英语原文共 23 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
输电塔线路系统断线后的稳定性与动力分析
摘要：在输电线路上施加冰荷载会增加导线断裂的概率，从而导致输电塔的稳定性失效。本文建立了两塔三跨输电线路的输电铁塔线路系统。在研究输电塔线路系统失效模式的同时，进行了导线断裂引起的非线性静稳定性分析和非线性动力稳定性分析，得到了输电塔线路系统的荷载-位移曲线。数值模拟还考虑了冰荷载和初始偏心距。此外，还进行了参数分析，研究了跨度、绝缘体长度和初始张力对系统稳定性失效的影响。结果表明，由于动力冲击效应，动力失稳发生的时间早于静态失稳发生的时间，导线在冰荷载作用下断裂会导致输电塔线系统的渐进性倒塌。最后，跨长对导线断裂引起的输电塔响应影响最大。
关键词：输电塔线路系统；导线断裂；稳定性分析；动态冲击；倒塌模拟。
一、前言
导线断裂的发生会对金具、铁塔构件造成损坏，甚至造成输电铁塔倒塌，导致供电中断。1975年，美国威斯康星州和印第安纳州的输电线路导线断裂导致输电塔倒塌，导致供电中断。1 2008年，中国南方地区遭遇暴风雪袭击，中国南方电网严重受损。据初步统计，截至2008年2月26日，有2686座110kV及以上电压的输电塔受损，发生了2576起导线断裂事故，90个县都发生了供电事故。3冰或雪荷载可增加导线断裂的概率。其原因是输电线路表面附着冰雪的输电塔线系统的应力比平时大，容易发生导线断裂。因此，在考虑冰荷载的情况下，有必要对导线断裂引起的输电线路断裂进行研究。
近几十年来，由于导线破损对电力工业的威胁，其研究受到了广泛关注。20世纪70年代，康贝尔等人提出了导体断裂后的静态平衡方程，并计算了导体的残余张力和平衡位置。Mozer等人在实验的基础上计算了动态影响因子，并与Peyrot等人提出的公式进行了比较，结果显示了很好的一致性。然而，该实验仅在系统的弹性阶段进行。随着计算机技术的发展，采用有限元方法研究了导线断裂的动态过程。Thomas和Peyrot采用有限元方法研究了导体断裂的动态响应。McClure等人利用ADINA对输电线路进行了建模，并对导线断裂进行了参数分析。李等人建立了8根跨线的有限元模型，讨论了初始张力、跨长和绝缘体长度对切断导线的影响。沈等人通过考虑输电线路与地面的碰撞，研究了动态冲击对导线断裂的影响。研究结果表明，碰撞会增大与断开导线连接的横担的应力，这一点不容忽视。夏等人用线性弹簧来表示与塔相连的电缆，并用ANSYS/LS-Dyna研究了输电塔在导线断裂时的动力响应。严和李讨论了分裂导线的导线断裂问题，发现风荷载可放大塔线系统的响应，而子导线断裂可导致分裂导线断裂。杨等人通过实验和模拟研究了冰荷载下的导体断裂，发现冲击效应对断裂点附近的位置更为显著，并且随着冰厚度的减小而增加。Alminhana等人研究了拉线塔和独立塔在导线断裂时的响应。结果表明，由于导线断裂引起的动态冲击效应，塔架构件的内力可以超过设计值。然而，上述参考文献表明，许多研究者都关注于由导线断裂引起的输电线路的动态响应。同时，对输电塔导线断裂损伤的研究也十分重要。输电塔是一种典型的高柔结构，其主要失效形式是稳定失效。因此，由导线断裂引起的铁塔失效应是一个屈曲失效问题。由于输电线路系统是一个复杂的非线性系统，因此对其稳定性的判断是非常困难的。Goldhirsch等人提出了一种通过新的Lyapunov函数来判断结构稳定性的方法。该方法对线性系统是有用的。
然而，当将其应用于非线性系统时，结果并不理想。 Bundiansky和Roth制定了一个判断结构稳定性的标准：如果一个小的荷载增量可能导致位移的大变化，那么结构就失去了稳定性。数值方法在复杂非线性系统稳定性分析中得到了广泛的应用。郭等人将该准则引入到地震作用下网壳的稳定性分析中，并进行参数分析，以研究地震作用下的影响因素。李等人根据Bundiansky和Roth标准对输电塔线路系统在冰荷载下进行了屈曲分析。结果表明，由于导线上冰分布不均匀造成的过载和不平衡张力是导致铁塔失稳的主要原因。付等人20利用该准则对输电塔进行了风荷载和雨荷载作用下的脆弱性分析，结果表明，雨荷载对输电塔倒塌有很大的影响，尤其是在大风和雷暴期间。
对上述文献的回顾表明，对输电塔在断线状态下稳定性的研究是有限的。因此，有必要对输电塔线路系统进行稳定性分析，以研究故障模式和运行参数。另外，在我国输电塔设计规范中，不应忽视冲击效应，只考虑静态残余张力，为了研究对输电塔线路系统稳定性的影响，将进行动态稳定性分析，并与静态分析进行比较。在第2节中，介绍了稳定性分析的理论和方法。然后，在有限元分析软件ANSYS中建立了输电塔线系统的有限元模型，并考虑了材料非线性和几何偏心等因素，在第3节中进行了静稳定性分析。在第4节中，进行了动态稳定性分析。影响参数在第5节中进行了讨论。最后，第6节研究结束。
二、稳定性分析理论与方法
2.1屈曲理论
如果由于荷载增量小，结构的位移急剧增加，结构就会失去稳定性。在稳定状态下，结构方程如下
（KE KG）U = P （1）
式中，KE和KG分别是结构的弹性刚度和几何刚度矩阵；U是位移矢量；P是节点荷载矢量。为了获得临界平衡态，系统势能的二阶变化应等于零。
（KE KG）delta;U =0 （2）
从而，可以知道
KE KG =0 （3）
从公式（3）中可知，几何刚度矩阵KG未知。当结构受到任意荷载P0时，KG是对应于该荷载的几何刚度矩阵。因为屈曲荷载是P0的ƛ倍数，那么
KG =ƛ K0G （4）
在特征值方程的表达式中将式（4）代入式（3）得出
（KE ƛi K0G ）ϕi=0 （5）
其中i是第i个特征值，i是第i个屈曲模式。值得注意的是，在特征值屈曲分析中，应忽略任何材料的非线性。
2.2初始偏心
在结构施工过程中，初始偏心是不可避免的。在评价初始偏心距对结构稳定性的影响时，普遍采用初始均匀模态法，该方法假定初始偏心距的分布与最低屈曲模态相一致。它已应用于各种结构的稳定性分析，如网壳、网壳、输电塔等。本文采用初均模法对输电塔在不利条件下的稳定性进行了分析，可分为两个阶段。在第一阶段，进行了静态稳定性分析，以评估输电线路系统在导线断裂后的残余张力（静态纵向不平衡张力）下的稳定性。第二阶段，对导线断裂后的结构稳定性进行了动态稳定性分析。在静态和动态阶段，都考虑了初始偏心和材料非线性。
三、静态稳定性分析
3.1稳定性分析过程
根据中国电气规程，输电塔设计中只需对导线断裂进行静态计算，而导线断裂过程中的冲击效应可以忽略不计。本文对输电塔的失效模式进行了静态稳定性分析。采用商用有限元模型（FEM）软件ANSYS进行了静稳定性分析。首先，进行屈曲分析以获得最低的屈曲模式，该模式将用于在输电塔的单元模型上增加初始偏心。然后，进行了静态非线性分析，得到了荷载与位移的关系。位移曲线和生-死单元法用于去除失效单元。为了清楚地显示静态稳定性分析的过程，图1给出了一个流程图。
图1 静态稳定性分析流程图
尽管在同一相位发生在所有子导线上的断裂是罕见的，但它比一部分子导线的断裂更危险。为了模拟导线断裂的最危险情况，假设所有子导线同时断裂。然而，多个分裂导线破裂的概率很低，因此这里不考虑。
3.2 ANSYS中的有限元模型
为了简化有限元并提高计算效率，采用以下假设：
（1）分裂导线相当于单个导线，并且忽略了子导线之间的相对运动；
（2）导线断线时无脱落；
（3）有限元模型只考虑冰的质量，忽略了刚度；
（4）在导线断开过程中，绝缘子不会断开；
（5）附着在导线和地线上的冰均匀分布。
根据上述假设，基于我国南方一个实际工程项目，建立了双塔三跨输电线路系统的三维有限元模型，如图2所示。四个断点（bp1-bp4）对应于四个输电线路中断情况，如图2所示。所用塔架采用角钢构件，部分代表性尺寸图如图3所示。塔架主要构件采用Q420、Q345钢，次构件采用Q235钢。表1列出了Q420钢、Q345钢和Q235钢的力学性能。四分裂导线和地线的类型分别为LGJ630/45和JLB20A-150，其机械性能见表2。
图2 输电塔线路系统的有限元模型
图3 部分代表性尺寸
表1 钢的机械性能
|
材料 |
屈服强度（MPa） |
密度（kg/m3） |
弹性模量（MPa） |
|
Q235 |
235 |
7850 |
206000 |
|
Q345 |
345 |
7850 |
206000 |
|
Q420 |
420 |
7850 |
206000 |
表2 导线和地线的机械参数
|
导线类型 |
直径（mm） |
重量（kg/m） |
弹性模量（MPa） |
截面面积（mm2） |
最大应力（MPa） |
|
LGJ-630/40 |
33.6 |
2.06 |
63000 |
666.55 |
223 |
|
LB20A-150 |
15.75 |
0.9894 |
147200 |
148.07 |
1205 |
附着在塔架构件上的冰的重力可计算如下
qa=0.6ba2upsih; x 10-3 （6）
式中qa为单位面积冰荷载；b为10米高度处的冰厚；a2为塔架构件的加高系数，可按表3确定；冰重取9000N/m3。塔架构件上的积冰面积可通过以下公式计算：
Aice = qaAa/ upsih; （7）
其中，Aice是冰的面积，Aa是塔构件的表面积。
在ANSYS中，杆塔采用梁188单元建模，导线、地线和绝缘体采用Link8单元建模。塔架上的积冰也由与塔架构件单元节点相同的Link8单元模拟。由于只考虑冰的质量，因此密度和杨氏模量分别设置为900kg/m3和1pa。通过改变输电线路的密度，可以模拟结冰的输电线路。
rho;ice=
全文共9793字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[699]
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
