大跨越输电塔在线路断线作用下的动力响应

图 3 导线 、地线有限元模型
表 2 导 、地线有限元模型单元信息
阶段
初始找形 , ANSYS 环 境
断线分析 , L S2D YNA 环境
电线 绝缘串 等效弹簧单元 刚度 / ( kN /m ) 电线 绝缘串 等效弹簧单元 刚度 / ( kN /m )
地线模型 导线模型
L ink10
L ink10
1 基本理论及分析步骤
1. 1 体系的动力响应
架空输电线属于大位移小应变 ,具有几何非
线性 ,其刚度矩阵与所处的空间状态有关 。根据
虚功原理 ,考虑大位移和初应力 ,某一时刻导线的
单元切线刚度矩阵为 :
[ Kτ( e) ] = [ K0( e) ] + [ KL( e) ] + [ Kσ( e) ]
第 1期
梁政平等 : 大跨越输电塔在线路断线作用下的动力响应
· 4 3·
代计算 [14 ] ,确定各节点在自重和初应力作用下达
到力平衡的节点位移向量 { d} ,即有 :
[ Kτ ( { d} ) ] {Δd} = [W ] - { R }
(2)
式中 : {Δd}为每次迭代节点位移增量 ; {W }为自
第200296年卷第3月1期
华 中 科 技 大 学 学 报 (城市科学版 ) J. of HUST. (U rban Science Edition)
Vol. 26 No. 1 M ar. 2009
大跨越输电塔在线路断线作用下的动力响应
梁政平 a, b , 李 黎 a, b , 王 乘 c , 夏正春 a, b
本文单元划分长度为 2 m。导线 、地线有限元模 型单元信息见表 2。 3. 3 直线塔模型
在 ANSYS里 ,利用两节点 B eam4 单元模拟 圆钢杆件 ,建立直线塔模型 ,用 Combin14 单元模 拟导线 、地线对塔纵向拉曳作用的等效弹簧 ,塔的 阻尼系数取 0. 03,约束塔底位移 UX、U Y、U Z (图 4) 。地线和导线对直线塔纵向作用的等效弹簧 刚度分别为 17. 0 kN /m 和 17. 5 kN /m。
重产生的等效节点荷载向量 ; { R }为节点不平衡
力向量 。
断线时 ,由于突然释放了电线的张应力 ,带动
断线点电线振动 , 并沿电线迅速向远处传播 。断
线后 ,电线以断线时释放的能量为初始激励 ,在自
重作用下作非线性自由振动 。由于阻尼作用振动
逐渐衰减 ,即有 :
[M
] { d¨( t) }
·
+ [ C ] { d ( t) }
图 5 工况 3在 69. 75 s时的线路形状
各工况下 1 #塔处线路悬垂点的支座反力 Rx 时程曲线见图 6～图 8, 为了便于对比 , 图中给出 了导线 、地线的初张力 Ti。定义断线荷载对塔纵
对输电线路断线振荡的研究可以追溯到上世 纪七八十年代 , Flem ing等用静力平衡法分析了线 路断线 不 平 衡 张 力 , 并 编 写 了 相 应 的 计 算 程 序 [ 1 ] ; Peyrot等结合实测研究了输电线路断线动 态张 力 前 两 个 峰 值 的 估 算 公 式 [ 2 ] ; Siddiqui[ 3 ] , Mozer[ 4 ] , Thom as [ 5 ]等研究了断线静态张力和动 态张力 ; M cC lure[ 6 ] , Kempner[ 7 ]等研究了支撑结构 对断线的动力响应 。我国学者对输电塔线的研究 主要集中在风振和地震的振动控制 [ 8, 9 ]及线路覆 冰舞动 [ 10 ]等方面 , 对断线的动力问题研究得较 少 。文献 [ 11 ]采用拟静力法计算了静态断线张 力 ,然而拟静力法无法考虑断线引起输电线路的 动力效应 。
+ [ Kτ ( { d ( t) } )
]
{ d ( t) } = {W }
(3)
式中 , [M ]为质量矩阵 ; [ C ]为阻尼矩阵 ; { d ( t) }
为时刻结构的位移响应 。
将导地线绝缘串悬垂点的动力响应作为外荷
载 { F}施加在直线塔模型上 , 塔的动力微分方程
如下 :
[M T ] { u¨} + [ CT ] { u} + [ KT ] { u} = { F} ( 4) 式中 : [M T ]、[ KT ]分别为塔的质量 、刚 度矩 阵 ; [ CT ]为塔的阻尼矩阵 ,采用瑞利阻尼 。 1. 2 分析步骤
特高压输电工程是我国“十一五 ”重大项目 之一 ,大跨越输电线路是其重要的组成部分 。而 输电塔是大跨越输电线路的支撑体 ,它的可靠性 关系到整条线路能否安全运营 。线路断线产生的 纵向不平衡荷载是大跨越输电塔的重要设计荷 载 。线路断线主要有以下几种原因 :强风 、雷电 、 覆冰 、闪电熔断 、金具磨损 ,以及射击 、恐怖袭击等 人为破坏 。虽然断线事故是小概率事件 ,但一旦 发生 ,不仅会损坏电气设备 ,还会引起整个输电系 统振荡 ,甚至导致输电塔多米诺骨牌式地倒塌 ,使 整条线路瘫痪 ,产生火灾等次生灾害 。 1975年美 国的 W isconsin和 Indiana就发生了因线路断线导 致多个输电塔倒塌 ,使整条输电系统瘫痪的事故 。
729. 56 3188. 3 97158 15. 98 ×10 - 6
665 212. 97
130
238. 76 1595. 5 147200 13. 00 ×10 - 6
1254 388. 74
205
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直线塔模型 : (1) 塔为线弹性变形 ,材料符合 虎克定律 ; (2) 采用两节点 Beam 单元模拟钢管 , 塔底处理成固结 ; (3) 用等效弹簧代替导 、地线对 塔的纵线向作用 。 3. 2 导线 、地线模型
在 ANSYS /LS2DYNA 里 ,利用两节点 L ink单 元模拟导线 、地线和绝缘串 , Combin 单元模拟直 线塔对导线 、地线作用的等效弹簧 ,用降温法施加 电线的初始应力 ,通过将弹性模量置零 (一般设 为 10 - 10 N /m2 )来模拟线路的突然断线 ,线路阻尼 系数取 0. 02。约束输电线两端线位移 UX、U Y、 U Z 和绝缘串悬垂点线位移 U Y、U Z ,绝缘串悬垂 点 UX方向与等效弹簧相连 (图 3) 。根据文献 [ 15 ] ,
-
L ink8
Combin14 Combin14 1344. 5 2800. 5 /1461. 43
L ink160 L ink160
-
L ink160
Combi165 Combi165 1344. 5 2800. 5 /1461. 43
注 : 3 表示塔对中间导线和边导线等效弹簧的刚度分别为 2800. 5 kN /m 和 1461. 4 kN /m。
3 有限元模型
3. 1 基本假设 本文采用塔 、线分离模型 ,将塔对线的作用和
线对塔的作用看成弹性约束 ,用等效弹簧代替。 等效弹簧刚度通过使塔或线的模型在塔线连接点 处发生单位位移需要的荷载计算得到 。塔 、线分 离模型作以下假设 。
导地线模型 : (1) 大位移小应变 ,材料符合虎 克定律 ; ( 2 ) 采用两节点 Truss单元模拟导 、地 线 ; (3) 用截面相等的一根导线代替六分裂导线 , 忽略间隔棒的作用 ; ( 4) 用等效弹簧考虑直线塔 对导 、地线模型的纵向作用 ; (5) 连接在耐张塔上 的线端简化成固结 ; ( 6) 断线点发生在第 1 档靠 绝缘串处 ,见图 2 ( b) ; ( 7) 线路在同一竖向平面 内 ,断线后只在竖向平面内振动 。
(华中科技大学 a. 土木工程与力学学院 ; b. 控制结构湖北省重点实验室 ; c. 水电与数字化工程学院 , 湖北 武汉 430074)
摘 要 :基于有限元程序 ANSYS /LS2DYNA ,分别建立以等效弹簧代替塔对线路作用的导线 、地线模型和以等效 弹簧代替线路对输电塔作用的直线塔模型 。利用显式积分法对导线和地线的断线进行动力有限元仿真分析 , 并将悬垂点的纵线向支座动反力施加在直线塔上 ,分析导线 、地线断线对直线塔的动力作用 。该方法既考虑了 塔和线的耦联作用 ,又避免了建立复杂的塔 - 线体系模型 。研究表明 ,地线断线对输电塔的冲击作用较小 ,导 线断线对输电塔的冲击作用较大 。 关键词 :大跨越 ; 输电塔 ; 断线 ; 有限元 ; ANSYS/LS2DYNA 中图分类号 : TU311. 3 文献标识码 : A 文章编号 : 167227037 (2009) 0120042205
线向动反力反向施加在直线塔模型上 ,对直线塔
进行断线响应分析 ,具体步骤见图 1。
706 m 21650 m 2600 m (图 2) 。两直线塔采用圆钢 截面 Y型格构塔 ,塔高 181. 8 m。有两相地线和 三相导线 ,地线型号为 JLB20B 2240,导线采用六 分裂导线 ,型号为 6 ×AACSR / EST2500 /230。导 线 、地线的力学特性参数见表 1。
本文以晋东南 - 南阳 - 荆门 1000 kV 汉江大
跨越输 电 工 程 为 背 景 , 借 助 有 限 元 ANSYS /LS2 DYNA 程序 ,采用电线和支撑塔分开建模的方法 , 建立以等效弹簧代替塔对线路作用的导 、地线模 型和以等效弹簧代替线路对输电塔作用的直线塔 模型 。利用显式积分法对导线 、地线的断线进行 动力有限元仿真分析 ,并将导线 、地线断线作用下 悬垂点的支座纵线向反力反向施加在直线塔上 , 研究直线塔在导线 、地线断线作用下的动力响应 。
由于输电线路的断线具有强非线性 ,用一般
的有限元程序难以收敛 。通用有限元软件 AN2
SYS具有较好的建模和初始找形分析能力 , LS2
DYNA 软件采用显式积分技术 ,具有较强的非线