英语原文共 24 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
绝缘层破损引起的输电塔线路系统的动力特性
输电塔线路系统上的冰荷载不仅能增加绝缘子的垂直荷载，而且更容易引起灰化。两种作用都会导致绝缘体破损的可能性增加。本文建立了三塔四跨输电铁塔线系统在冰荷载作用下的单元模型。对线路系统在绝缘子破损后的动态特性进行了分析，研究了系统的动态响应及其失效过程。此外，还进行了参数分析，研究了跨长和绝缘体长度对系统振动和失效模式的影响。结果表明，冰荷载越大，绝缘子断裂引起的塔线系统振动越严重。此外，随着跨长的增加，绝缘子的断裂会导致更严重的后果，甚至导致输电塔线路系统的级联倒塌。本研究为防止重冰区输电铁塔线路系统故障提供了重要参考。
关键词：输电铁塔线路系统；绝缘子断裂；动力分析；级联倒塌；冰荷载。
1. 介绍
用于将导体连接到输电塔的绝缘体应具有良好的电气性能和足够的机械强度，以确保输电塔线路系统的安全运行。然而，由于绝缘体疲劳、灰烬或雷击，有时会发生绝缘体破损。1996年，我国安徽省11次停电事故是由绝缘子破损引起的，1999年和2001年，惠山市一条500kV电压的输电线路因绝缘子破损导致导线落地，给社会造成了巨大损失。
由于寒冷条件而在输电线路上形成的冰荷载可以进行定量监测；这些荷载不仅增加了绝缘体上的应力，而且增加了发生“灰烬”的可能性。因此，当导线表面有大的冰荷载时，绝缘子更有可能断裂，2008年1月，中国南方发生了暴风雪，造成200多度的灰烬事故，500多座铁塔倒塌，而且由于冰荷载引起的绝缘子断裂会严重破坏铁塔线路系统，这是由于导线表面的冰荷载引起的。撞击落下的导体产生的力。因此，有必要研究冰荷载作用下绝缘子断裂对输电线路系统的影响。
以往的许多研究都探讨了绝缘子断裂的机理。张等研究了复合绝缘子的材料损伤，提出了提高复合绝缘子安全性的几种方法。朱等采用实验和数值方法研究了风暴地区复合绝缘子的棚架疲劳破坏机理，结果表明，其破坏的主要决定因素是疲劳，这与谢等的工作是一致的，此外，库莫萨等还对其进行了分析。对复合绝缘体进行烧灼定位，发现压接工艺对绝缘体的机械强度有显著影响。Jiang等人在实验测试中检查了AC灰化性能，并提出了一个称为结冰应力积的特征参数，以重新评估在灰化电压下结冰和污染的影响。此外，Jiang等人还研究了结冰绝缘体的直流灰化性能。在实验结果的基础上，他们提出了一个计算过灰电压的公式，并发现不同棚架结构的复合绝缘子的过灰电压存在很大的差异。然而，这些研究只涉及到绝缘体的失效机理，没有考虑到输电线路因绝缘体破损而产生的动态响应。
一旦发生绝缘子断裂，下落的导线会在输电塔线路系统中引起振动。Liu等人研究了由绝缘子断裂引起的塔式系统的动态响应，并研究了运行参数。Shen等人模拟了绝缘体破损导致导体落地的现象。结果表明，导线与地面之间的冲击力不容忽视。Peyrot等人进行了全尺寸试验，研究了输电塔线路系统在绝缘子断裂时的动态响应，得出了相邻绝缘子的动态张力。Tucker和Haldar采用数值方法研究了输电线路因绝缘子断裂引起的动态响应，与Peyrot等人的试验结果吻合较好。然后，他们利用几个绝缘体长度、冰厚和初始张力值进行灵敏度分析，以确定这些参数对塔横臂冲击荷载的作用。然而，这些研究集中在输电塔线路系统的动态响应上。迄今为止，还没有研究解决由绝缘体破损引起的塔线系统损坏问题。
当绝缘子串断开后，相邻杆塔上的垂直荷载将增大，导线张力将不平衡。此外，冲击作用可放大垂直载荷和张力不平衡。因此，绝缘子断裂会损坏塔体构件，导致导线断裂甚至塔线系统倒塌。
由于制造误差、安装误差和焊接残余应力的存在，塔架构件的初始偏心是不可避免的。由于输电塔是典型的格构结构，构件偏心的影响不容忽视。Chen和Shen提出了一种考虑初始偏心对此类结构影响的初始均匀模式方法。Li等人将沈氏方法应用于输电塔线系统在冰荷载作用下的屈曲分析，而Fu等人使用沈氏方法对输电塔在风雨荷载作用下的脆弱性进行了分析。Li等人利用沈氏方法考虑了塔线系统的初始偏心，并对冰荷载作用下导线断裂的情况进行了稳定性分析。
前面的文献综述表明，有必要研究由绝缘体破损引起的塔线系统的动态响应和失效过程。第二节介绍了输电塔线路系统的单元模型（FEM），然后在第二节中研究了系统的失效模式和动态响应。
应注意的是，假定绝缘子在给定时间发生断裂，本文的目的是研究由绝缘子断裂引起的塔式系统的动力响应和失效模式。但是，这里不讨论绝缘体破损的机理。
2. 模拟绝缘子破损的方法
采用混合隐显方法模拟了输电塔线路系统在绝缘子断裂时的动态响应。首先，利用有限元分析软件ANSYS计算了输电线路系统在冰荷载作用下绝缘子断裂前的初始状态。然而，在ANSYS中计算系统的动态响应是非常耗时的，使用该工具很难模拟系统的崩溃。因此，采用商用软件包LS-DYNA对塔式系统绝缘子断裂后的倒塌进行了动态分析和模拟，以便于进行明确的单元分析。
2.1. 塔线系统有限元分析
为了简化有限元法，提高其计算效率，本文采用了几种假设。
（i）将集束导体建模为等效的单导体。（i i）模拟过程中不发生冰脱落。
（a）（b）
图1。输电塔线路系统。（a）输电塔线路系统的有限元和（b）输电塔方案。
（iii）考虑了冰的质量，但忽略了其刚度。
（iv）附着在导体上的冰分布均匀。
根据我国的一个实际工程项目，所开发的塔线系统有限元包括三座塔和四跨线，如图1所示。在图1（a）中，I1是假定断开的绝缘体，pc和pd分别表示T1和T2的最大位移点，pm1和pm2分别是c2和c3最大张力下的元件。塔架方案如图1（b）所示。塔架采用角钢施工，塔架名义高度69m，主塔构件由屈服应力420MPa的Q420钢和屈服应力345MPa的Q345钢组成。塔体主要构件如图1（b）所示。次构件为Q235钢，屈服应力为235Mpa。导线为LGJ630/45四分裂导线，地线为JLB20A-150线。导线和地线的机械参数见表1。采用u210bp/170t绝缘子，最大承载力210kn。每束导线通过两个绝缘体串连接到每根塔上。
2.2. 模拟初始偏心的方法
在角钢的加工、运输和装配过程中，不可避免地会引入塔架构件的一些初始偏心。在本研究中，采用初始均匀模式法来捕捉这一现象。这个方法由两个步骤组成。首先，计算塔的最低屈曲模态
图2绝缘子破损分析流程图
绝缘子断裂负荷。其次，利用该屈曲模态对有限元几何进行了更新。
2.3. 模拟绝缘子破损过程
除非另有说明，四跨为每400米，每根绝缘子串长度为6.6米，每根导线的初始张力为35.3千牛。此外，I1在15.001s处断裂。模拟过程的°OWchart如图2所示。在这张图中，绝缘体破损简称为ib。
3. 动态响应
（a）15秒 （b）17.95秒
（c）21秒 （d）22秒
（e）40秒
图3绝缘子断裂引起的塔线系统故障过程
3.1. 塔线系统破坏过程
随着冰层厚度的增加，由于绝缘体断裂引起的塔线系统的动态响应增大，直到绝缘体断裂导致塔线系统失效为止。图3说明了由绝缘体断裂引起的跨度为300米、冰厚为35毫米的输电塔线路系统的故障。
图3显示，由于I1断裂，C2和C3掉落到地面上。17.95 s时，元件PM1和PM2因应力超过其承载能力而失效。然后，I2摆动到C1，I3摆动到C4；但是，在这些条件下，没有塔架构件发生故障。21秒时，C2落地并反弹。在40秒时，系统由于阻尼而达到稳定状态。
3.2. 导体响应
3.2.1. 位移响应
图4说明了不同冰厚下，由绝缘体断裂引起的PA和PB的位移响应。图4（a）显示了20 mm冰厚PA的位移-时间-历史曲线。PA开始下降，然后突然上升，最后达到稳定位置。图4（b）显示了具有20 mm冰厚的Pb的位移时间历史曲线。铅也开始下降，然后反弹，最后达到平衡位置。这种行为的解释如下：当铅达到其最大位移时，导体有其最大弹性势能。然后，这个弹性势能转化为动能，引起反弹。图4（c）显示了厚度为35mm的PA的位移-时间-历史曲线。在这种情况下，绝缘体破损会导致导体破损。PA开始下降，然后轻微上升，接着是另一个显著的下降；PA最终达到低于其初始位置的平衡位置。这一现象的解释如下：绝缘体的断裂导致C2和C3下降，然后C2上的张力下降，从而导致I2摆动，PA下降。随后，由于冲击作用，C2上的张力增加，导致PA升高。当最大张力超过其承载力时，C2最终断裂，导致PA的显著下降。图4（d）显示了具有35mm冰厚的Pb的位移时间历史曲线。铅开始迅速下降，然后反弹。这是因为导线破损导致铅落地，冲击力导致铅反弹。图4（e）清楚地表明，随着冰厚的增加，pa和pb位移的绝对值增加。当冰层厚度达到35mm时，PA的位移由正变为负，并显著增加。这种趋势的发生是因为PM1和PM2上的应力因冲击作用而超过其承载力，导致PM1和PM2失效；然后，I2向C1摆动，导致张力减小，C1的垂度增加。由于导线断裂导致C2和C3同时落在地面上，因此未绘制35mm冰厚的Pb位移图。图4（f）显示，pa值随冰厚的增加而减小，而pb值不受冰厚的影响。
3.2.2. 张力响应
图5说明了PM1对不同冰厚的张力响应。图5（a）显示了具有20 mm冰厚的PM1的张力-时间-历史曲线；张力开始减小，然后显著增加，最后达到一个稳定状态，张力高于绝缘体之前的初始值。
- （b）
（c） （d）
（e） （f）
图4导体的位移响应（a）20毫米冰层厚度的pa的位移响应，（b）20毫米冰层厚度的pb的位移响应，（c）35毫米冰层厚度的pa的位移响应，（d）35毫米冰层厚度的pb的位移响应，（e）不同冰层厚度的pa和pb的位移，以及（f）不同IC的位移冲击系数e厚度。
破坏。张力与能量转换过程相对应。在绝缘子断裂后，势能转化为动能，再转化为导体的弹性势能。随后，能量继续在动能和势能之间转换。
（a）
（b）
- （d）
图5PM1的张力响应（a）20毫米冰厚时PM1的张力响应，（b）35毫米冰厚时PM1的张力响应，（c）张力和（d）和。
在这个过程中，阻尼会消耗能量。图5（b）显示，17.949s后，由于导线断裂，张力为零。图5（c）清楚地表明，张力随着冰厚的增加而增加。图5（b）中没有描绘出35mm冰厚下绝缘子断裂后的张力，因为在该冰厚下，绝缘子断裂导致塔线系统中的导线断裂；因此，PM1处没有张力。值得注意的是，最终张力值总是大于绝缘子断裂前的张力值。图5（d）显示，随着冰层厚度的增加，冰层厚度减小，约为1.4。减小意味着冲击作用随冰层厚度的增加而减小。此外，的值表明，无论冰荷载如何，绝缘体破损都会使PM1处的张力增加1.4倍。
3.3. 绝缘体响应
图6说明了2对不同冰厚的动力响应。图6（a）和6（b）显示了点3639的位移-时间-历史曲线，如图1所示，该点的冰厚为20 mm。图6（a）表明，在绝缘子断裂后，I2立即向C1摆动。然后，由于下落导体的冲击作用，I2向C2摆动，并最终达到向C2倾斜的稳定位置。这一结果的发生是因为在绝缘子断裂后，C2上的张力增加，导致T1上沿C2方向的张力不平衡。图6（b）显示，点3639具有向下位移，这是因为T1上增加的垂直荷载导致连接到I2上点的横臂具有向下位移。点3639的位移时间历史曲线如图所示。6（c）和6（d），向上和向左位移，因为C2的断裂降低了T1上的垂直荷载，并导致I2向左摆动。图6（e）表明，i2上的张力随着冰厚度的增加而增加，特别是对于冰厚度为35mm的最大张力，此时导体断裂。图6（f）表明，一般情况下，在绝缘子断裂前，随着冰厚的增加，冰厚度略有减小。然而，一旦冰层厚度达到35mm，C2的断裂会导致显著的增加，这表明导线断裂会使冲击作用增大。此外，由于三个跨度相等，且系统对称，因此每层冰厚约为1.5；I1断裂后，C2和C3上的重力在I2和I3之间均匀分布。
图8显示了不同冰厚下的不平衡响应。图8（a）显示了张力不平衡的绝对值随着冰厚的增加而增加。此外，当冰厚达到35mm时，张力不平衡的绝对值显著增大，张力不平衡的方向相反。这是因为c2在pm1处断裂，导致i2向c1摆动。图8（b）表明，由于绝缘体断裂，导线断裂前，通常随着冰层厚度的增加而减小。此外，当冰厚为35毫米时，这种导体的断裂会增加。
- （b）
<o
全文共13267字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</o
资料编号：[674]
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。
