输电塔线体系覆冰与脱冰的数值模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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万法
• 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 Unzipping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