高压输电线路导线跌落非线性动响应分析

摘 要：在高压输电线路中，绝缘子由于受到外界多种因素的影响出现断裂而导致导线跌落，而导线跌落的过程中会给高压输电线路产生连续的动力冲击作用。本文主要结合实例，对高压输电线路导线跌落过程进行了模拟，进而对导线跌落的非线性动响应进行了分析，以供参考。

关键词：高压输电线路；导线跌落；非线性动响应；分析

中图分类号：TM72 文献标识码：A

绝缘子通常在高压输电线路中起到了导线与杆塔和横担之间的绝缘作用，其要承受导线水平方向的拉力以及垂直方向的荷载力，所以高压输电线路中的绝缘子必须要具有良好的电气性能同时要保证其的机械强度。而绝缘子在运行的过程中由于受到很多因素的影响发生断裂的不可避免的，绝缘子一旦断裂就会导致导线跌落，而在导线跌落的过程中会给当前塔和相邻的输电塔都会产生连续的动力冲击作用。截止目前为止，对导线跌落给输电线路造成的影响方面研究的不多，因为众多的原因，很难从理论上来确定具体的影响程度。下文将以某375米高的大跨越输电塔为实例，通过有限元的方法对高压输电线路导线跌落的过程进行了模拟，分析了导线跌落过程中的非线性动响应情况，并对导线在跌落的过程中和地面的接触状况进行分析，最后对整个分析过程进行了论证，以证明整个分析过程是正确的。

1 输电线路的有限元建模

某大跨越输电塔总高度为375米一共分为13层，塔头的总高度为46米，塔身是正方形。输电塔的主杆六层以下采用中空夹层钢管混凝土复合构件的形式，其余的各层采用薄壁钢管，横隔和斜撑采用薄壁钢管，采用角钢来完成塔头部分的连杆。该输电塔的跨越距离为2750米，垂直距离为266.9米，耐张段的长度为925米。输电线总共分为三层，上层为两根地线，下层和中间分别为四相四分裂以及两相导线，导线的挂线绝缘子的长度为11.5米，地线的挂线绝缘子长度为1.5米。

进行有限元分析的时候，通过空间梁单元来对中空夹层钢管以及薄壁钢管混凝土复合构件进行模拟，通过空间杆单元对角钢进行模拟，通过质量单元来对节点、爬梯以及其余的连接构件进行模拟，通过杆单元来实现绝缘子的模拟，通过单向受拉杆来对导线和地线进行模拟。通过两塔三线模型的建立来实现对高压输电线路的模拟，其中将每一个杆塔都分为865个梁单元，52个质量单元以及122个杆单元，将每个绝缘子分为一个杆单元，将每根导线分为五百个杆单元，下图图1为高压输电线路的有限元模型图。

下面将阐述单塔和塔线体系的前六阶的频率以及主要振型，前六阶单塔体系的频率分别为0.555Hz、0.557 Hz、0.956 Hz、0.973 Hz、0.969 Hz、1.31 Hz，振型分别为方向1方向一阶弯曲、2方向一阶弯曲、1方向二阶弯曲、2方向二阶弯曲、3方向一阶扭转、3方向二阶扭转；前六阶塔线体系的频率分别为0.539 Hz、0.554 Hz、0.913 Hz、0.967 Hz、1.535 Hz、1.732 Hz，振型分别为2方向一阶弯曲、1方向一阶弯曲、1方向二阶弯曲、2方向二阶弯曲、1方向三阶弯曲、2方向三阶弯曲。

从以上的振型中可以看出，单塔体系的主要振型为1方向和2方向的平动振型，而且振动的频率很相似；塔线体系中由于导线在平面内的质量作用，2方向第一节的弯曲振型的频率要稍微比单塔模型的完全频率小，1方向二者 的频率几乎是一致的，这时因为平面外受到导线的振动作用的影响很小。

2 高压输电线路导线跌落的过程

文中主要是对绝缘子断裂而引起导线的跌落给输电线路所造成的影响进行分析，所以先假设有绝缘子已经发生了断裂现象。首先假设导线跌落没有接触地面。在对绝缘子突然出现断裂导致导线跌落的模拟中，首先对塔线体系在自重作用下的平衡计算出来，然后哦假设绝缘子在很短的时间之内发生断裂，绝缘子原本对导线的线性作用力已经消失，最后对绝缘子断裂之后导线的跌落过程进行计算。

下图图2为导线跌落的过程中在的位移曲线图，从图中可以看出，导线在跌落的过程中，出现了明显的回弹，而在跨越短的中点位置出现了最大的回弹，在原挂线点位置导线跌落的速度是最快的，但之后跌落的速度减小了。

图2 自由跌落导线在跨越段中点和原挂线

点的竖向位移

图3和图4分别为A塔8#绝缘子与和导线在跨越段中点的变化曲线，这两个图中可以看出，导线在跌落的过程中产生了极为明显的动力效应，最大的应力值比和稳定状态先的应力相比，差别比较明显，有的杆件的最大应力值比稳定状态下的应力值要高出2-3倍。

通过对A塔典型杆件在跌落中的最大应力、自重作用应力、稳定状态的应力以及动力系数的分析中可以得知：第一，当导线跌落到稳定的状态下，杆件的内力和跌落之前的内力之间相差的比较小；第二，在导线跌落的过程中，所有的杆件的内力都出现了明显的波动，产生的动力效应也比较明显；第三，挂线杆中，导线跌落所导致的最大应力表现的较为明显，因此对挂线杆要引起重视。

下图图5和图6分别为斜杆和主力干的轴应力时程图，从这两个图中可以看出，每对杆件的稳定状态应力都偶反对称的现象，相当于在外力作用的影响下，横道线方向出现了左右摇摆，这种现象实际上就是摇摆效应。

图5 A塔斜杆Xl和X2的轴应力

图6 A塔主力杆Zl和Z2的轴应力

3 和地面接触情况下导线跌落的过程

通常情况下，导线跌落都会和地面发生接触，通常接触面上的接触条件可以分为接触力和接触位移条件，而接触位移条件有分为切向和法向两种。接触的状态可以分为滑动状态、分离状态以及黏结状态三种。所以该种问题属于边界的非线性问题。由于文中的输电塔处于山区，假如导线跌落到地面被杂草绊住动能就会完全得打吸收，导线和地面接触之后就不会分开。通过刚性解析表面来对地面进行模拟，下图图7为导线和地面接触的模型图，图8为和地面接触的导线跌落的过程图，图9为跌落导线在跨越段的中点以及原挂点位置的竖向位移图。从这三个图中可以看出，导线跌落的过程中，依然会产生明显的回弹现象，和导线的自由跌落相比，回弹的幅度相对来说比较小；断裂点的导线在和地面接触之后没有出现回弹现象，但依然出现了沿着2方向的运动；由于阻尼的影响，导线在跌落之后的100秒已经逐渐稳定。

图7 输电线路考虑地面的模型

图8 地面接触的导线跌落过程示意图

图9 考虑与地面接触的跌落导线在跨越段中点和原挂线点的竖向位移

下图图10为导线跌落过程中A塔8#绝缘子的轴应力的时间和路程，从此图中可以看出，在整个跌落的过程出现了较为明显的动力效应，但是和自由跌落过程相比，振荡的幅度明显的减小了。

图10 虑与地面接触的导线跌落过程中A塔8#绝缘子的轴应力时程

通过对A塔典型杆件在跌落过程中应力值进行计算分析可以得知，导线在跌落的过程中所有的构件都出现了明显的内力波动，出现了明显的动力效应，到那时和和导线自由跌落过程相比，计算的结果没有过大的差别，所有当绝缘子断裂之后导线如果和地面的接触段不长的话可以按照自由跌落来处理。

4 分析导线跌落的能量

在对导线跌落能量的分析中，根据能量守恒定律可以得知当导线自由跌落时体系的总能量基本上是一个常数，如果导线和地面接触，就会产生一定能量损失，系体系的能量将不会是一个常数。而导线和地面接触的面积是有限的，因此系统产生的能量损失是很小的，由此可间上文中的分析是合理的。

结语

综上所述，文中通过单塔和塔线体系有限元模型的建立，经过分析可以得知单塔体系中主要的振型为1和2方向的平动，而且这两个方向上的振动特性和相似，他线体系由于受到质量的影响，频率出现了明显的下降。导线在自由跌落的过程中，出现明显的回弹现象，输电线路中所有构件的内力会产生明显的波动，产生的动力效应非常明显。中轴面对称的杆件有摇摆效应产生，在导线跌落的过程中有些杆件会出现比较大的峰值应力；和地面接触的导线在跌落的过程中，导线依然有回弹现象出现，和自由跌落相比回弹的幅度较小，通过对导线两种跌落情况的分析比较，二者产生的内力差别不大 ，因此和地面接触跌落可以按照导线自由跌落的情况来对待。文中最后根据能力守恒定律，对系统的总能量进行了简单的分析，对文中两种模拟分析的科学性进行了验证。

参考文献

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