塔線耦合作用對輸電塔線風致響應的研究

何鈺祥

(湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000)

1 引言

由于輸電鐵塔具有橫向結構的特征，因此當其受到風荷載的作用時，其風致響應較為復雜[1-2]。同時，導線與輸電鐵塔間也存在著耦合作用，該耦合作用也會影響輸電鐵塔的風致響應[3]，因此，研究塔線耦合作用對輸電塔線風致響應的影響具有重要意義。

截至目前，國內外相關研究較少涉及到塔線耦合作用對塔線風致響應的研究，尚無文獻系統地分析最不利風向的影響因素[4]。為此，本文重點針對最不利風向，研究了塔線耦合作用對輸電塔線風致響應的影響。

2 風致響應的數值計算方式

隨著計算機技術的飛速發展，傳統的計算機數值計算算法也隨之不斷優化，數值計算方法逐漸在工程領域發揮著重要作用[5]。數值計算方法的作用是對實測數據進行驗證與補充，通過計算機數值模擬，可以達到對工程問題研究的目的[6]。目前研究輸電塔線風致響應的數值模擬方法通常為有限元分析法(FEM)，其原理是將復雜問題進行離散，用簡單問題替代復雜問題，再進行求解[7]。在分析輸電塔線的風致響應時，首先需要在ANSYS仿真軟件中建立模型，再通過有限元法進行計算分析。

3 塔線耦合作用的影響

首先對無導線的鐵塔在不同風向角(θ=0°,45°,60°,90°)下，各高度的主材軸力進行仿真計算，計算結果如圖1所示。圖中軸力的正負分別表示拉力與壓力。

圖1 各風向角下的主材軸力

觀察圖1可得，當風向角發生變化時，各高度的主材承受的軸力性質也隨之改變。當風向角θ在0°和45°之間時，2、3號主材均承受軸向壓力，為背風側，1、4號主材均承受軸向拉力，為迎風側。當θ在45°和90°之間時，2號主材承受軸向拉力，為迎風側，4號主材承受軸向壓力，為背風側。

當風向角改變時，不僅各高度主材承受的軸力性質發生變化，軸力大小也隨之改變。為更直觀地表示軸力大小隨風向角改變的變化規律，提出各風向角下的最大主材軸力值如圖2所示。

圖2 不同風向角下的主材最大軸力

觀察圖2可得，背風側的主材軸力整體要大于迎風側的主材軸力，因此背風側3號主材的最大軸力為研究重點。圖2中，當風向角在0°～45°之間時，隨著風向角的增大，3號主材的軸力呈現增大趨勢。而當風向角在45°～90°之間時，隨著風向角的增加，3號主材的軸力呈現減小趨勢，在風向角45°時，主材軸力達到最大值。

觀察圖5可知，各高度主材的最大軸力均處于背風側的3號主材，因此分別對無導線的塔線及檔距300m的塔線在不同風向角下的3號主材最大軸力進行仿真計算，計算結果如圖所示。

觀察圖3(a)和(b)可得，塔線體系的最大主材軸力與無導線輸電鐵塔呈現相似的變化規律，但是各風向角的主材軸力最大值發生了變化，如無導線輸電鐵塔的最不利風向角為45°，而塔線體系的最不利風向角為30°，且此時15°的主材軸力大于45°的主材軸力。由此可得，塔線耦合作用會對輸電塔線體系的風致響應產生影響，使主材軸力的最不利風向角發生了變化。

圖3 不同風向下的最大主材軸力

4 結論

輸電線路常常暴露在大自然中，因此非常容易收到周圍環境的影響。當輸電線路遇到大風時，會產生較為明顯的風致響應，嚴重時甚至造成鐵塔構件發生斷裂，因此風致響應成為輸電線路發生重大事故的關鍵原因。同時，導線與鐵塔具有一定的耦合作用，該耦合作用也會輸電塔線的風致響應具有一定的影響。為此，本文針對輸電塔線的風致響應，重點研究了塔線耦合作用對最不利風向的影響規律，所得結論對后續輸電塔線風致響應的研究具有重要意義。