高压输电结构系统的强度分析

李伟

摘 要：近年来，随着我国经济建设的高速发展，高压输电结构系统成为电力系统不可或缺的一部分，能够保障高压系统的安全性。目前随着人们用电量的增加，现有的高压输电结构系统已经无法满足大负荷使用，并且无法保障系统的安全运行，基于此专家对高压输电铁塔设计了多种加强结构，并进行加固。输电线塔是常见的高耸结构，其是大型生命线工程和电力输送的重要支柱，输电线塔的结构强度和性能直接影响整个电力系统的安全和经济发展。

关键词：高压输电；结构系统；强度

中图分类号：TM72 文献标志码：A

0 前言

随着我国经济的快速发展和环境的改善，原有的输电线系统和高压铁塔体系已经无法满足新的使用要求。在日常使用过程中，随着使用年限的增加，输电线路会发生一些变化，如电压的等级、导线的型号、转角等参数变化，或者原来使用的铁塔，由于局部的屈服或者生锈等造成一定程度的使用缺陷以及强度不足，无法满足正常的使用要求。在实际运行过程中，高压塔上的负载也是各种各样的，象电线自重或受到天气变化的影响，还有各种结构形式的高压输电塔。象线路电压的等级，此外还包括线路沿图的地形等的因素。基于这些条件下，如果全部淘汰旧的高压铁塔设备，重新建设新设备，不仅给国家造成了巨大的经济损失，而且也会对人民的正常生活和生产秩序造成严重影响，因此深入探讨高压铁塔的稳定性和其局部承受能力，并对相对弱势的部分进行加固调整，使原有的高压铁塔物尽其用。此外，在某些特殊情况下，如果线路导线断裂，高压塔也应具有足够的强度，以确保正常的传输系统运行，并且能够防止由断线而引起的损害。

1 高压输电结构

高压铁塔作为电力输送的主要支柱，据统计约占总投资额的41.5 %，其市场占有率很大，而且高压铁塔的安全性和依赖性也是当前社会关注的焦点。从一定程度上来看，高压铁塔的大容量输电线路系统建设是社会发展的必然成果。另外有关专家在高压铁塔的力学性能研究中提出静态分析是高压铁塔的基础，高压铁塔除了受到静态负荷外，大部分时间都在受动态负荷的作用控制，而剧烈的振动是使高压铁塔受到破坏的主要原因之一，象大风来袭，简称风振。高压输电线路的导线是一种耐柔性很好的结构物，在微风的情况下，它可以用于稳定风向，使输电线路的导线有较小范围的振动，如果处于特定的风向和恶劣环境下，强烈的风向会使铁塔振动，而使导线也发生振动，导线在振动的同时会导致高压铁塔也随之被迫振动，这种恶性循环严重破坏了高压铁塔的结构和稳定性。除了风力因素以外，还有一些自然灾害也能引起高压铁塔的强烈振动受损，象地震等，也可能对铁塔造成严重的破坏，对于这些不确定的动态负荷来说，也是将动态负荷转化为静态负荷是最有效的方法之一。当前随着高压铁塔的装机容量、电压的等级等的逐步提高，对高压铁塔的性能要求也更加严格，而一旦铁塔受到损害，短时间内很难恢复正常，不仅给国民经济带来巨大损失，而且人民的正常生活也受到严重影响。有关部门统计表明，在2000年东北吉林省的高压铁塔因龙卷风、暴雨和冰雹的袭击等多种自然因素而发生倒塌。在1999年时，台湾地区发生了不到7级的地震，也导致高压铁塔遭遇大规模的损害。在2001年美国的高压铁塔同样也受到暴风雨的严重摧毁，导致高压输电导线被迫中断。由此可见，对高压铁塔进行结构强度的分析是必要的，通过分析并采取一系列加固措施，能够有效避免高压铁塔受到严重破坏。

2 高压输电结构系统的强度配合

传统的高压铁塔是用手工计算设计的，釆用了结构力学和有限元方法来对它进行分析，这种情况下，要求设计人员必须具备丰富的铁塔设计经验和技能。而后者则釆用空间桁架模式进行处理，在铁塔的结构强度方面有明显的改善，随着近年来电子科技技术的不断发展，高压铁塔分析的软件也日益增多，但是由于对其数据的输入要求过于严格，操作过程很烦琐，阻碍了铁塔进一步的推广和发展应用。很多专家根据高压铁塔传统的固有频率进行研究，而所获成果并不是很多，大部分把铁塔的动态负荷转化成静态来处理。通常高压铁塔所承受的负荷有2个部分，一是高压铁塔自身产生的，如自重、自然灾害引发等，二是输电导线对高压铁塔的作用，目前研究重点是高压铁塔结构的强度以及稳定性及加固方案等。专家们针對高压铁塔如何加固展开了广泛地研究，象提出要利用且发挥交叉斜材料以及辅助材料与铁塔主材的连接孔所起的作用，实现主体材料与副主体材料形成一字形连接的加固，其次可以采取背靠背的方针，在原本的主材料的基础上附加一根相同规格的主要材料，此外，也可以在高压铁塔适当的位置增加横隔面，对于高压铁塔有局部较弱的部位，可以釆用增大杆件的截面来提高高压铁塔的承载力。对高压铁塔加固方案的选择是非常重要的，方案的优劣不仅影响对资金的投入，同时对加固后的结构存在一定的质量影响。合理的加固方案应具备以下几点：加固效果要好，对铁塔的使用功能的不利影响能够降到最低，技术要可靠，施工方法要简便，投入资金要合理，保持外观的整齐。另外加固铁塔结构的构造不仅能满足与新构件自身的构造，还须考虑到它与原有构件的连接是否恰到好处。在传统的铁塔构件设计的基础上，专家们以空间桁梁结构的有限元方法为理论基础，建立并进行自立式高压铁塔有限元的计算模式研究及有限元结构软件分析，有关专家学者们以自立式直线型猫头塔为例，提出了对高压铁塔结构强度的方案。计算出铁塔在特殊环境下载荷的内力与变形程度，还有铁塔结构的强度和一定的稳定性。1）根据铁塔空间结构的特点，充分利用空间桁梁结构进行有限元方法理论，建立了一种新型的自立式桁梁混合模型。2）建立了有限元平衡方程。3）用上面的方法对空间构件地认真计算，并结合有限元软件进行了详细地分析和比较，充分验证了此方法的正确性和可行性。4）用新方法通过对高压铁塔进行了合理的结构强度分析，以及其超负荷时的内力和稳定性，并与传统的人工计算设计和设计规范的计算设计做相应的对比，计算出铁塔中的辅助内力。

3 结语

总而言之，根据高压输电铁塔之结构强度的特点，充分利用了有限元软件，建立了新型的铁塔模型——梁桁混合模型，在原有铁塔无法满足实际需求的前提下，对现有铁塔结构强度和稳定性进行分析。专家提出了多种加固的解决方案，从而使加固后的高压铁塔在短时间内恢复供电，不影响铁塔的正常输电功能，并且能够使高压铁塔满足输电结构强度要求。

参考文献

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