CN107657090B - 一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，该方法包括如下步骤：S1、建立杆塔有限元力学分析精细数值仿真模型；S2、求解计算杆塔覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量；S3、进行有限元数值计算；S4、考虑耐张塔钢构实际两侧不均匀覆冰的影响，制定杆塔失稳曲线；S5、根据覆冰条件下的挂点拉力或覆冰厚度实际，判断目前输电线路杆塔失稳情况。本方法通过获取绝缘子串挂点实时拉力，采用有限元仿真计算来探究覆冰对杆塔失稳的影响，不仅能有效提高计算效率，使得有限元计算结果更可靠，也能方便电网维护人员直接依据杆塔两侧绝缘子串拉力的监测情况对杆塔稳定性进行评估。

Description

一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法

技术领域

本发明涉及一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法。

背景技术

输电塔线体系是由杆塔、绝缘子串和导线组成的耦合体系，若线路设计不合理，线路前后档距差、高差角过大，特别是线路不均匀覆冰易导致杆塔承受的张力不平衡，遇到大风、冰冻等恶劣天气，容易发生导地线缩颈、断裂、绝缘子损伤、破裂、杆塔横担扭转、变形等事故，严重威胁电网运行的安全性。全面了解和掌握输电杆塔在不均匀覆冰工况下的静动力特性，研究塔线耦合体系下两者的耦合作用，对于提高我国电网的安全可靠性具有重要的理论和工程意义。

目前已有很多国内外的学者对输电线路不均匀覆冰状态下的塔线体系力学特性的定量研究不足，正在完善的架空输电线路中重冰区设计技术导则对各种电压等级不同冰区线路计算不均匀覆冰及覆冰断线工况的覆冰率提出了要求，但尚未给出具体的纵向不平衡张力取值，在线路设计时需要针对具体情况作相应计算。此外，由于杆塔钢构力学特性较复杂，钢构实际承载能力受长细比、宽厚比和疲劳损伤等多种因素的影响，因此依据现有设计规范，能够保证在已知的若干设计工况下不发生破坏，但无法准确给出特殊工况(严重覆冰)下杆塔的极限承载能力、预测输电线路的断线和倒塔事故。因此研究塔-线系统在覆冰情况下的失稳曲线和危险预警，具有切实的必要性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，以为电网维护人员对塔杆的稳定性进行预判评估。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、根据线路参数及线路导、地线、杆塔的材料、结构耦合特性，建立杆塔有限元力学仿真模型；

S2、求解计算杆塔覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量；

S3、结合杆塔两侧绝缘子串挂点的实时拉力及步骤S2中所计算的受力方向，对杆塔有限元力学仿真模型两侧导、地线绝缘子串挂点施加载荷，进行有限元数值计算；

S4、结合耐张塔钢构实际两侧不均匀覆冰的影响来制定杆塔失稳曲线；

S5、根据覆冰条件下的绝缘子串挂点拉力或导、地线实际覆冰厚度，判断目前输电线路杆塔失稳情况。

所述求解计算覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量的过程为：

在杆塔上安装覆冰监测装置拉力传感器来监测绝缘子串挂点实时拉力，并根据监测的结果来得出导线拉力和地线拉力的关系；

假设杆塔同一侧各相导线以及各相地线对绝缘子串挂点拉力的拉力相同，求解计算杆塔两侧拉力的方向：

对于杆塔某一侧绝缘子串挂点处，由于受力平衡，有：

式中，T为绝缘子串挂点拉力，也即覆冰监测装置拉力传感器所监测到的挂点拉力；H和V分别是T的两个分力，其中H是水平张力，V是竖直方向分力；

导、地线无覆冰时，此时绝缘子串挂点处水平张力H₀和竖直方向分力V₀满足挂点力矩平衡方程式：

式中，l为档距长度，h为两杆塔高差，g₀导线比载，G绝缘子串重，λ绝缘子串长度，σ₀是无覆冰条件下水平应力，N为导线分裂数，A为导线计算截面积；

其中，水平张力H₀是与导线水平应力σ₀的关系如下：

H₀＝σ₀NA (3)

将式(3)代入式(1)和(2)中，得到非线性方程组：

求解上述方程组(4)，即可推知无覆冰情况下挂点处水平张力H₀和竖直方向分力V₀，无覆冰情况下该侧拉力与水平面所呈夹角θ₀即为：

覆冰条件下导、地线的状态方程式：

式中，g₁为覆冰情况下导线比载，E为导线弹性系数，α为导线热膨胀系数，σ₁是有覆冰条件下水平应力，t₁和t₀分别为覆冰时气温和无覆冰时气温；

覆冰条件下绝缘子串挂点处水平张力H和竖直方向分力V同样满足挂点力矩平衡方程式(2)和受力平衡关系式方程组(4)，因此覆冰条件下σ₁、V和覆冰情况下导线比载g₁满足如下非线性方程组：

求解式(7)，即可求出覆冰条件下σ₁、V和覆冰情况下导线比载g₁，即可推知覆冰情况下绝缘子串挂点处水平张力H和竖直方向分力V，覆冰情况下该侧拉力与水平面所呈夹角θ即为：

并根据式(9)来计算出对应的导线覆冰厚度b₀；

式中，d为导线直径。

其中，需要说明的是，上述公式(1)-(9)所出现的“导线XX”参数中的“导线”均代表为“导、地线的导线”。

所述制定杆塔失稳曲线的过程为：首先制定杆塔构件失稳曲线之后，再制定杆塔结构系统的失稳曲线。

所述制定杆塔构件失稳曲线的过程为：对受压构件做强度分析和稳定分析，若其强度破坏或失稳，则认定该构件失稳。

所述杆塔有限元力学分析精细数值仿真模型采用ANSYS软件来建立，并应用ANSYS软件中的BEAM188梁单来模拟输电线路杆塔的角钢。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明通过在线监测终端实时监测绝缘子串挂点拉力，采用有限元仿真计算来探究覆冰对杆塔失稳的影响，不仅能有效提高计算效率，使得有限元计算结果更可靠，也能方便电网维护人员直接依据杆塔两侧绝缘子串拉力的监测情况对杆塔稳定性进行评估。

附图说明

图1为本发明实施例提供的判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法的流程图；

图2为实施例中BEAM188单元模拟L形角钢的示意图；

图3为实施例中杆塔建模流程图；

图4为实施例中桂山乙线112#耐张塔有限元模型图；

图5为实施例中桂山乙线112#转角塔载荷施加和自由度约束情况图；

图6为实施例中桂山乙线112#转角塔节点位移云图；

图7a为实施例中桂山乙线112#转角塔各单元应力云图；

图7b为实施例中桂山乙线112#转角塔各单元应变云图；

图8为实施例中小号侧拉力250kN和300kN时主材应力峰值随大号侧拉力变化曲线图；

图9为实施例中杆塔失稳曲线；

图10为实施例中杆塔失稳拉力曲线示意图；

图11为实施例中杆塔失稳冰厚曲线示意图；

图12为实施例中运用杆塔失稳曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

参阅图1所示，为本发明实施例提供的判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S1、根据线路参数及线路导、地线、杆塔的材料、结构耦合特性，建立杆塔有限元力学仿真模型；

S2、求解计算杆塔覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量；

S3、结合杆塔两侧绝缘子串挂点的实时拉力及步骤S2中所计算的受力方向，对杆塔有限元力学仿真模型两侧导、地线绝缘子串挂点施加载荷，进行有限元数值计算；

S4、结合耐张塔钢构实际两侧不均匀覆冰的影响来制定杆塔失稳曲线；

S5、根据覆冰条件下的绝缘子串挂点拉力或导、地线实际覆冰厚度，判断目前输电线路杆塔失稳情况。

实施例

在本实施例中，以超高压公司所辖桂山乙线112#转角塔为例，直接在杆塔两侧绝缘子挂点施加拉力载荷，探究两侧拉力的综合作用对杆塔失稳的影响，在本实施例中，绝缘子串挂点简称为挂点。

(1)建立有限元力学分析精细数值仿真模型

500kV桂山乙线，起于500kV桂林变电站，止于500kV贤令山变电站，按紧凑型建设，2008年7月投运。其中桂山乙线112#转角塔地处海洋山高海拔地区，全段海拔高程为364.9m～1175m，沿线地形主要为高山大岭，目前采用紧凑型单回路建设，该段线路设计风速为30m/s(离地20m高)，按15mm覆冰设计。桂山乙线112#转角塔呼高27m，总塔高41.6m。杆塔设计基本情况如下表所示：

表1桂山乙线112#设计基本情况

为精确计算多档距高压输电线路塔-线系统的档距、高差和不均匀负荷导致的应力和形变，应用ANSYS软件中的BEAM188梁单元模拟输电线路杆塔三种型号的角钢，通过设定BEAM188梁单元的实常数来模拟L形角钢的形状及其截面尺寸。BEAM188单元模拟如图2所示。

JJ11-27杆塔采用的角钢主要有两种，区别在于两种角钢的屈服强度不同，分别为Q345和Q235两种型号角钢，材料属性如表2所示。

表2角钢材料属性

型号	Q345	Q235
			弹性模量(Mpa)	206000	206000
质量密度(t/mm<sup>3</sup>)	7.85E-09	7.85E-09
			泊松比	0.3	0.3
屈服强度/最大使用应力(Mpa)	345	235

整个杆塔建模过程如图3所示，本实施例中以横担方向作为X轴，以高度方向作为Y轴，以导线方向作为Z轴。杆塔以分段方式构成，对应图纸将每一段独立建模，规定每段的局部坐标系及其原点，并给出各局部坐标系的偏移量。完成杆塔各部分建模后，设定一个偏差量，将偏差范围内的节点和单元融合，编号重排，该节杆塔建模结束。将各节组合在一起即可完成杆塔建模。输出地/导线悬挂点和塔脚编号，方便后续建模计算，整个杆塔模型如图4所示。

(2)求解计算覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量

通过杆塔安装的覆冰监测装置拉力传感器监测的挂点拉力，监测结果如下表所示：

表3桂山乙线112#耐张塔拉力监测结果

由以上数据可知对于每一侧，导线拉力与地线拉力总成一定倍数关系，例如小号侧导线拉力与地线拉力倍数在6.975～7.57之间变化，因此在拉力不断变化的过程中，假设小号侧导线拉力始终为地线拉力的7倍，大号侧导线拉力始终为地线拉力的10倍，同时假设同一侧各相导线对挂点的拉力相同，同一侧地线也对挂点拉力相同，这样将多个变量简化为2个变量：左侧导线拉力T₁和右侧导线拉力T₂。

但两侧拉力的方向不同，因此还需通过计算分别确定两次拉力方向。对于杆塔某一侧导线挂点处，由于受力平衡，有：

式中T为绝缘子串拉力，也即实际杆塔上的监测拉力；H和V分别是T的两个分力，其中H是水平张力，V是竖直方向分力。

导、地线无覆冰时，此时挂点处水平张力H₀和竖直方向分力V₀满足挂点力矩平衡方程式：

式中l为档距长度，h为两杆塔高差，g₀导线比载，G绝缘子串重，λ绝缘子串长度，σ₀是无覆冰条件下水平应力，N为导线分裂数，A为导线计算截面积，在本实施例中，A为代表的是上述“导线、地线”的导线计算横街面积。

其中水平张力H₀是与导线水平应力σ₀的关系如下：

H₀＝σ₀NA (3)

将式(3)代入式(1)和(2)中，得到非线性方程组：

方程组(4)中仅σ₀和V₀未知，求解上述方程组，即可推知无覆冰情况下挂点处水平张力H₀和竖直方向分力V₀，无覆冰情况下该侧拉力与水平面所呈夹角θ₀即为：

采用以上方法求解出无冰覆冰情况下小号侧和大号侧挂点所受拉力的水平分量H和竖直分量V以及拉力与水平面夹角分别如下表所示：

表4无覆冰情况下拉力与水平面夹角计算结果

方向	竖直分量V	水平分量H	夹角θ	水平应力σ<sub>0</sub>
					小号侧	51305.7733	79523.4777	32.829°	39.0982416664
大号侧	25161.9765	75863.0889	18.349°	37.2985874288

覆冰条件下导线状态方程式：

式中，g₁为覆冰情况下导线比载，E为导线弹性系数，α为导线热膨胀系数，σ₁是有覆冰条件下水平应力，t₁和t₀分别为覆冰时气温和无覆冰时气温。

覆冰条件下挂点处水平张力H和竖直方向分力V同样满足挂点力矩平衡方程式和受力平衡关系式方程组(4)，因此覆冰条件下σ₁、V和覆冰情况下导线比载g₁满足如下非线性方程组：

求解式(7)，即可求出覆冰条件下σ₁、V和覆冰情况下导线比载g₁，即可推知覆冰情况下挂点处水平张力H和竖直方向分力V，覆冰情况下该侧拉力与水平面所呈夹角θ即为：

进一步，可以求解出覆冰条件下的导线比载g₁，并根据(9)式计算出对应的导线覆冰厚度。

式中，d为导线直径。

(3)采用ANSYS软件对上述的仿真模型杆塔两侧导、地线挂点施加载荷，进行有限元数值计算。

按上述对杆塔上相应的导线绝缘子串挂点和地线挂点施加x、y、z三个方向上的载荷，注意由于是转角塔，而拉力的水平分量H即为导线方向，因此其在x和z方向的载荷分量分别为：

F_x＝HsinβF_z＝Hcosβ

式中β为该侧导线与所设定z轴的夹角。

本实施例中不涉及杆塔基础的仿真分析，假设杆塔底部四点与基础稳固连接，杆塔腿部与基础连接点的位移在线路运行中不发生变化。因此在有限元仿真分析中，需固定三个坐标方向上的全部平动和转动自由度。综上，对整个杆塔完成载荷施加和自由度约束后，如5图所示

在Ansys中对上述有限元模型进行仿真计算，程序收敛后杆塔位移云图如下图6所示。杆塔各单元应力和应变云图如图7a-7b所示，由图7a-7b可知，无覆冰工况下，杆塔节点位移最大值出现在右侧地线支架部分，应力应变最大处出现在杆塔导线横担部分。

依据上述仿真方法，可不断改变杆塔两侧的导线拉力，循环进行仿真计算，从仿真结果中提取出各钢构单元的应力应变值，结合节点位移值来判断杆塔失稳情况，制定杆塔的失稳曲线。

(4)制定杆塔失稳曲线

输电塔塔架是由许多杆件组合在一起构成的高耸结构，属于高次超静定结构体系。塔架的某一根杆件的失稳或破坏并不一定会导致整个塔架结构的失稳，而是相应的构件破坏达到一定数目时，塔架整体形成了机构或者局部破坏才整体破坏。因此对于杆塔这种大型复杂结构体系，需要制定详细的构件失稳曲线，再制定结构体系的失稳曲线。

在结构可靠性分析研究中，人们已普遍认识到结构系统中的不确定性是不可忽视的，因此计算结构的可靠性必须用概率的方法。传统的基于安全系数的设计方法不能反映多设计参数的随机特性，因而不能完全保证其安全。通常对于一个实际结构如大型的输电塔，其超静定次数较高，某一个元件破坏并不会导致整个结构的破坏，只有当结构中的破坏元件数达到一定数目，使得结构不能再承受荷载，这个结构才算破坏。所以在对这类结构进行可靠性分析时，我们应以整个结构体系的静强度来讨论强度特性，而不是以一个薄弱点的强度来代替整个结构体系的静强度特性。当然在超静定次数很高的大型结构中存在着大量的可能破坏模式。寻找所有这些可能的破坏模式并计算出结构的系统破坏概率，需要消耗大量机时，且在实际中也无必要，在实用中只需挑选出那些发生概率较大的破坏模式——主要破坏模式。

如果结构体系达到极限状态的概率超过了允许限制，结构体系就失稳，失稳的含义是体系变成机构，或超过规定的变形，或不能进一步承受外荷载。对于输电线路杆塔这种大型复杂结构体系，结构体系的失稳是一系列构件相继失稳的结果，因此需要制定详细的构件失稳曲线之后，再制定结构体系的失稳曲线。

(4.1)构件失稳

根据工程经验，在输电线路杆塔结构构件中，主要承受由荷载作用引起的轴向拉力或压力，由荷载作用引起的弯矩相对较小。为简化计算，一般选取杆塔结构中的轴心受拉构件和轴心受压构件进行可靠度校准分析。在极限荷载作用下，输电线路杆塔结构的受拉构件一般为强度破坏，受压构件则大多是稳定破坏。

影响构件屈服强度和屈服后刚度变化特性的因素主要有：构件长细比、宽厚比钢材含碳量以及加载方式等。长细比是影响屈服强度及屈服后刚度变化的主要因素，随着杆件长度的增加，长细比增大，失稳时临界屈曲承载力下降越大。随着宽厚比的增大，构件受压时边缘先屈服，临界屈曲承载力下降，但屈曲后承载力-位移曲线下降较平缓，即相对刚度较小。

因此，本实施例参考我国《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》DL/T 5014-2002标准，对杆塔受拉构件仅做强度分析，对受压构件做强度分析和稳定分析，若其强度破坏或失稳，则认定该构件失稳。

①受拉或受压构件强度分析

轴心受力构件的强度计算公式为：

N/A_n＝m·f (9)

式中N为轴心拉力或轴心压力的设计值，N；m为构件强度折减系数；A_n为构件净截面面积；f为钢材强度设计值。构件强度折减系数m与构件的受力情况和连接方式相关，其取值参考《架空送电线路杆塔结构设计技术规定》确定。

其中构件净面积采用下式计算：

A_n＝A-n·d₀·t (10)

A为构件毛截面面积；n为对应杆件的减孔数；d₀为螺栓孔径；t为角钢杆件肢厚。本发明认为当主材肢宽小于125mm时，杆件减孔数为2个；主材肢宽大于或等于125mm时，减孔数为2.23个，其余杆件减孔数为1个。

②受压构件稳定分析

根据现行国家标准《GB 50017-2003钢结构设计规范》，引入轴心受压构件的稳定系数，该系数根据构件的长细比、钢材屈服强度和截面分类计算。轴心受压构件的稳定计算公式为：

N/(k·φ·A_n)＝m_N·f (11)

式中φ为杆塔轴心受压构件稳定系数(取截面两主轴稳定系数中的较小者)；A为构件毛截面面积，mm²；m_N为压杆稳定强度折减系数，k为考虑屈曲后强度的宽厚比折减系数。原标准未考虑宽厚比对构件稳定强度折减系数的影响，参考文献对折减系数进行修正，从而得到修正系数k。

该公式可以解释为，在钢材本身的屈服强度下，长细比越大，宽厚比越大，越容易出现失稳情况，即依据钢构件的形状对其极限承载力进行了修正。

(4.2)杆塔结构体系失稳

本实施例制定塔-线系统分级失稳曲线如表4所示，依据失稳情况分为三级：轻微破坏、中等破坏和严重破坏，其中ξ表示构件应力比值(应力与构建屈服强度之比)，l表示塔顶位移，h表示塔高。

表5杆塔结构体系失稳曲线

类别	轻微破坏	中等破坏	严重破坏
				杆塔斜材	ξ>1.0	ξ>1.15	——
杆塔主材	0.8<ξ<1.0	1.0<ξ<1.15	ξ>1.15
				塔顶位移	——	3h/1000<l<h/100	l>h/100
收敛性	——	——	程序不收敛

根据覆冰监测终端监测数据，在无覆冰拉力的基础上，以50kN为差值，不断增大杆塔两侧拉力值，对杆塔有限元模型进行仿真计算，以探究两侧拉力的改变对杆塔失稳的影响。

将小号侧和大号侧拉力在100～450kN分为8级，每级拉力相差50kN，各级拉力对应加载时的水平分量、竖直分量以及等值冰厚如下所示：

表6杆塔两侧拉力相关参数计算

依据上表中杆塔两侧各级拉力的水平分量和竖直分量，对杆塔有限元模型进行加载求解，不断改变杆塔两侧拉力进行仿真计算，提取出不同拉力组合下杆塔各单元的应力比值和各节点的位移，并对杆塔安全状况进行判断。

分析中发现当两侧不平衡张力越大时，杆塔就越危险。以小号侧拉力250kN和300kN为例，提取出大号侧从参考拉力到450kN变化过程中杆塔主材应力峰值，绘制主材应力峰值随大号侧拉力的变化曲线如图8所示，从图8可以发现，当小号侧拉力一定时，大号侧拉力远小于小号侧拉力时，杆塔所受两侧不平衡张力较大，杆塔受压构件的应力较大；随着大号侧拉力增大，两侧不平衡张力逐渐减小，杆塔受压构件的应力也逐渐减小，杆塔安全状况也越来越好。当两侧拉力较接近时，随着大号侧拉力增大，不平衡张力又被拉开，逐渐变大，此时杆塔受拉构件应力逐渐增大直至接近屈服极限，杆塔危险程度也不断提高。小号侧拉力为300kN时，当大号侧拉力较小时，两侧不平衡张力大于小号侧拉力250kN的工况，因此受压构件应力也更大，曲线也在小号侧拉力250kN的曲线下方，结果合理。实际对小号侧拉力为其他值时也做上述处理，分析发现结果都与小号侧拉力250kN和300kN时一致。

可见，对于小号侧拉力一定，大号侧拉力过大或过小都可能导致杆塔失稳，因此杆塔的失稳曲线有两条。同时注意到杆塔失稳是不平衡张力和载荷的综合作用，因此当一侧拉力较大时，例如小号侧拉里为450kN时，无论大号侧拉力取何值杆塔都易出现失稳。基于以上思路，给出杆塔失稳曲线如图9所示，在图9中依据杆塔失稳曲线分为6条失稳曲线，其中左侧三条曲线对应大号侧拉力过大，小号侧拉力小时出现的杆塔失稳情况，此时曲线上方即为危险区域。右侧三条曲线对应小号侧拉力过大，大号侧拉力小时出现的杆塔失稳情况，此时曲线下方即为危险区域。当小号侧拉力较小时，随着小号侧拉力增大，与大号侧拉力越来越接近，杆塔两侧不平衡张力减小，出现失稳的大号侧极限拉力也会逐渐增大；反之，当小号侧拉力较大时，随着小号侧拉力增大出现失稳的大号侧极限拉力也会逐渐增大，因此给出各区域示意图如10图所示。

由于在实际中，一般采用导线覆冰厚度来评估杆塔的失稳情况，通过上文式(7)～(9)，将拉力换算成等值冰厚，形成杆塔失稳冰厚曲线，其最终形式如图11所示。

当桂山乙线112#转角塔两侧拉力对应点位于安全区域时，表示杆塔安全状况较好，无倒塔风险；当位于预警区域时，表明此时杆塔有一定概率出现失稳风险，需要引起电网维护人员注意，并采取一定的融冰措施，并及时观测杆塔状况；当位于危险区域时，杆塔有大概率出现失稳甚至可能发生倒塔事故，需要电网维护人员及时采取对应措施。

(5)采用失稳曲线判断杆塔失稳情况

从上文制定的杆塔失稳曲线可以看出，当杆塔两侧拉力对应点位于安全区域时，表示杆塔安全状况较好，无倒塔风险；当位于预警区域时，表明此时杆塔有一定概率出现失效风险，需要采取一定的融冰措施，并及时监测杆塔状况；当位于危险区域时，杆塔有大概率出现失效甚至可能发生倒塔事故。

通过覆冰终端监测的杆塔挂点拉力值或换算的等值覆冰厚度，结合杆塔失稳曲线，可以快速判断杆塔的覆冰失稳情况，及时制定相应的防冰措施。例如，通过覆冰监测得到桂山乙线112#塔大号侧导线等值覆冰厚度30mm，小号侧导线等值覆冰厚度10mm，在如图12所示的失稳曲线图中标定的位置处于预警区域，此时杆塔出现部分损坏，但是还未出现倒塔失稳情况，需要尽快开展融冰。

可见，结合覆冰监测情况，采用杆塔失稳曲线，可以简单、快速的判断杆塔的覆冰失稳情况，具有良好的工程实用性。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、根据线路参数及线路导、地线、杆塔的材料、结构耦合特性，建立杆塔有限元力学仿真模型；

S2、求解计算杆塔覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量；

S3、结合杆塔两侧绝缘子串挂点的实时拉力及步骤S2中所计算的受力方向，对杆塔有限元力学仿真模型两侧导、地线绝缘子串挂点施加载荷，进行有限元数值计算；

S4、结合耐张塔钢构实际两侧不均匀覆冰的影响来制定杆塔失稳曲线；

S5、根据覆冰条件下的绝缘子串挂点拉力或导、地线实际覆冰厚度，判断目前输电线路杆塔失稳情况；

所述求解计算覆冰前后绝缘子串挂点受力方向及变化量的过程为：

在杆塔上安装覆冰监测装置拉力传感器来监测绝缘子串挂点实时拉力，并根据监测的结果来得出导线拉力和地线拉力的关系；

假设杆塔同一侧各相导线以及各相地线对绝缘子串挂点拉力的拉力相同，求解计算杆塔两侧拉力的方向：

对于杆塔某一侧绝缘子串挂点处，由于受力平衡，有：

式中，T为绝缘子串挂点拉力，也即覆冰监测装置拉力传感器所监测到的挂点拉力；H和V分别是T的两个分力，其中H是水平张力，V是竖直方向分力；

导、地线无覆冰时，此时绝缘子串挂点处水平张力H₀和竖直方向分力V₀满足挂点力矩平衡方程式：

式中，l为档距长度，h为两杆塔高差，g₀导线比载，G绝缘子串重，λ绝缘子串长度，σ₀是无覆冰条件下水平应力，N为导线分裂数，A为导线计算截面积；

其中，水平张力H₀是与导线水平应力σ₀的关系如下：

H₀＝σ₀NA (3)

将式(3)代入式(1)和(2)中，得到非线性方程组：

求解上述方程组(4)，即可推知无覆冰情况下挂点处水平张力H₀和竖直方向分力V₀，无覆冰情况下该侧拉力与水平面所呈夹角θ₀即为：

覆冰条件下导、地线的状态方程式：

式中，g₁为覆冰情况下导线比载，E为导线弹性系数，α为导线热膨胀系数，σ₁是有覆冰条件下水平应力，t₁和t₀分别为覆冰时气温和无覆冰时气温；

覆冰条件下绝缘子串挂点处水平张力H和竖直方向分力V同样满足挂点力矩平衡方程式(2)和受力平衡关系式方程组(4)，因此覆冰条件下σ₁、V和覆冰情况下导线比载g₁满足如下非线性方程组：

求解式(7)，即可求出覆冰条件下σ₁、V和覆冰情况下导线比载g₁，即可推知覆冰情况下绝缘子串挂点处水平张力H和竖直方向分力V，覆冰情况下该侧拉力与水平面所呈夹角θ即为：

并根据式(9)来计算出对应的导线覆冰厚度b₀；

式中，d为导线直径。

2.如权利要求1所述的判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，其特征在于，所述制定杆塔失稳曲线的过程为：首先制定杆塔构件失稳曲线之后，再制定杆塔结构系统的失稳曲线。

3.如权利要求2所述的判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，其特征在于，所述制定杆塔构件失稳曲线的过程为：对受压构件做强度分析和稳定分析，若其强度破坏或失稳，则认定该构件失稳。

4.如权利要求1所述的判断输电线路耐张塔覆冰失稳的方法，其特征在于，所述杆塔有限元力学分析精细数值仿真模型采用ANSYS软件来建立，并应用ANSYS软件中的BEAM188梁单来模拟输电线路杆塔的角钢。

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