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輸電線路覆冰失效分析

文檔作者：劉純，胡彬文檔來源：湖南省電力公司試驗研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年07月12日
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研究與試驗 湖南電力 第28卷／2008年第1期
輸電線路覆冰失效分析
劉純，胡彬
(湖南省電力公司試驗研究院，湖南長沙410007)
摘要：在輸電塔線體系的設(shè)計過程中，導(dǎo)線和鐵塔結(jié)構(gòu)是分開進行設(shè)計的。由于對鐵
塔的縱向不平衡張力缺乏有效的計算方法，通常是根據(jù)規(guī)程取導(dǎo)線最大使用張力的比例
進行校核。然而，不平衡張力是危害輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一，精確計算
由檔距、高差和不均勻荷載引起的縱向不平衡張力有著重要的意義。文中應(yīng)用梁單元和
索單元對輸電鐵塔和導(dǎo)線建立整體單元模型，對輸電塔線體系結(jié)構(gòu)覆冰荷載進行有限元
計算，分析了均勻覆冰荷載下鐵塔的極限承載力，對在實測不均勻覆冰荷載下的倒塔失
效原因進行了分析，指出了輸電線路中的薄弱點，對鐵塔提出了提高冰厚等級改造的建
議。
關(guān)鍵詞：輸電線路；有限單元方法；極限承載力；失效分析；覆冰
中圖分類號：TM852 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008—0198(2008)01—0006～03
Failure analysis of iced power transmission line
LIU Chun，HU Bin
(Hunan Electric Power Test and Research Institute，Changsha 410007，China)
Abstract：During EHV transmission system towels and lines design，the structure of conductors an d towers WaS de—
signed independently．Because of the difficulty tO calculate the longitudinal unbalanced tension of towers，it is generally
verified by taking the percentage of the co nductor rnfl~mum design tension according tO regulations．However，the un—
ba lanced tension is one of the important factors impacting the safety of transmission lines，SO accurate calculating the
long itudina l unba lanced tension caused by span，height difference，and uneven load is meaning fu【-In this paper，the
beam element and the cable element were used to establish integral unit model，spatial finite element calculation of icing
load for transmission system was conducted ，and the ultimate Ioad-carrying capacity was ca[cu[ated under the even ice
load circumstan ce，and the causes for co llapsed towers were ana lyzed under the COndition of real uneven icing load，The
weakness of the transmission line Was pointed Out and mod ification propo sals were presented．
Key words： po wer transmission line；finite element method ；ultimate load-carrying capacity~failure analysis；ice load
1 引 言
超高壓輸電塔一線體系是輸電線路的主體，是
遠(yuǎn)程電力傳輸?shù)闹饕d體。它由輸電鐵塔、導(dǎo)線、
地線、光纜、絕緣子、金具等組成。這種結(jié)構(gòu)的顯
著特點是由導(dǎo)線和各個輸電桿塔連接而成為連續(xù)
體。
通常，輸電線路的失效多為覆冰荷載引起。在
輸電體系的研究中，應(yīng)該把輸電鐵塔和導(dǎo)線作為一
個整體考慮。然而，在現(xiàn)行輸電結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程
收稿日期：2007—10-09
中，導(dǎo)(地)線與鐵塔結(jié)構(gòu)通常是分開設(shè)計的。一
般前者由電氣專業(yè)的工程師設(shè)計，然后把導(dǎo)(地)
線荷載提供給結(jié)構(gòu)工程師，當(dāng)作外力加于鐵塔上，
對鐵塔進行設(shè)計計算，該設(shè)計方法通常忽略導(dǎo)
(地)線與輸電鐵塔之問的耦合作用。
文中以五民線352~354號段塔線體系結(jié)構(gòu)為
例，建立鐵塔、導(dǎo)(地)線、光纜和絕緣子整體有
限元模型，分析在覆冰荷載下的應(yīng)力和位移變化情
況，計算該耐張段的極限覆冰荷載和分析鐵塔倒塌
破壞的原因0叫)。
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第28卷／2008年第1期 湖南電力 研究與試驗
2 五民線倒塔段鐵塔和導(dǎo)線參數(shù)
五民線全長173．6 km，鐵塔452基，由湖南
省送變電建設(shè)公司負(fù)責(zé)施工，1995年底投產(chǎn)運行，
益陽電業(yè)局、婁底電業(yè)局共同承擔(dān)該線路運行維護
工作，婁底電業(yè)局線路管理所負(fù)責(zé)352~452號段，
共40．258km。計算事故段為352~--354號塔，位于
長沙市寧鄉(xiāng)縣巷子口鎮(zhèn)九畝村，設(shè)計覆冰厚度為
2O mm 。
在覆冰失效中，352號塔從下曲臂平口以下一
段處坍塌扭斷，向353號方向倒落；353號從下曲
臂平口處向352號方向倒落，左邊下曲臂未掉落；
354號從下曲臂平口處向353號方向斷落。事故段
斷面圖如圖1所示。
圖1 五民線352~354號塔事故段斷面圖
該事故段輸電鐵塔塔材型鋼構(gòu)件主要采用
Q345(16Mn)鋼和Q235(A3F)鋼，設(shè)計覆冰
厚度為2o mm，以30 mm覆冰進行校核。輸電導(dǎo)
線為四分裂導(dǎo)線，型號為LGJ-300／50，地線型號
為GJ-100 。鐵塔的塔型及相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 五民線塔型參數(shù) m
3 輸電塔——線結(jié)構(gòu)模型
3．1 輸電鐵塔
輸電鐵塔一般由單角鋼用螺栓偏心連接而成。
由于單角鋼為對稱截面的薄壁構(gòu)件，加之輸電鐵塔
結(jié)構(gòu)型式及構(gòu)造的多樣性，承受的荷載工況多而復(fù)
雜，要對其受力性能進行精確的分析比較困難。由
于輸電鐵塔按空間桁架法分析不能準(zhǔn)確計算其極限
承載力，而是考慮節(jié)點連接剛度的影響，應(yīng)用一般
薄壁梁單元分析，并考慮幾何、材料非線性的影
響 ～ ”。
3．2 輸電導(dǎo)線
架空輸電導(dǎo)線由于2個懸掛點間的距離很大，
電線材料的剛性對電線懸掛于空中的幾何形狀影響
很小，在分析過程中常應(yīng)用“懸鏈線”模型。
輸電導(dǎo)線的求解是根據(jù)無抗彎導(dǎo)線段的控制微
分方程，應(yīng)用索單元將大跨距導(dǎo)線離散，使每個索
單元的矢跨比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個索鏈的矢跨比，從而采
用小撓度模型的計算理論來分析各個索單元。
4 覆冰有限元計算
4．1 均勻覆冰
導(dǎo)線覆冰均勻，計算隨導(dǎo)線覆冰厚度增加各塔
承受的最大壓應(yīng)力，找到臨界覆冰厚度。在覆冰厚
度為42．5 mm時，352號塔承受的最大壓應(yīng)力達(dá)
到材料的屈服極限。五民線事故段在覆冰厚度為
42。5mm時塔線整體位移如圖2所示，此時352號
圖2 覆冰42．5 mm 時五民線352~354號段
各塔位移圖
塔向大號側(cè)傾斜，353號塔向小號側(cè)傾斜，354號
塔向小號側(cè)傾斜，其中352號塔的位移最大，達(dá)
0．1 m，353號塔次之，354號塔的位移最小。352
號塔大號側(cè)上曲臂下部主材壓應(yīng)力最大，為
346 MPa，該塔將最先屈服倒塔。
· 7 ·
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研究與試驗 湖南電力 第28卷／2008年第1期
4．2 不均勻覆冰
根據(jù)婁底電業(yè)局線管所倒塔時現(xiàn)場實測冰情，
當(dāng)時大雨夾雪，溫度一3℃，北風(fēng)，風(fēng)速10 m／s。
352～355號段覆冰超過8O mm，353號塔兩側(cè)導(dǎo)
線2個檔距約100 m范圍內(nèi)四分裂導(dǎo)線形成冰柱。
對塔線單元模型施加實測荷載進行計算，事故
段各塔的位移如圖3所示，此時352號塔向大號側(cè)
傾斜，353號塔向小號側(cè)傾斜，354號塔向小號側(cè)
傾斜，其中353號塔的位移最大，達(dá)0．177 m，352
號塔次之，354號塔的位移最小。
圖3 不均勻覆冰五民線352號～354號段
各塔位移圖
此時，352號塔大號側(cè)上曲臂下部主材壓應(yīng)力
最大，為345 MPa，353號塔小號側(cè)下曲臂上部主
材壓應(yīng)力為326 MPa，354號塔小號側(cè)下曲臂上部
主材壓應(yīng)力為234 MPa。
這時，352號塔承受的壓應(yīng)力達(dá)到屈服極限，
將首先失穩(wěn)倒向大號側(cè)；由于353號塔本來就承受
了很大的不平衡張力，最大壓應(yīng)力為326 MPa，隨
著352號塔的倒塌，352號～353號塔問的導(dǎo)、地
線重心向353號塔側(cè)傾斜，在導(dǎo)、地線下落10 m
時，353號塔小號側(cè)下曲臂上部主材壓應(yīng)力為
350 MPa，達(dá)到屈服極限，也將失穩(wěn)倒向小號側(cè)，
從而拉倒與之相鄰的354號塔。
5 結(jié)論及建議
對五民線352~354號塔事故段而言，當(dāng)均勻
覆冰厚度為40 mm時，各塔強度滿足要求；當(dāng)覆
· 8 ·
冰厚度為42．5 mm時，導(dǎo)線不平衡張力使352號
塔首先失穩(wěn)。
實測荷載計算表明，由于353號塔兩側(cè)導(dǎo)線局
部覆冰形成冰柱，且整個塔線分布于山頭南北兩
側(cè)，導(dǎo)、地線不均勻覆冰嚴(yán)重，承受的垂直荷載和
不平衡張力都較大，352號塔次之，354號塔最小。
由于353 號塔型(ZBT23) 比352號塔型
(ZBT21)強度高，故352號塔承受的最大壓應(yīng)力
大，最先超過材料的屈服極限而失穩(wěn)倒塌；352號
塔的倒塌造成大號側(cè)導(dǎo)線松弛、重心向353號塔傾
斜，另一方面353號塔本來承受的壓應(yīng)力就很大，
當(dāng)導(dǎo)、地線下落10 m左右時353號塔將失穩(wěn)倒向
小號側(cè)，從而拉倒相鄰的354號塔。由于351號塔
(JGT2-24)為轉(zhuǎn)角干字形塔，抗不平衡張力強，
故僅中相均壓環(huán)扭曲變形。
綜上所述，為了提高五民線352 354號塔事
故段抗不均勻覆冰能力，建議對事故段輸電鐵塔提
高冰厚等級重新改建。
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