ansys导线断线振动效应仿真分析

导线断线振动效应仿真分析欧阳克俭1刘纯1陈红冬1李红利21. 湖南省电力公司科学研究院，4100072. .湖南大学风工程研究中心，410002[ 摘要 ] 塔线体系断线冲击造成特高压输电线路纵向巨大不平衡荷载，为了研究断线冲击荷载效应，首先通过初始找形建立塔线体系的等效导线模型，然后分析了导线断线的力学特点，提出了导线断线的动力模拟方法。

在此基础上通过ANSYS软件对塔线体系断线冲击的导线振动进行了瞬态动力数值仿真，从时、频域分析了导线振动的动力特性，分析结果表明：导线断线冲击效应显著，且冲击能量主要集中于高阶竖向振动。

[ 关键词 ] 塔线体系；初始找形；冲击效应；导线振动； ANSYS软件Application of ANSYS in Stress Calculation ofSteam-water PipeOuyang Kejian Liu Chun Chen Hongdong Li Hongli[1. Hunan Electric Power Corporation Research Institute2. Wind engineering research center of Hunan University][ Abstract ] Tower-line system break shocks UHV transmission lines vertical huge imbalance load, impact load in order to study effects of disconnection, the first tower through theestablishment of the initial form-finding equivalent wire line system model, and then analyzethe mechanical characteristics of the wire break, proposed a dynamic simulation of wirebreak. Based on this line by ANSYS software system broken shock tower wire vibrationtransient dynamic numerical simulation, from the time and frequency domain analysis of thedynamic characteristics of the wire vibration analysis showed that: wire break a significantknock-on effects, and focused on high impact energy vertical vibration.[ Keyword ] tower-line system; shape finding; shock effect; conductor vibration; ANSYS Software1.前言随着工业经济的迅猛发展，社会对电力能源的需求显著增加，各发达国家相继建成或正在规划和建设500KV超高压、800～1000KV特高压输电线线路。

作为电力系统的生命线工程，特高压输电线的建成一方面为电力能源的有效供给提供了有力保证，但另一方面，它对塔线结构体系的可靠性提出了更高要求。

其中线路断线冲击给塔线结构体系造成了巨大的纵向瞬时不平衡荷载[1,错误！未定义书签。

]，如果塔线结构纵向刚度不足，线路断线冲击将直接导致塔线结构体系失效甚至造成连环倒塔事故[2]。

Lummis及Pohlman[3]描述了多塔（大多数为格构式钢塔）倒塌事故，并对倒塌原因及影响范围进行了阐述。

我国2008年春季重大冰雪灾害造成了南方地区众多的输电线路倒塌，其中很多线路造成连环倒塔事故，据湖南电网事故调查报告，导线的不平衡履冰、不均匀融冰及结冰导线断线等冲击效应是引起输电塔倒塌的主要因素[4]。

上世纪70年代，国外学者已经开始了输电线路的断线冲击响应研究，其主要研究方法集中于有限元仿真、野外实测、室内模型试验等方面，研究对象主要是由单根导线组成的多相塔线体系[错误！未定义书签。

,5,6]，虽然其研究结果局限于单导线体系，但却为输电线路的多分裂导线断线冲击效应研究奠定了理论基础、提供了有效的研究方法。

我国电力行业在这方面的研究相对滞后，目前基本上处于进阶过程，规范中针对断线冲击对塔线结构体系的影响主要通过一个冲击系数考虑，虽然冲击系数简单、便于工程设计计算，但其取值范围较大（通常在1～1.75间），实际工程中取值要么使结构体系趋于保守、增加不必要的建设费用，要么使结构体系偏于危险、增加风险成本。

另外冲击系数也无法考虑塔线体系中断线冲击对塔的压弯效应。

本文以某800KV特高压直流输电工程中的一段直线线路为工程背景，借助ANSYS有限元软件，建立了塔线体系中导线的简化有限元模型，对断线冲击进行了有效模拟，最后进行了相关动力响应分析、得出一些有益的结论。

需要说明的是，本文仅讨论断线后的冲击效应进行了动力分析，而未涉及导线的断线原因及断线过程。

2.导线模型简介2.1物理模型塔线体系中导线的物理模型如图1所示，该直线线路由四档组成，档距均为550m，每档线路的各相导线线端悬挂点均在同一水平高度，其中1#、5#塔为耐张塔，2～4#塔为悬垂型柔性塔，其绝缘子串结构高度为6m，每相导线均为6分裂导线，每裂导线的物理参数相同，如表1所示。

图1 塔线体系导线模型表1 分裂导线物理参数表截面面积（mm 2）密度（kg/m ）弹性模量（MPa ）水平张拉力（kN ）666.55 2.06 6300 35.3142.2有限元模型在导线的有限元模型中，导线、悬垂型绝缘子串均采用受拉杆单元Link10模拟，每裂导线分为220个单元，悬垂型绝缘子串全高范围内采用一个单元模拟；在断线档相邻柔性塔的悬垂型绝缘子串上挂点处施以横向、水平向的弹性铰约束，竖向则施以刚性铰约束，在两侧耐张塔绝缘子串内挂点及其它各处悬垂型绝缘子串上挂点处均施以固定铰支约束，如图1所示。

2.3 导线模型的初始找形作为柔索结构，导线的初始构形对导线总体刚度的影响很大，因此导线初始找形是后续分析的基础。

在有限元表达式中，导线的静力平衡方程可表示为：}{})]{,([P d d X K = （1）式中：X 表示导线初始空间构形，d 表示导线处于初始空间构形X 时在荷载作用下的位移，K 表示导线刚度矩阵，P 表示等效节点荷载向量。

令d X X +=′，则X ′表示现时构形。

从方程（1）可以看出，在特定荷载P 作用下，对于一个特定的初始构形X ，存在一个确定的现时构形X ′及单元内力F 与之对应；反之，对于一个确定现时构形X ′或单元内力F ，必然存在一个初始构形X 与之对应。

据此可知：导线的现时构形X ′及单元内力F 均可以作为其初始找形的控制目标。

对于一个特定的控制目标，通过迭代计算机可准确找出对应的初始构形X 。

综合以上分析过程，导线找形的基本方法为非线性迭代分析法，并且依据迭代过程中控制目标的不同可以分为下三种：①导线初张力（即单元内力F ）控制②导线垂度（即现时构形X ′）控制③导线无应力长度（即初始构形X ）。

本文采用初张力控制法，先建立导线的直线模型（即给定一个参考初始构形X ），然后在自重作用下采用非线性有限元进行迭代计算，根据计算结果适时调整线形，直至导线内的初张力达到设计标准，此时对应的线形即为导线在重力荷载下的初始线形。

3. 导线断线的力学模拟 3.1基本假定根据文献[错误！未定义书签。

]可知，在图1的物理模型中，导线最不利断裂位置紧靠于2#悬垂型柔性塔左侧，此时对应的冲击效应最大。

依据分裂导线间连接形式的不同，断裂导线的振动形式将介于两种极限振动形式之间：①依附于断裂档其它残余分裂导线之上并随之振动；②一端悬挂于左侧耐张塔之上，而另一端在反弹下落瞬时作悬挂自由摆动；其中第二种振动形式对塔线体系中的导线振动的影响可忽略不计。

对于断裂导线的力学模拟，下文将按照两种极限状况进行分析。

由以上分析内容可形成下列基本假定，并由此建立断裂导线的简化模拟方法。

1）分裂导线的断裂位置邻近于 1#塔左侧处；2）断裂导线对塔线系统不贡献任何刚度；断线档内2#柔性塔对导线的作用为弹性约束，其它各塔均为刚性约束；3）鉴于断线冲击效应的峰值通常出现在断线后的极短时间内（如20s ）,因此塔线系统阻尼对冲击效应峰值的影响较小，故在断线后的瞬时可忽略塔线系统阻尼对导线振动的影响；4）导线振动过程中的应力应变仍满足线弹性规律。

3.2 断线导线的力学模拟断线后，导线体系的原有静平衡状态即被打破，在断线冲击荷载的作用下导线系统进入非线性自由振动阶段，其中断裂导线的振动形式将随着分裂导线间连接形式的变化而变化（见2.1节所述），对于第一种振动形式，断裂导线将依附于残余导线参与系统振动，因此在力学模拟中必须计入断线导线质量对系统动力特性的影响；对于第二种振动形式，由于断裂导线脱离残余导线体系而发生振动，因此它仅对耐张塔产生动力效应，故在导线体系中可不计及其动力作用。

3.3导线振动初始条件残余导线体系发生振动的初始条件决定了导线振幅的大小及其初始相位，因此初始条件的确定对于断线冲击效应的研究颇为重要。

初始条件取决于断线前后导线体系的两种静平衡态之间的差异，如图2所示。

若将断线前的的平衡位置记为1,2,3)(=i S i ，断线后的静平衡位置记为iS ′，则两者的差值i i i S S S −′=0即为残余导线体系发生振动的初始位移条件。

通常而言，导线断线具有突发性，因此可以近似认为残余导线体系的初始速度、加速度均为零。

图2 断线前、后静平衡状态示意图3. 4. 导线断线的数值模分析本文对单相导线按两种不同断线情况分别作了数值仿真分析，即六分裂导线中断四分裂及断五分裂两种情况（以下分别记为“模型1”、“模型2”），每种情况下按照是否计入断线质量（是否计入断线质量分别在对应的模型后冠以“-1”、“-2”）分别模拟了断裂导线的不同两种振动形式对残余导线体系的影响。

4.1 断线前、后静力分析在导线初始构形（包括断线后的找形）的基础上，分别对断线前后的导线模型（其中“模型0”表示断线前的模型）进行自重作用下的非线性静力分析，表2列出了部分计算结果，从表中可以看出，不同的断线情况以及相同断线情况下是否计入断线自重均对残余导线体系的静平衡状态影响较大，也就是说残余导线体系发生振动的初始条件差异较大。