4)效率低下。对于矩形基础的杆塔，一基杆塔所耗时间40～60min，而圆柱形基础的杆塔时间更长，并且携带工具多、测量操作复杂。

3塔线体系的风载分析

一般情况下，输电塔线体系风载分析可分为输电塔和输电导线上的受力分析。在理论研究中，输电塔线体系中的主要研究内容为输电导线上的风载荷，忽略输电塔和绝缘子串的作用，同时需考虑不同风向作用下响应分析，然后研究不同风速、不同角度下风载对输电塔线体系的影响。在本文的输电塔线体系风载分析中，首先将风载荷统一做静态风载荷处理，即将风载荷等效成静态风载荷，再对输电线路进行风载荷静力响应分析；其次根据建立的模型和参考数据，研究在已知风速和风向角时，计算出作用在输电导线的风载荷数值；然后将计算出的风荷载数值加载在输电线路所在节点上；最后经分析计算，得到“三塔两线”体系在不同风速和风向角的位移云图，并对其进行位移云图分析总结。

3.1偏心测量

在上述测量的过程中需先根据架空输电线路铁塔基础中的地脚螺栓位置进行中心点标记。操作时直接根据对角线定位中心点的方法，将对角线上的两个地脚螺栓连线，找对角线的交叉点，记做地脚螺栓基础中心点。然后，再在不同类型基础中心定位方法基础上，观察铁塔基础中心点和地脚螺栓中心点是否存在偏移。若存在偏移，则转动测量工具上的20mm偏移标尺，使地脚螺栓中心点落在偏移标尺刻度线上，此时的读数则为架空输电线路铁塔基础中心点与地脚螺栓中心点的偏心值。

3.2短路类型对暂态稳定性的影响

保持两段并联的输电线路２５０ｋｍ不变，设短路发生在ａｂ线路首端，短路发生时间仍为０．２ｓ，短路发生０．３ｓ后线路两侧的断路器切断故障支路．通过改变短路类型，观察不同短路状态下发电机的转速变化情况．由图８（ａ）可见，两相接地短路ｋ（１，１）、两相短路ｋ（２）、单相短路ｋ（１）、三相短路ｋ（３）在线路长度为２５０ｋｍ时，发电机转速随时间的变化相差不大。对该长度线路，上述四种类型的短路，系统均是暂态稳定的．继续增加两段并联的输电线路长度至３３０ｋｍ，设短路仍然发生在ａｂ端首端，短路发生时间仍为０．２ｓ，短路发生０．３ｓ后线路两侧的断路器切断故障支路．改变短路类型，观察不同短路状态下发电机的转速变化情况．由图８（ｂ）可见，当线路长度为３３０ｋｍ时，单相接地ｋ（１）以及两相不接地ｋ（２）经几个周期后失稳，两相接地短路ｋ（１，１）和三相短路ｋ（３）相对更快进入失稳状态．该系统在上述四种情况下均暂态不稳定，说明短路类型对系统暂态稳定性有影响，但是在该长度以及断路器切除时间下影响并不是太大．由于三相短路是最严重的短路，三相短路时，发生在线路首端以及末端的附加电抗ＸΔ均为零，联系电抗均为无限大，因此系统易失去暂态稳定．

3.3线路隐患风险评估方法

针对输电线路绝缘缺陷放电行波监测终端监测到的放电波形，在进行风险评估前系统首先对放电波形进行处理，针对处理后的波形再进行波形有效性判定。波形处理及波形有效性判定方法如下。（１）波形处理，得出放电脉冲的幅值Ｉ测及频率ｆ测，找到幅值最大值点Ｉｍａｘ及此时对应的时刻ｔ１，得出波形与Ｉｍａｘ／２横线的交点及对应时刻ｔ２和ｔ３。（２）波形有效性判断，当监测波形的幅值Ｉ测超过隐患门槛值Ｉｍ１且该段放电波形与工频对比具有周期重复性即判断为有效波形，判断为有效波形的Ｉ测、ｆ测、Ｉｍａｘ、ｔ２和ｔ３等数据进入历史库。系统在判定该次放电波形为有效波形后，即开始进行风险评估。

4结论

本文通过建立输电塔线体系有限元模型，对模型进行模态分析和风载分析得到如下相关结论。（１）对比分析输电单塔和输电塔线体系的固有频率可知，单个输电塔的固有频率远大于输电塔线体系的固有频率，且输电单塔前１０阶固有频率低于１０Ｈｚ，输电塔线体系的前１０阶固有频率低于０．０２Ｈｚ，说明输电线路运行过程中，当频率较小时，结构振动变形严重，要特别关注低频率段的结构稳定性。（２）输电单塔的振型表现为塔身的扭转和侧移振动；输电塔线体系的振型主要表现为输电导线的侧移和扭转振型。输电塔线体系中的输电铁塔变形不明显，分析原因是输电塔的刚度比输电导线的刚度大。

结束语
本文研究了架空输电线路绝缘缺陷放电的发展过程及常见的放电类型，提出了基于行波监测数据的放电风险预警流程；通过“单次放电分析”与“逐基杆塔统计”对线路的全线杆塔的放电量与放电频度进行统计，基于放电量与放电频度统计数据找出沿线高风险杆塔；然后对风险杆塔进行“风险评估”，基于三级风险预警标准对风险杆塔的风险等级进行评估；最后以某２２０ｋＶ线路的一次金具放电事件为例，验证了放电风险预警的实用性与准确性。

参考文献

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