张志强，安利强，庞松岭，张荣伦

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003； 2.海南电力技术研究院，海南海口570125)



基于塔线体系模型的沿海输电铁塔抗风性能研究

张志强1，安利强1，庞松岭2，张荣伦2

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003； 2.海南电力技术研究院，海南海口570125)

提高输电线路的抗风能力一直是沿海地区电网建设的重要任务。为研究沿海地区输电铁塔的抗风性能，采用极值III型威布尔分布，结合海南省海口市气象站监测的年最大风速序列，推算出了当地50年重现期内的极值风速，并利用石沅台风风谱进行了风速脉动风的模拟；然后根据当地一基铁塔在ANSYS中建立了一塔两线模型，进行风致动力学分析。分析表明：在脉动风作用下，主材最大轴力达到97.1 kN，已经超过了塔材轴向压力设计值71.9 kN，当考虑风载荷的脉动放大效应时，动态分析和静态分析的轴力极值之比超过了2倍。塔材受压失稳是铁塔发生结构破坏的主要因素，需要充分考虑脉动风的放大效应，按照静风等效作用进行沿海地区输电线路的设计很有可能导致构件受压失稳，严重时，甚至会发生倒塔事故。

抗风性能；塔线体系；风载荷

0 引言

高压架空输电线路长期在野外运行，恶劣的环境因素对输电线路有很大影响，且架空输电线路属于高柔性结构，对风具有很高的敏感性[1]，极端条件下的风载荷会使输电杆塔发生倾覆危险，进而导致电力系统崩溃，造成严重的经济损失[2]，据统计，2014年超强台风“威马逊”造成海南电网35 kV及以上输电线路跳闸共117条、倒塔27基，给海南电网带了严重的损失。

提高输电线路的抗风能力一直是沿海地区电网建设的重要任务，由于沿海地区输电线路电压等级相对较低，采用的塔材强度也因而较低，加之沿海地区气候环境恶劣，因此才会出现倒塔事故频发。当前对于沿海地区输电线路的抗风加固及事故分析，多是从台风或者恶劣气候发生后，对电网事故的统计分析而提出的防风抗风加固方案[3-6]；通过对事故的分析固然可以在一定程度上提高线路抗风设计水平，但是难以从根本上揭示事故原因，根本还是因为沿海地区输电线路其外部环境载荷主要是风载荷的强度大，远远超过了结构的承载能力，因此需要根据地形地貌和重灾区进行风速的统计分析，掌握当地的风速规律，才能有针对性的提高结构抗风设计水平，厉天威等人以大容量且维护困难的输电线路为研究对象，对沿海设计风速及其地域分布特点进行了计算分析[7]；邓洪洲等人结合福建省风速资料，采用不同的极值分布模型对当地的风速进行了统计分析[8]；此外通过建立电网的风灾预警故障和风险评估系统也可以提高沿海地区电网运行的安全稳定性；文献[9]收集整理了近年来登陆沿海地区热带气旋资料，对台风重灾区提出了电网运行的安排调度和事故处理的解决措施；文献[10]考虑台风对沿海输电线路可靠性的影响，提出了一种台风作用下电网暂态稳定风险评估方法，建立了预想故障集。

以上研究对沿海输电线路的防风抗风设计具有很大的指导意义，但是从理论数值上分析沿海地区输电线路抗风能力的研究较少，本文根据海南省海口市1983～2013的极值风速序列，采用极值III型威布尔分布推算了其50年内重现期的风速，并通过石沅台风风谱模拟了脉动风速，根据当地110 kV铁塔在ANSYS中建立的一塔两线模型，从构件受力角度，分析在风载荷作用下，主材下半段的轴力分布规律，并从结构受压稳定角度，进行了受压构件的强度校验，研究在台风作用下输电线路的抗风性能。

1 极值风速推算

根据当地气象站提供的风速记录数据，表1中给出了其1983～2013期间的最大风速序列，数据的地形气象条件为近地10 m高度，10 min时距平均风。

表1 1984～2013年间海口最大风速序列 (m/s)

通过推算风速的重现期，可以得出不同重现期年内的风速，从而能够确定当地输电线路的风速设计值，本文根据极值III型威布尔分布，对当地的极值风速进行推算。

三参数Weibull分布累积分布概率模型为：

(1)

式中：α为尺度参数；γ为位置参数；β为形状参数。

假设最大风速X超过XT平均每T年发生一次，则称T为风速XT的重现期(MRP)。

X小于XT的概率为：

(2)

则XT的超越概率为：

(3)

重现期T即为超越概率的倒数

(4)

采用极大似然估计方法，引入海口最大风速序列，对Weibull分布参数进行迭代求解，求解得到Weibull分布的三个参数分别为：

通过模拟得到海口极值风速50年内重现期曲线如图1所示。

图1 海口极值风速重现期曲线

2 脉动风速模拟

通过推算不同重现期内的极值风速，确定的设计风速只是当地的平均风速，在进行输电线路设计时，不能仅按照平均风速进行取值，因为沿海地区常有台风等强风侵袭，需要考虑当地风况的高强度高变异和高湍流特性，因此进行脉动风模拟，考虑脉动风的放大作用，使得设计更加合理。

采用石沅台风风谱进行脉动风模拟，石沅台风风谱经过多数研究人员的验证[11]，具有很高的适应性，石沅等学者用计算机拟合给出的不随高度变化的台风水平风速谱经验公式为：

(5)

根据设计规范，对于110 kV线路，按照15年重现期的风速作为设计风速，因此，脉动风模拟时，取15年重现期风速作为基准风速，v10=25.5 m/s，粗糙度长度取k=0.1 m，风剖面指数按A类地貌取值α=0.12，时间间隔为0.25 s，在MATLAB软件中模拟石沅台风风谱，图2为模拟的一塔两线模型中某一点的脉动风速时程曲线和对应的功率谱曲线。

图2 脉动风速时程曲线和功率谱曲线

3 算例分析

为了对沿海输电线路抗风设计水平进行了计算分析，在ANSYS中以当地塔模型为对象，建立了一塔两线模型，该塔电压等级为110 kV，单回路猫头塔，档距250 m，最大弧垂3.73 m，材料选用Q235钢材，采用Beam188单元模拟塔的主材和横隔材构件，Link8单元模拟铁塔的斜材构件和悬垂绝缘子串。由于导线长度较大，属典型的柔索结构，用Link10单元模拟导线。表2中给出了导地线参数，输电塔线体系有限元模型如下图3所示。

表2 导、地线型号及参数表

图3 输电塔线体系有限元模型

根据设计规范[12]，对塔线体系模型进行风载荷计算，并将风载荷施加在导、地线及塔身迎风面和背风面对应的节点上，在ANSYS中，采用完全法进行动力学求解分析。同时，为了验证风的脉动放大作用，采用推算的15年重现期风速，进行了静风等效作用求解，对比两种计算模式下塔线体系模型的风载荷效应。图4标记了后期分析时，塔身相应的单元，分别选取的为迎风面和背风面第一节间上下两个单元和第二节间上面的单元。

图4 铁塔关键单元位置

3.1 主材轴力时程分析

为研究受力构件在风载荷作用下的风载荷效应，提取图4标记的单元对应的轴力，分别绘制迎风面和背风面的主材轴力时程曲线如图5、6所示。

图5 迎风侧轴力时程曲线

图6 背风侧轴力时程曲线

图中所示的轴力曲线，其在时间上的分布规律一致，即峰谷均出现在同一时刻，因为模拟出的风载荷，在每个时间节点上均是同时作用在塔线体系模型节点上的。在高度方向上，可见轴力与高度呈正相关关系，因为高度越低，主材所受重力引起的压力越大。从两幅图对比来看，迎风面主材值为正，处于受拉状态，背风侧主材值为负，处于受压状态；这是因为在90°风用下，风载荷引起的力矩大于重力载荷；背风面主材轴力在同一高度处明显大于迎风面主材，因为在背风面，重力的附加力矩和风载荷力矩方向一致，因而使之轴向压力更大。

3.2 主材受压构件的强度分析

从轴力的时程分析曲线可以看出，所选取的背风侧主材单元均为受压构件，为了研究主材受压构件的受压稳定性，按照输电铁塔受压构件稳定计算公式[12]进行其强度校验，计算受压构件的临界载荷。分析过程中，选取背风侧主材单元2、6、22这三个单元，因为这三个单元的轴向压力值较大，且为与静风等效作用下的主材构件临界载荷进行对比，突出动力学分析的脉动放大作用，计算时，取各单元的轴力极值作为比较值。

计算时，单独将受压构件作为分析对象进行受压稳定分析，而未从整塔的角度分析，因为计算结果表明，每个构件的受力差异很大，尤其是迎风侧和背风侧的主材构件，在同一高度截面上，轴力相差很大。根据铁塔构件计算长度和长细比计算规则，求解三个单元对应构件的长细比λ，根据构件截面分类、长细比和材料属性查阅构件的受压稳定系数φ，并列于表3中。

表3 构件参数表

按照文献[12]，输电铁塔受压构件的稳定计算采用下式：

(6)

式中：N为轴向受压构件设计值，N；A为构件截面毛截面积，mm2;φ为轴向受压构件稳定系数；f为钢材抗压强度设计值，MPa；mN为压杆稳定强度折减系数。

表4 构件轴向压力极值和设计值

注：动静响应极值比指的是脉动风动态响应时轴力极值与静风等效作用时轴力值之比。

表4中可以看出，当按照设计规范，取15年重现期风速进行静风等效作用计算时，得到的主材背风侧三个单元轴力明显小于轴向受压设计值，然而考虑脉动风放大作用后，在脉动风作用下，轴力极值已经超过了设计值，脉动放大比超过了2倍，因此从结构受压稳定性角度考虑，脉动风时的风载荷作用下，算例中的输电铁塔将有可能发生受压失稳，进而导致受压构件的破坏，这也说明了在强风(台风)作用下，输电铁塔会出现倒塔事故的原因。

4 结论

(1)根据最大风速序列，采用极值Ⅲ型威布尔分布推算出海口区50年内的极值风速，并采用石沅台风风谱，模拟了其脉动风速。

(2)主材轴力与高度呈正相关关系，由于重力的附加力矩和风载荷力矩方向一致，背风面主材轴力在同一高度处明显大于迎风面主材。

(3)在强风(台风)作用下，塔身下半段背风侧主材轴向压力已经超过了构件设计值，塔材受压失稳是铁塔发生结构破坏的主要因素，需要充分考虑脉动风的放大效应。

[1]李春祥，李锦华，于志强.输电塔线体系抗风设计理论与发展[J].振动与冲击，2009，28(10):15-25.

[2]王剑，王璋奇，冯砚厅.在役高压输电铁塔结构振动实测与分析[J].华北电力大学学报(自然科学版)，2016，43(2):62-65.

[3]张飞华，黄卫菊，武利会，等.强风作用下输电塔风致倒塔机理和抗风加固方法探讨[J].广西电力，2011，34(6):78-81.

[4]吴明祥，包建强，叶尹，等.超强台风“桑美”引起温州电网输电线路事故的分析[J].电力建设，2007，28(9):39-41.

[5]陈永秋，农少安，杨玺，等.沿海地区低压架空线路防风加固技术措施探讨[J].电网与清洁能源，2014(5):61-65.

[6]厉天威，江巳彦，赵建华，等.南方电网沿海地区输电线路风灾事故分析[J].高压电器，2016(6):23-28.

[7]厉天威，赵建华，蔡彦枫，等.南方电网沿海地区输电线路设计风速分析[J].南方电网技术，2015，9(6):49-53.

[8]邓洪洲，张永飞，李广福，等.福建沿海输电线路设计风速取值探讨[J].防灾减灾工程学报，2009，29(4):411-416.

[9]张勇，赵勇，王景亮，等.台风对电网运行影响及应对措施[J].南方电网技术，2012，6(1):42-45.

[10]宋晓喆，汪震，甘德强，等.台风天气条件下的电网暂态稳定风险评估[J].电力系统保护与控制，2012，40(24):1-8.

[11]徐旭，刘玉.基于台风风谱的电视塔风场数值模拟[J].特种结构，2008，36(2)：39-43.

[12]张殿生.电力工程高电压送电线路设计手册：第二版[M].北京:中国电力出版社，2002:325-327.

The Study of Wind Resistance Performance in Coastal Region Tower Based on Transmission Line System Model

ZHANG Zhiqiang1, AN Liqiang1, PANG Songling2, ZHANG Ronglun2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003，China; 2.Hainan Electric Power Research Institute，Haikou 570125，China)

It is always an important task to enhance the wind resistance performance of transmission lines for the power grid construction in coastal areas.In order to study the wind resistance performance of transmission lines in coastal areas, we calculated the extreme wind speed of the return period in 50 years in local areas by using the extreme III Weibull distribution and the maximum wind speed sequences acquired by the weather station in Hainan.And the fluctuating wind speed was simulated by Shiyuan typhoon spectrum.We built a one-tower and two-span-conductor transmission line model in ANSYS according to the local tower to process the wind-induced dynamics analysis.The analysis indicates that the maximum axial compressive force of principal members can reach up to 97.1kN under fluctuating wind, which has exceeded the design value 71.9kN.Taking the pulse amplification effect of wind load into consideration, the maximum dynamic axial compressive force exceeds twice that of the static one.The buckling is the main factor for structural failure in tower, so we need to consider the pulse amplification effect of wind load in a comprehensive way.It may lead to buckling when we design transmission line simply based on static analysis.What’s more, it can even cause tower collapse.

wind resistance performance; transmission tower-line system; wind load

2016-07-27。

河北省自然科学基金(E2016502102)；中国南方电网有限责任公司科技项目(073000KK52160007)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2014ZD33)。

张志强(1993-)，男，硕士研究生，研究方向为台风风场、输电线路塔线体系动力学，E-mail:m13331253173@163.com。

TM726.3

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.013