贵州电网老旧输电线路覆冰危险点杆塔结构可靠性分析

毛先胤，华建坤，曾华荣，何荣卜，王勇，余启春

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550000；2.中国电建集团贵州电力设计研究院有限公司，贵州 贵阳，550000)

在新的重覆冰规程下，一部分老旧铁塔已不满足安全运行要求[1-2]。如果将原有铁塔直接拆除另行设计和建造，不仅会产生大量的经济成本，而且在重新建造期间会给社会带来停电等不利因素[3-5]；由此可见不断深入研究输电铁塔的整体稳定性、局部承载力，明确铁塔薄弱环节[6-17]并进行加固补强，使原有的铁塔结构能够继续使用，极具科研及使用价值。为了解决铁塔安全性不足的问题，学者们针对铁塔提出了大量加固理论和方法[18-26]。调查显示，2008年贵州电网区域因冰雪灾害停运线路共5075条，其中110kV线路277条，220kV线路94条，500kV线路29条(含外送通道3条)，受灾面积广、停电范围大。因此有必要分析计算贵州电网老旧铁塔自身的荷载，模拟计算出导地线对于铁塔的作用，了解覆冰危险点杆塔可靠性，为后续加固补强和进一步提高贵州电网安全运行能力提供理论支撑。

1 覆冰荷载对铁塔影响

输电线路覆冰灾害事故产生的直接原因可分为四类：1)实际覆冰厚度大于设计覆冰厚度，同时覆冰导致风压面积增大，进而引发过荷载事故；2)覆冰不均匀或者脱冰不同时造成机械和电气方面的事故；3)绝缘子串覆冰太多或被覆冰桥接，使得绝缘子串的电气性能降低；4)不均匀覆冰引起的导线舞动事故。综上，覆冰的类型、密度等不确定性导致了覆冰的随机性，这使输电线路结构系统的作用荷载也会产生不规律的变化。随着导地线覆冰厚度的增加，铁塔承受的荷载会越来越大，主要体现在水平、垂直和纵向上。

1.1 不同覆冰厚度下的水平与垂直荷载

杆塔水平和垂直档距不变，覆冰厚度发生变化时铁塔水平和垂直荷载如表1所示。

由表1可以看出，随着覆冰厚度增加，杆塔所承受的水平荷载、垂直荷载均呈现增长的趋势。同时导线线径越小，覆冰造成的荷载增量倍数越大，即对线路的影响越大，通常电压等级越小，所使用的导线线径越小，由此可以发现覆冰对于低电压等级的影响会大于高电压等级。线路覆冰危害对于小截面导线危害程度大于大截面导线；受到覆冰影响时，导地线截面尺寸越小风险越高。

表1 (a)不同覆冰厚度下的水平荷载Tab. 1 (a) Horizontal loads under different icing thickness

表1 (b)不同覆冰厚度下的垂直荷载Tab. 1 (b) Vertical loads under different icing thickness

1.2 覆冰厚度对不平衡张力的影响

覆冰区线路档距、塔高不相等时或连续相邻档距不一致时，导线覆冰会造成线路荷载静态纵向不平衡。覆冰的脱落或除掉是极不均衡的，这将使导线固定点承受很大的冲击荷载。在线条过载不均匀冰情况下铁塔承受的不平衡张力如表2所示。从表2中可见覆冰厚度增加对张力影响很大。

表2 (a)10mm冰区过载冰时铁塔承受不平衡张力Tab.2 (a)Unbalanced tension of iron tower under overload ice in 10mm ice area

表2 (b)20mm冰区过载冰时铁塔承受不平衡张力Tab.2 (b)Unbalanced tension of iron tower under overload ice in 20mm ice area

1.3 档距和高差对不平衡张力的影响

覆冰厚度不变档距改变时导线的不平衡张力如表3所示。从表3中可以看出档距对不均匀冰引起的不平衡张力影响极大，因此对重覆冰段有必要缩短档距以限制不平衡张力。

覆冰厚度和档距相同但高差不同条件下不平衡张力如表4所示。

表3 (a)10mm冰区不平衡张力Tab.3 (a) Unbalanced tension in 10mm ice area

表3 (b)20mm冰区不平衡张力Tab.3 (b)Unbalanced tension in 20mm ice area

表4 (a)10mm冰区不平衡张力Tab.4 (a)Unbalanced tension in 10mm ice area

表4 (b)20mm冰区不平衡张力Tab.4 (b)Unbalanced tension in 20mm ice area

综上可知，随着导线过载覆冰厚度的增加，铁塔承受的垂直、水平、纵向荷载急速增加，是倒塔、断线等事故发生的主要原因。同时随着导、地线线径的增大，在覆冰厚度增加时，水平、垂直及纵向荷载的增加倍数有所减少，即可认为覆冰危害对于使用小截面导线的铁塔大于使用大截面导线铁塔，覆冰危害风险对于低电压等级影响大于高电压等级。

2 铁塔力学模型

2.1 三维力学模型的建立

铁塔结构的可靠性根据《工程结构可靠度统一标准》中的定义为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力，可以利用下式来衡量。

γ0Sd≤Rd

Sd≤C

γ0—结构重要性系数；

Sd—荷载组合的效应设计值；

Rd—结构构件抗力设计值；

C—结构或构件达到正常使用要求的规定限值。

依托本项目前期对贵州电网老旧输电线路覆冰运行情况的调研，选取具备典型特征的220kV“羊角”耐张塔YJ22及500kV“干”字型耐张转角塔JG22，作为三维力学模型的建立对象，其设计运行情况如表5所示。

表5 典型铁塔塔设计运行条件Tab.5 Design operating conditions of typical tower

图1 杆塔连接节点类型Fig.1 Type of tower connection node

铁塔中主材、斜材、辅助材的连接如图1所示，采用梁-桁架混合力学模型，根据各构件节点类型和连接方式的不同，对力学模型中各构件的连接作以下简化：

(1)铁塔中主材与斜材采用多个高强螺栓直接连接或螺栓节点板连接，将此连接节点视为刚性；

(2)斜材和斜材相交处仅用一颗螺栓连接，在实际工程中，两斜材连接处常有较大间隙，且输电铁塔中斜材变形不大，因此模拟时忽略此类节点，不考虑两斜材之间的相互作用；

(3)斜材和辅材之间的联接是通过单根螺栓相连，我们将此类节点作为铰接节点来处理；

(4)主材和主材、主材和斜材之间的节点都属于刚接，节点可以传递弯矩和剪力，所以将铁塔的主材和斜材作为梁单元处理；

(5)辅材与主材和斜材之间的节点都属于铰接仅能传递轴力，所以将辅材作为杆单元来处理。

2.2 设计气象组合及导地线参数

220kV和500kV典型铁塔气象组合条件 分别如表6、表7所示。

表6 220kV气象组合Tab.6 220kV meteorological combination

表7 500kV气象组合Tab.7 500kV meteorological combination

3 典型铁塔可靠性分析

为了解《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(DL/T5440-2020)发布后，老旧输电线路杆塔结构的可靠性，选取220kV线路YJ22铁塔和500kV线路JG22铁塔作为代表，利用北京道亨公司开发的《自立式铁塔多塔高、多接腿满应力分析程序》建立铁塔力学模型，约束四个塔脚处节点的所有位移，进行承载能力和正常使用极限状态下的杆塔受力分析。

3.1 220kV典型铁塔YJ22分析

针对老旧线路中使用较多的典型塔型YJ22进行铁塔可靠性分析，在上述荷载效应基本组合下，线性状态中铁塔承载能力极限状态和正常使用极限状态受力分析应力分布结果如图2(a)、(b)所示。

图2 (a)YJ22承载能力极限状态下应力分布 图2 (b)YJ22正常使用态下应力分布Fig.2 (a)Stress distribution in the ultimate state of YJ22 Fig.2 (b)Stress distribution of YJ22 in normal service statebearing capacity

从图2(a)、(b)中我们可以发现，荷载效应标准组合工况下，220k羊角塔导线横担、塔身交叉斜材仍存在覆冰破坏风险，横担主材、少量斜材仍处于应力计算超限状态，控制工况为覆冰断线及不均匀覆冰，即可认为铁塔及导地线覆冰达到设计标准时，铁塔正常使用不满足要求，存在受损风险。因为《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(DL/T5440-2020)的实施，对于铁塔覆冰荷载效应的计算有了较为显著的提高，在现行设计规范标准的要求下，老旧线路的典型铁塔整体难以满足现行规范的承载能力要求，大量杆件存在应比例超限风险。超限杆件主要分布于羊角塔导线横担主材、塔身交叉斜材、塔腿斜材及个别塔身主材，各超限杆件计算应力比见表8。

计算结果表明，塔身主材超限构件(1110-1130)杆件规格为L125X10H，控制工况为不均匀覆冰受扭，90°风，稳定性系数为0.68，杆件应力比为103.5%，该杆件为受压稳定性控制。塔腿斜材(1230-1270)杆件规格为L80X6S，控制工况为不均匀覆冰受扭，90°风，稳定性系数为0.352，杆件应力比为101.8%，该杆件为受压稳定性控制。导线横担上部主材(60-150),杆件规格L90X7H，控制工况为覆冰，90°风，杆件应力比为103.3%，该杆件为受拉强度控制，其中60-120及140-150段由于其单肢连接的特性，需按照《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154-2012)考虑强度折减系数0.7，这是由于考虑单肢连接时杆端非全部直接传力而造成的剪切滞后及正面正应力分布不均匀的影响，故该杆件为杆端传力受拉控制；导线横担下部主材(60-190)，杆件规格L100X8H，控制工况为不均匀覆冰受扭，0°风，稳定性系数为0.439，杆件应力比为131.4%，由于100-190段构件特性为单面连接、一端偏心，一端中心受力，根据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154-2012)在该受力模式下，构件长细比修正系数需按照(0.75+30(L0/r))取值，进而降低了构件稳定性系数，归根结底该杆件受节点连接传力特性控制，降低了构件的稳定性，形成节点连接处薄弱环节。塔身正面交叉斜材控制工况均为不均匀覆冰控制，侧面交叉斜材控制工况为覆冰断线工况，杆件应力比为106.1%至158.2%，塔身交叉斜材由于其受力性质为一拉一压杆件。

表8 YJ22超限杆件计算应力比Tab.8 Calculated stress ratio of YJ22 transfinite member

综上所述，由于《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(D DL/T5440-2020)的实施，规定了重冰区需要考虑不均匀覆冰受扭工况，同时由于覆冰增大系数的考虑，故YJ22铁塔在按照现行规范规程验算后多根杆件产生了应比例超限的情况，该铁塔在按照现行规定使用条件上存在一定的安全风险,需对该塔型做提高防冰减灾能力改造。

3.2 500kV典型铁塔JG22分析

针对老旧线路中使用较多的典型塔型JG22进行铁塔可靠性评估分析，在上述荷载效应基本组合工况下，线性状态中铁塔承载能力极限状态和正常使用极限状态受力分析应力分布结果如图3(a)、(b)所示。

图3 (a)JG22承载能力极限状态应力分布 图3(b)JG22正常使用极限状态应力分布Fig.3 (a)Stress distribution in ultimate state of Fig.3 (b)Stress distribution of JG22 in normal JG22 bearing capacity service limit state

从图3(a)、(b)中可以看出，荷载效应标准组合工况下，线性状态中铁塔正常使用极限状态受力分析应力分布结果基本满足设计使用要求，即可认为铁塔及导地线覆冰达到设计标准时，铁塔正常使用满足要求，但安全裕度较低，当面对覆冰超载时有铁塔受损风险。

在承载能力极限状态下，老旧线路的典型干字型铁塔JG22，在现行规范规程要求下导线横担主材，塔头部分主材及侧面交叉斜材、塔身斜材及个别塔腿主材、斜材不能满足承载能力要求，各超限杆件计算应力比如表9所示。

计算结果表明，塔头主材(470-490)，杆件规格为L110X8H，控制工况为覆冰，90°风，杆件稳定性系数为0.620，杆件应力比为103.6%，为受压稳定性控制杆件；塔头主材(790-870)超限工况情况同(470-490)，杆件规格为L160X14H。导线横担下平面主材(60-790)，杆件规格为L160X12H，控制工况为覆冰断线，杆件稳定性系数为0.659，杆件应力比为108.6%，由于60-790段构件特性为单面连接,一端偏心，一端中心受力，根据《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》(DL/T 5154-2012)在该受力模式下，构件长细比修正系数需按照(0.75+30(L0/r))取值，进而降低了构件稳定性系数，归根结底该杆件受节点连接传力特性控制，降低了构件的稳定性，形成节点连接处薄弱环节。塔腿主材(1010-1030)，杆件规格为L200X24H，控制工况为覆冰，90°风，杆件稳定性系数为0.808，杆件应力比为100.2%，为强度控制杆件。塔腿斜材(1070-1270、1070-1310、1070-1330)，杆件规格为L125X8H,控制工况均为不均匀覆冰受扭，90°风，应力比超限100.0%至105.3%，稳定性系数为0.329-0.351，均为受压稳定性控制杆件。塔身正面交叉斜材控制工况均为不均匀覆冰控制，侧面交叉斜材控制工况为覆冰断线工况，杆件应力比为102.2%至127.4%，塔身交叉斜材由于其受力性质为一拉一压杆件。

综上所述，由于《重覆冰架空输电线路设计技术规程》(DL/T5440-2020)的实施，规定了重冰区需要考虑不均匀覆冰受扭工况，同时由于覆冰增大系数的考虑，故JG22铁塔在按照现行规范规程验算后多根杆件产生了应比例超限的情况，该铁塔在按照现行规定使用条件上存在一定的安全风险,需对该塔型做提高防冰减灾能力改造。

表9 JG22超限杆件计算应力比Tab.9 Calculated stress ratio of JG22 transfinite member

4 结论

1)随着导线线径的增大，在覆冰厚度增加时，水平、垂直及纵向荷载的增加倍数有所减少，导线截面越小覆冰危害越大。

2)老旧线路典型铁塔YJ22和JG22在现行规范规程要求下，实际覆冰达到设计覆冰时，承载能力极限状态难以满足设计要求，JG22铁塔正常使用极限状态基本符合承载能力要求，在实际覆冰达到设计值时，铁塔安全裕度较小，当覆冰过载时，铁塔使用存在风险隐患。YJ22铁塔正常使用极限状态仍有部分构件存在应力超限，在实际覆冰达到设计值时，铁塔使用存在风险隐患。

3)老旧线路典型铁塔YJ22和JG22超限杆件多为受压稳定性控制，少量杆件为强度控制及节点连接控制。故后续研究针对提高铁塔防冰减灾能力研究可着重于提高构件受压稳定性及强化节点连接两个方面。通过二者的提高来提高铁塔整体的防冰减灾能力。

4)针对老旧线路典型铁塔中导线横担上平面主材单肢连接受拉控制时，后续研究可针对性的研究改善杆端传力机制，降低剪切滞后效应改善正应力分布的改造方法，来提高横担上平面主材防冰减灾承载能力。