高压输电塔结构的疲劳寿命分析_张卓群
关于输变电工程使用寿命关键技术的研究调查(图)
关于输变电工程使用寿命关键技术的研究调查（图）近日有媒体就输变电工程使用寿命发表调查报告。
调查：对于电吹风、电磁炉、空调等常用电器的使用寿命，人们大多有所了解。
而输变电工程里的那些“大家伙”，如变电器、铁塔，它们的使用寿命有多长呢？制约电网设备寿命的因素有哪些？是否电压等级越高，电网设备越耐用呢？随着国家电网公司关于输变电工程使用寿命关键技术研究项目取得实质性成果，媒体进行了深入采访。
■我国输变电工程主要一次设备使用寿命可达40年以上，主要二次设备使用寿命可达20年以上■评估输变电工程寿命极为复杂，需要综合考虑设备的物理寿命、技术寿命和经济寿命■高温、低温、潮湿、腐蚀、多沙、多盐雾、多电磁干扰等运行环境，对输变电工程设备寿命影响较大输变电工程使用寿命是指在正常设计、正常施工、正常使用和维护下能达到的年限，这是输变电工程可靠性的主要体现，也是工程质量水平、经济性和可用性的重要指标。
近年来，随着经济社会快速发展，电网规模不断扩大，电网设备数量不断增加。
目前由于设备设计缺陷、制造成本制约、运维手段落后等因素的影响，电网设备存在着使用寿命短和相关联设备使用寿命匹配性不高等问题，制约了输变电工程质量和电网经营效益的提高。
2012年2月22日，国家电网公司在北京组织召开的输变电工程使用寿命关键技术研究项目启动会上提出，到“十二五”末，110千伏及以上工程要全部达到优质工程，主要输变电建(构)筑物使用寿命达到60年以上，主要一次设备使用寿命达到40年以上，主要二次设备使用寿命达到20年以上。
深入研究制约电网设备使用寿命的关键因素，取得重要部件设计、生产等关键技术突破，全面提升设备的使用寿命，是实现这一目标的重要保证。
变压器类设备有物理寿命、技术寿命和经济寿命三种寿命一项输变电工程是个极为庞大的家庭，“成员”众多，包括电气一次设备(线圈类设备、开关类设备)、电气二次设备、变电工程建(构)筑物(主控楼、变电构架、基础)以及输电线路工程部件(铁塔、导地线、金具、绝缘子)等工程设备、工程材料。
特高压线路用拉线—金具系统的疲劳寿命分析
特高压线路用拉线—金具系统的疲劳寿命分析随着我国西部大开发的发展,西部地区的电力能源通过特高压输电线路传输到东部和中部经济发达地区。
拉线塔以其明显的经济优势在我国西部特高压输电线路建设中应用越来越多。
拉线塔主要由拉线和主柱构成,拉线起着固定拉线塔主柱的作用。
拉线-金具系统是拉线塔重要的连接装置,若压接质量差,容易发生强度破坏,导致拉线塔倒塌,造成巨大的经济损失。
本文通过对拉线-金具系统压接部位进行有限元建模,考虑材料弹塑性以及接触等问题,模拟耐张线夹压接部位的整个压接过程,分析有限元计算的压接管以及拉线的应力分布情况,并对其影响因素进行分析;建立拉线塔模型,模拟脉动风载荷,计算出特高压拉线塔风振响应,得到拉线应力时程曲线;基于拉线-金具系统压接部位的有限元模型得到疲劳破坏区,通过拉线应力时程曲线得到疲劳破坏区的疲劳应力幅曲线,采用雨流计数法得到疲劳破坏区应力幅循环次数,估算拉线-金具系统的疲劳寿命。
研究结果表明:拉线在压接后压接管口位置的产生较大集中应力,容易发生疲劳破坏。
提出拉线-金具系统的疲劳寿命估算方法,为工程提供理论参考。
大型发电机组转子结构疲劳寿命预测
大型发电机组转子结构疲劳寿命预测随着电力行业的快速发展，大型发电机组在能源生产中扮演着重要的角色。
然而，由于工作环境的恶劣和长期的高强度运转，发电机组转子结构容易受到疲劳损伤，从而影响其安全和可靠性。
因此，预测发电机组转子结构的疲劳寿命成为了一个关键的研究方向。
一、疲劳损伤机制及其影响因素大型发电机组转子结构的疲劳损伤可以归结为两个主要的机制：低周疲劳和高周疲劳。
低周疲劳是由于循环加载导致的裂纹扩展和瞬态破裂引起的，主要影响因素包括循环载荷幅值、循环载荷频率和载荷历程形状等。
高周疲劳则是由于长时间连续加载引起的结构变形和材料疲劳断裂造成的，主要影响因素包括转速、负载和运行时间等。
二、疲劳寿命预测方法针对大型发电机组转子结构的疲劳寿命预测，常用的方法有时域法和频域法。
时域法通过测量和分析转子结构在实际工作条件下的振动信号，结合疲劳损伤模型和材料特性，预测转子结构的疲劳寿命。
频域法则是通过对转子结构振动信号进行频谱分析，获取其频率成分和幅值，再结合频域疲劳寿命模型，对转子结构的疲劳寿命进行预测。
这两种方法均能够对转子结构的疲劳寿命进行有效的预测，但是时域法更适用于低周疲劳的预测，而频域法则是更适用于高周疲劳的预测。
三、疲劳寿命预测模型在大型发电机组转子结构的疲劳寿命预测中，常用的模型有线性疲劳寿命模型和失效率模型。
线性疲劳寿命模型假设疲劳损伤的扩展速率与载荷幅值成正比，失效率模型则是基于统计学原理，通过统计转子结构的疲劳寿命分布情况，进而预测其寿命。
这两种模型在实际应用中均能够较好地预测转子结构的疲劳寿命，但是线性疲劳寿命模型的局限性在于无法考虑到非线性损伤机制的影响，而失效率模型则是需要大量的历史数据支持。
四、疲劳寿命预测的挑战与未来发展尽管已经取得了一定的研究进展，但是大型发电机组转子结构疲劳寿命预测仍然面临一些挑战。
首先，对于复杂的转子结构体系，模型建立和参数确定相对困难，需要更加准确的力学模型和测试手段。
输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析研究
输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析研究摘要：近年来，输电线路微风振动与导线疲劳寿命问题得到了业内的广泛关注，研究其相关课题有着重要意义。
本文首先对相关内容做了概述，分析了输电线路微风振动测量方法，并结合相关实践经验，分别从多个角度与方面就微风振动监测终端设计问题展开了研究，阐述了个人对此的观点看法，借鉴参考。
关键词：输电线路；微风振动；导线；疲劳寿命1 前言作为一项实际要求较高的实践性工作，输电线路微风振动与导线疲劳寿命分析的特殊性不言而喻。
该项课题的研究，将会更好地提升对输电线路微风振动的分析与掌控力度，从而通过合理化的措施与途径，进一步优化该项工作的最终整体效果。
2 输电线路微风振动产生的危害在输电线路实际运行过程中，为能够避免出现微风振动情况，往往会在线路上设置防振锤，然而，若防振锤安装失当，反而会导致出现相反效果。
由于防振锤过多装设，必然会导致下线路上增加集中荷载，最终所造成结果就是在防振锤的夹头部位会有振动死点出现，引起断股情况出现。
对于输电线路振动而言，其会导致绝缘子老化有所增加，这主要是因为，在线路出现振动的情况下，绝缘子及其所连接金具会共同发生振动，这种振动所导致结果往往就是金具零件出现松动，并且杆塔零件出现损坏，最终导致绝缘子出现老化。
此外，由于杆塔基础稳固性比较差，其拉线受力不够均匀，导致杆塔、线路以及拉线系统形成弹性系统，在输电线路有振动发生时，其振动频率可能会接近杆塔振动自然频率，从而有共振现象形成。
对于横担及吊拉杆而言，在受力情况下出现振动，不但会导致固定螺栓出现松动，并且还会使材料疲劳损伤程度有所增加，尤其是这些材料内容有问题出现时，很可能会导致折断事故出现，产生较大危害。
3 在线监测系统的作用3.1 微风振动对输电线路的影响输电线路导地线是电网的重要组成部分，输电线路的安全运行水平对电网的安全、稳定、可靠运行起到重要作用。
架空输电线路经常发生超过允许幅值的微风振动，往往导致某些线路部件的疲劳损坏，如导地线的疲劳断股，金具、间隔棒及杆塔构件的疲劳损坏或磨损等，其中导线疲劳断股是架空输电线路普遍发生的问题，严重时需要对全线进行更换。
输电线路塔式结构的可靠性分析研究
输电线路塔式结构的可靠性分析研究经济和社会的发展需要大规模的电力输送，而输电线路是电力传输的重要组成部分。
输电线路的可靠性是确保电力供应稳定和连续的关键因素之一，而输电线路塔式结构作为线路的支撑体系，在保证可靠性方面起着重要作用。
本文将对输电线路塔式结构的可靠性进行分析研究，探讨其影响因素和改进措施。
输电线路塔式结构的可靠性是指在一定时间范围内，线路塔结构在正常工作负荷下不发生破坏，并能够正常运行的能力。
影响输电线路塔式结构可靠性的主要因素有塔身材料、设计强度、外部环境因素以及运维管理等。
首先，塔身材料是影响输电线路塔式结构可靠性的重要因素之一。
传统的输电线路塔身多采用钢材，但随着技术的进步和新材料的应用，现代输电线路塔身材料多样化，如混凝土、铝合金等。
材料的选择直接影响到输电线路塔身的抗风荷载能力、耐腐蚀性能和使用寿命等方面。
因此，在设计和施工中需充分考虑材料的特性和寿命，确保塔身能够承受各种外部负荷并保持长期稳定运行。
其次，设计强度是塔式结构可靠性的关键因素之一。
在设计输电线路塔身时，需要充分考虑到外部环境的影响，如风速、地震等，以及承受的负荷情况，如电线张力、垂直荷载等。
合理的设计强度能够有效地保证输电线路塔身在各种负荷情况下不发生破坏，确保线路的可靠运行。
此外，外部环境因素也是影响输电线路塔式结构可靠性的重要因素之一。
风速是影响输电线路塔身的重要外部环境因素，特别是对于高海拔地区和风能丰富地区的输电线路塔身更为重要。
在塔身设计中，需要考虑不同地区的风速标准，并采取相应的措施来增强塔身的抗风能力。
此外，地震、雷击等自然灾害也需要考虑在内，以确保输电线路塔身在恶劣的环境条件下能够保持稳定运行。
最后，运维管理是保证输电线路塔式结构可靠性的重要手段。
定期的巡检、维护和检修能够及时发现和解决线路塔身存在的问题，确保其在正常负荷下不发生故障。
此外，科学合理的运维管理也能够延长输电线路塔身的使用寿命，提高可靠性。
结构振动疲劳寿命分析方法研究
南京航空航天大学 博士学位论文 结构振动疲劳寿命分析方法研究 姓名：王明珠 申请学位级别：博士 专业：飞行器设计 指导教师：姚卫星 20090301
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南京航空航天大学博士学位论文 life has been given. The stress concentration factor of root mean square has been defined in this paper. And the prediction method for vibration fatigue life of notch sample based on fatigue notch factor has been proposed. The model of rainflow mean distribution for random process was proposed. The prediction method for vibration fatigue life taken into account effect of mean stress was presented, and this method based on the assumption of mutually independent between rainflow amplitude and rainflow mean. The effect of damping and stress concentration on vibration fatigue life are examined with the results of modal analysis test and vibration fatigue test. The analyzed results show good agreement with experimental results. Keywords: vibration fatigue, random process, time domain method, frequency domain method, life prediction, frequency, damping, mean stress
输电铁塔基础耐久性寿命预测及经济性评价
输电铁塔基础耐久性寿命预测及经济性评价杨勃;安利强;曹蒙【摘要】以±800 kV特高压直流哈郑线甘3标段高标号抗腐蚀铁塔基础混凝土试点工程为背景,简要介绍了美国Life-365使用寿命及全寿命周期成本预测模型,利用其计算了该工程氯盐环境下某掏挖式铁塔基础耐久性寿命及初始建设和防腐成本.结果表明,该铁塔基础耐久性预测寿命满足60年的使用要求,基础混凝土中掺加阻锈剂是阻止或减缓钢筋锈蚀最经济、最简便且有效的措施,为氯盐环境下高标号铁塔基础混凝土设计、施工的质量和成本控制提供了参考.但考虑到阻锈剂的局限性及实际工程环境的复杂性,建议考虑基础混凝土的强度设计和施工要求,基于Life-365模型编程求解最优结果,促进Life-365更切合实际地应用于输电铁塔基础的耐久性寿命及防腐经济性分析(初始建设和防腐成本的理论预测).【期刊名称】《电力科学与工程》【年(卷),期】2015(031)002【总页数】5页(P55-59)【关键词】Life-365;输电铁塔基础;耐久性寿命;防腐经济性评价;预测计算【作者】杨勃;安利强;曹蒙【作者单位】华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003;华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定071003【正文语种】中文【中图分类】TM726.3当前，输电铁塔混凝土基础耐久性寿命设计、预测是电网的热点和难点问题[1]。
著名专家梅塔(P.K.Mehta)教授在总结世界50年混凝土耐久性状况时表示，钢筋腐蚀是影响混凝土耐久性的首要因素[2]。
2001年，梅塔教授又以“21世纪建筑结构的耐久性”为名，发表了“氯盐的作用是引起钢筋腐蚀的主要因素”的观点[3]。
可以说，氯盐环境下混凝土耐久性失效破坏大量存在且非常严重，成为工程、经济等领域学者和政府、企业共同关注的问题，与可持续发展紧密相关[4~6]。
哈密南—郑州±800 kV特高压直流输电线路工程(以下简称哈郑线)是国网公司实现“疆电外送”的重要工程[6]，也是我国促进西部大开发的战略工程。
高压输电铁塔结构强度分析(有限元)
1
华北电力大学硕士学位论文
遭龙卷风、大暴雨和冰雹侵袭发生倒塌。生 6.8 级大地震，造成 345kV 超高压输电铁塔大规模损坏。2001 年 4 月 3 日晚间，在美国 加州，一场暴风雨摧毁了太平洋电网的 6 个输电铁塔，输电干线被迫中断。由此可 见，对铁塔进行结构强度分析以避免铁塔的严重破坏具有重要的现实意义。
输电线路铁塔的结构形式随线路电压等级、沿线地形、施工运行条件等各种因 素变化而变化，形式繁多。在实际运行过程中，所受到的载荷也是多种多样的[1] [3]， 如铁塔在正常运行情况下，受到的载荷主要有导线自重、风力、覆冰的作用以及年 平均气温的影响[1] [3] [4] [5] [6]，在这些条件下，铁塔都应该有足够强度以保证输电系 统的正常运行。另外，在一些特殊的情况下，如导线断裂时，铁塔也应该有足够的 强度以防止由于断线而引起的进一步严重破坏[1]。
铁塔作为高压输电线路的一项重要组成部分。其功能主要是用来支持导线、避 雷线以及其它附件，使导线、避雷线保持一定的安全距离，并使导线对地面、交叉 跨越物或其它建筑物保持允许的安全距离。铁塔承受的载荷主要包括：导线自重、 风载、覆冰等的作用以及年平均气温的影响。而且在一定的风力作用下，导线会发 生稳定的风致微幅振动，从而激励塔身振动，严重时会引起铁塔破坏。在这些载荷 条件下，铁塔都应该保证有足够强度而不致被破坏。另外，对于一些特殊的工作条 件，比如导线断裂，此时铁塔是否具有足够的强度来防止由于断线引起更进一步的 严重破坏也是考核铁塔性能的一个重要指标。
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他荷载 工 况，本 文 依 据 相 关 的 输 电 塔 结 构 设 计 规 范［11-12］模拟出了相应的荷载谱。本文采用单塔模型 进行疲劳分 析，导 地 线、绝 缘 子、金 具 等 简 化 为 质 量 源。图 5 为 SAP2000 软件建立的输电塔模型，其时 程分析是以在自重作用下的非线性静力分析结果作 为初始状态，在此基础上进行的动力分析［13］。
张卓群，等： 高压输电塔结构的疲劳寿命分析
理论研究
布概率，通过 SAP2000 有限元软件模拟输电塔结构 在不同荷载工况作用下的受力情况，选用雨流法计数 模型统计应力循环幅值分布，最终应用材料的 S-N 曲 线和 Miner 线性疲劳累积损伤理论分析和预测输电 塔结构疲劳程度。
表 1 输电塔风荷载模拟点高度 Tab. 1 Height of loading point of wind in simulation model
Fatigue Life Analysis of HV Transmission Tower Structure
ZHANG Zhuoqun，LI Hongnan，LI Dongsheng，ＲEN Liang，SUN Tong
（ Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning Province，China） ABSTＲACT： The structure of transmission tow er is an important lifeline project as the carrier of high load pow er． Structural fatigue damage has been considered as one of the most vital destructive factors in civil engineering． Based on the M iner’s linear fatigue accumulation rule and S-N curve，the fatigue life analysis method for ZSZH tow er in the 500 kV HainingQiaosi double circuit transmission line w as proposed． In the fatigue analysis problem of transmission tow ers，this method not only emphasizes on w ind loads，but also considers several extraordinary serious load cases during the design reference period，including typhoon，ice load，construction load and so on． The numerical simulation results demonstrate that this method is quite accurate and effective to predict fatigue life of the transmission tow er，w hich lays a foundation for further engineering application in the future． KEYWOＲDS： transmission tow er； fatigue analysis； fatigue damage theory； fatigue life； w ind load
基 金 项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 委 创 新 研 究 群 体 科 学 基 金 （ 51121005） ； 高等学校学科创新引智计划（ B08014） 。
疲劳问题考虑较少。目前众多研究成果表明： 结构构 件疲劳损伤也是导致输电塔结构发生倒塌或者损坏 的主要形式之一［1］。
高压输电塔结构由于长期暴露在自然环境中，经 常受到频率 很 高 的 微 风 作 用，极 易 发 生 高 周 疲 劳 破 坏。这种随机脉动风荷载对结构构件反复作用会引 起疲劳损伤，最终导致部分杆件发生疲劳破坏，进而 引发整塔倒塌的工程安全事故。因此，研究角钢铁塔 塔材在风作用下的疲劳问题，以及评判结构剩余疲劳 寿命，对于提高我国输电塔线路安全等级具有非常重 要的作用［2］。 此 外，对 于 输 电 塔 结 构 服 役 期 内 承 受 过台风、覆冰、安装等一次性强荷载作用的情况，在结 构疲劳分析和剩余寿命计算过程中也都应该考虑。
考虑到地面对风气流产生的摩擦阻力影响和风
速沿高度的变化规律，对于输电塔结构，平均风宜采 用对数风剖面计算公式［4］； 脉动风则宜采用沿高度 变化的 Kaimal 风速谱［5］。风场模拟实际上就是模拟
作用于结构离散节点上的随机脉动风速时程，为结构
动力分析提供荷载激励。本文结合大跨越输电塔在
风场中的结构几何特征、边界层风场的谱特性和有限
1 荷载模拟与分布
1. 1 风荷载模拟
风荷载的流动速度和方向具有随时间和空间随
机变化的特 征，风 速 越 大，对 结 构 产 生 的 压 力 越 大。 通常情况，在任意点、任意高度的风速度［3］可表达为
平均风速和脉动风速之和，即
v（ z，t） = 珋v（ z） + 珋vf（ z，t）
（ 1）
式中： 珋v（ z） 为平均风速； 珋vf（ z，t） 为脉动风速。
图 4 杭州地区风玫瑰图 Fig. 4 Wind roses in Hangzhou
1. 3 补充荷载 在实际工程中，分析输电塔结构疲劳问题时如果
仅考虑“风 载 ”这 一 个 因 素，而 忽 视 了 由 于 钢 材 本 身 退化、腐蚀、雨荷载、特殊恶劣天气、地震等作用累计 损伤的影响，势必将导致结构计算出的结构剩余年限 值偏大，与实际情况存在一定偏差。本文为了更加准 确地反应输电塔因疲劳而引起的结构损伤问题，根据 当地的气候条件，将一次性强荷载作用情况（ 台风、 覆冰、安装等荷载工况） 转化为与风荷载工况一致的 分布概率和荷载谱，其中台风荷载按照每年 2 ～ 3 次， 风速按 33 m / s，持续时间一般为 24 h，最大考虑为 48 h计算。覆冰荷载按照 30 年一遇设计，覆冰厚度 为 5mm，一般持续时间 1 周。安装荷载应按 10 m / s 风速、无冰、相应气温的气象条件等，安装时间为 1 个 工作日。
本文选取 500 kV 海宁—乔司 II 回路输电线路上 的 ZSZH 型塔为研究对象，根据风玫瑰图和 Weibull 分布规律等计算不同季节、不同角度、不同风速的分
14 Electric Power Construction Vol. 35，No. 1，Jan． ，2014
第 35 卷第 1 期
共 16 个区域，0°方向指向正北，按顺时针变化，如图
4 所示。根据不同平均风速出现的百分率可以得到
在每一风向上各种平均风速的作用时间。按照风荷
载标准高度处平均风速 v10 的大小划分为 15 个等级， 从 2 m / s 到 30 m / s，采用式（ 2） 就可以求解出不同风
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
向角度下不同风速的概率，其中 K = 1. 5，A = 5. 81。
元分析方法，假 定 脉 动 风 速 为 零 均 值 的 平 稳 随 机 过 程，采用谐波叠加法对平稳随机过程进行模拟［6-9］。
本文将风荷载简化为 21 个模拟点作用到输电塔
上，具体位置如图 1 所示，其有关参数见表 1。脉动
风模拟 相 关 参 数 如 下： （ 1 ） 10 m 处 平 均 风 速 v10 = 20 m / s，地面粗糙长度 Z0 = 0. 2 m； （ 2） 时程总长 t = 300 s，时间步长 Δt = 0. 25 s，截止频率 ωu = 2 Hz，频率
图 5 输电塔疲劳分析模型 Fig. 5 Fatigue analysis model of transmission tower
3 雨流法分析
雨流计数 法 由 M atsuishi 和 Endo［14］ 首 先 提 出， Dolw ing 根据试验结果证明了该方法相对于其他方 法的优越性。该方法的特点是能够识别响应时程曲 线的各个回转点，并记下完整的滞回环数目，从而获 得各应力幅值下结构的实际循环次数［15］。在前文计 算出杆件内力时程曲线的基础上，运用雨流计数法对 关键部件杆件应力时程进行应力循环计数，可以得到 各风向和风速下的平均应力，再利用 Goodman 修正 公式得到等效应力幅值，最终统计出各方向不同风速 下结构构件的等效应力幅值和循环次数。以输电塔 的关键杆件 136 号单元为例，图 6 ～ 7 为在输电塔受 到 10 m 高度风速为 30 m / s，风攻角为 0° 时的 Von M ises 应力时程曲线和应力幅值统计情况。
1. 2 风荷载分布概率 风速的分布是空间的，风的作用可以来自任意方
向，且每个方向上风的强度和出现的频率都不相同， 因此需要考虑风速的分布规律。在某一风向上，不同
Electric Power Construction Vol. 35，No. 1，Jan． ，2014 15
理论研究
电力建设
2014 年 1 月
理论研究
电力建设
第 35 卷第 1期 2014 年 1月
高压输电塔结构的疲劳寿命分析
张卓群，李宏男，李东升，任亮，孙彤
（ 大连理工大学建设工程学部，辽宁省大连市 116024）
摘 要： 输电塔结构是高负荷电能输送的载体，是一种重要的生命线工程。结构疲劳损伤被视为工程领域重要的破坏 因素之一。选取 500 kV 海宁—乔司 II 回路输电线路上的 ZSZH 型塔为研究对象，依据 M iner 线性疲劳累积损伤理论 和材料的 S-N 曲线，建立了一套完整的输电塔结构疲劳寿命分析方法。这种方法不仅重点强调了风荷载对输电塔疲劳 现象的影响，同时也考虑输电塔结构在服役期内承受过的台风、覆冰、安装等一次性强荷载工况。通过对工程实例的仿 真分析，表明该文方法可以准确、高效地预测输电塔结构的疲劳寿命，为今后进一步的工程应用奠定了基础。 关键词： 输电塔； 疲劳分析； 疲劳损伤理论； 疲劳寿命； 风荷载