西安工程大学电子信息学院 黄新波 陈子良 赵隆 徐冠华 司伟杰

　　西安电子科技大学机电工程学院 朱永灿

　　1 引言

　　在我国超高压和特高压输电线路建设过程中，输电线路铁塔不可避免地要经过开采区、软土质地区、山坡地、河床地带等特殊地域[1]，这样极易造成铁塔基础倾斜沉降、开裂、铁塔变形甚至倒塔等严重事故，给电网的安全经济可靠运行带来了巨大的经济损失。一方面，输电线路铁塔沉降使相邻两条导线之间产生张力差，造成铁塔两端纵向不平衡张力发生急剧变化，严重威胁着铁塔的安全；另一方面，铁塔沉降使绝缘子串高压侧导线发生偏移过程，使导线倾斜摆动、铁塔间距减小，严重时引发相间闪络、跳闸等事故。近年来，国内外专家和学者对铁塔沉降做了部分研究。文献[2]仅利用梁单元和板单元建立铁塔模型，采用非线性单元模拟并分析预测铁塔结构失效问题；文献[3]利用相对真实铁塔尺寸缩小为一半的次结构模型，研究了铁塔在风载荷作用下的失效形式；文献[4-6]针对采煤区输电线路运行存在的地基塌陷问题，提出了适用于基础均匀沉降的高度可调铁塔设计和地基处理等思路和理念；文献[7]采用悬点不等高状态方程方法对由铁塔沉降和倾斜引起的导线不平衡张力和绝缘子串倾斜角进行计算；文献[8-9]研究了在不同工况下铁塔杆件的轴向力和振动趋势，发现利用软件计算出的不均匀沉降量的极值小于现有规范要求，用现有的规程计算应力状态是危险的。以上研究主要集中在因塔基沉降引起的各类铁塔事故的理论仿真分析、预测和计算，以及铁塔模型结构设计改进等问题，现有的针对铁塔的沉降问题大多通过传统人工巡检方式来发现、扶正和加固。监测技术手段主要是基于倾角传感器的铁塔倾斜监测和基于卫星技术的铁塔形变监测[10-12]，但其只能间接反映铁塔整体变形较大时的受力及负荷平衡状态的参数，而对铁塔变形较小或者局部杆件屈服破坏等“隐形故障”往往不能及时发现，当发现铁塔发生故障时，输电线路已处于危险状态，威胁着线路的安全运行。本文通过对塔基沉降的模拟仿真得出了各种沉降组合下铁塔关键杆件所受最大等效应力随沉降度的变化规律，并通过采用光纤光栅解调仪测量关键杆件应变的方法[13-14]搭建测试平台对其进行了测试验证，最后根据各种沉降组合工况下关键杆件的受力情况，得到各种工况下沉降位移限值，为铁塔变形扶正、纠偏和杆件应力监测提供参考和依据，并对已经完成的研究成果做了进一步的补充。

　　2 计算模型

　　2.1 有限元模型建立

　　利用ANSYS软件建立ZM-110kV三塔两档-塔线体系有限元分析模型，见图1。模型主要由1号、3号耐张塔和2号猫头塔，输电导地线，绝缘子串三部分组成，其中，1、2号铁塔和2、3号铁塔之间的档距分别为95m和100m，高度差分别为2.9m和4.2m；各杆件材料均为角钢；1、3号耐张塔主材为Q345钢，其他辅助材均为Q235钢；2号猫头塔主材和其他辅助材均为Q235钢。考虑实际环境条件，在输电铁塔导线不覆冰、风载为10m/s工况下，对铁塔进行沉降受力分析[15-18]，铁塔模型的建立采用Beam188单元，针对导地线仅受拉不能受压的特性，采用3D杆单元Link10进行模拟，该单元仅受轴向拉力或仅受轴向压力，以此来模拟缆索或间隙，具有几何非线性。绝缘子串采用Link8单元模拟，该单元具备塑性、膨胀、应力刚化、大变形等特性。导地线与绝缘子串之间采用铰接连接，每个绝缘子串按一个单元划分，导地线按1m一个单元划分。

　　2.2 塔基沉降模拟及分析方法

　　本文仅考虑塔腿与塔基连接处紧固螺丝不发生松动、脱落下的沉降情况，其沉降通过对铁塔塔腿与塔基连接节点施加位移来模拟，并采用非线性静力学进行仿真分析。

　　2.3 塔基沉降组合工况

　　图2所示为2号猫头塔塔基结构，它主要由塔腿主材和斜材或辅材、塔身底部横材等构成。在三维空间中，铁塔各个杆件单元都具有6个自由度（3个平动，3个转动），通过约束1、3号铁塔4个塔腿与塔基连接节点的24个自由度，2号铁塔分不同塔基沉降组合工况进行加载分析，具体见图3和表1

　　注：UZ为Z向平动自由度；ROTX为X向转动自由度；ROTY为Y向转动自由度。

　　2.4 风荷载的模拟

　　考虑风荷载对输电铁塔、绝缘子串的作用，并且将静态风荷载、动态风荷载均视为静态风荷载进行考

　　虑[19]，作用在铁塔高耸结构单位面积上风荷载及作用在绝缘子串上风荷载的计算式分别为：

　　3 铁塔塔基沉降仿真分析

　　对于多档输电线路而言，其塔基沉降程度和数量引起的动力响应不相同，考虑到铁塔设计时杆件承载力都留有一定裕度，本文假定杆件承载力超过临界值的120%时，杆件发生破坏[22]。因此本文重点对塔基沉降程度和各类沉降组合工况进行了研究，得出了各类塔基沉降组合工况下所受最大等效应力的关键杆件单元及其随沉降度变化的规律。

　　3.1 塔基不沉降

　　塔基不沉降约束条件下，固定铁塔塔基A、B、C、D4个节点的所有自由度，仅受自重荷载及风荷载的作用。其中，塔线体系所受Y向弯曲应力如图4所示，图中STEP表示载荷步长，SUB表示子步，TIME表示时间，SDIR2（NOAVG）表示弯曲应力，DMX表示最大位移，SMN表示弯曲应力最小值，SMX表示弯曲应力最大值。仿真结果表明：在自重荷载及风荷载的作用下，当铁塔塔基不沉降时，铁塔杆件所受最大轴向应力

　　为24.87MPa，Y向最大弯曲应力为16.01MPa，最大等效应力为77.34MPa。

　　3.2 单个塔基沉降

　　单个塔基沉降约束条件下，固定不沉降塔基的所有自由度和沉降塔基的转动自由度，对相应沉降塔腿与基连接节点施加Z向的位移，位移按1mm进行加载，具体见图5。通过仿真得出铁塔关键杆件承受的最大等效应力随沉降值的变化曲线如图6所示。

　　仿真结果表明：当单个塔基发生沉降时，铁塔关键杆件所受最大等效应力与沉降值呈线性关系；当沉降值不超过10mm时，铁塔关键杆件所受最大等效应力已超过了临界值284MPa；由于b2和b3工况下塔基沉降处于迎风侧，故塔基沉降时关键杆件所受最大等效应力比b1和b4工况下塔基沉降时高出约1～5MPa；在b1、b2、b3、b4沉降工况下，得到其关键杆件位置分别为塔身底部横材与塔腿主材相链接的1836号、1828号、1844号、1852号单元，具体见图7。

　　3.3 2个塔基沉降

　　2个塔基沉降分横向和纵向沉降，其具体约束条件为：固定不沉降塔基的所有自由度，释放沉降塔基的转动自由度，对沉降塔腿与塔基连接节点施加Z向的位移，位移按5mm进行加载，仿真得出塔基横向和纵向沉降情况下关键杆件承受的最大等效应力随沉降值的变化曲线，见图8。

　　仿真结果表明：当2个塔基发生沉降时，铁塔关键杆件所受最大等效应力与沉降值近似呈线性关系；当沉降值超过10mm时，随着沉降值的增加，纵向沉降关键杆件所受最大等效应力的增加速率约为横向沉降的2倍。对于横向沉降而言，当沉降值不超过10mm时，关键杆件所受最大等效应力基本不变；而当沉降值接近50mm时，关键杆件承受的最大等效应力接近临界值。对于纵向沉降而言，当沉降值接近15mm时，关键杆件承受最大等效应力已经超过临界值。由此可见，铁塔发生纵向沉降比发生横向沉降更容易使关键杆件发生屈服而损坏。在c1和c2沉降工况下，得到所受最大等效应力关键杆件分别为与塔基A和塔基D相连接塔腿斜材的1809号和1793号单元；在c3和c4沉降工况下，所受最大等效应力关键杆件分别为与塔基B和塔基C相连接塔腿斜材的1801号和1817号单元，具体见图9。

　　3.4 3个塔基沉降

　　3个塔基沉降约束条件下，固定不沉降塔基的所有自由度和沉降塔基的转动自由度，对相应的沉降塔腿与塔基连接节点施加Z向的位移，位移按1mm进行加载，仿真得出关键杆件承受的最大等效应力随沉降值的变化曲线如图10所示。仿真结果表明：当3个塔基发生沉降时，其关键杆件超过屈服临界值时的沉降值不超过10mm。图11为d3沉降工况下，沉降值接近15mm时，与辅材相连接塔腿上主材1841号关键杆件单元因所受最大等效应力远超出其屈服临界值而发生变形。在d1、d2、d3、d4沉降工况下，得到所受最大等效应力关键杆件分别为辅材与塔腿主材相连接的1833号、1825号、1841号、1849号单元,具体见图12。

　　4 铁塔塔基沉降现场试验

　　搭建铁塔塔基沉降现场试验平台，平台主要由光纤应变（-500～500MPa）、温度传感器（-20～120℃）、光纤光栅解调仪、五要素气象传感器、超薄型液压千斤顶和3M黑色胶泥组成。塔基沉降模拟通过放置在

　　各个塔基与塔腿底板之间凹槽内的超薄型液压千斤顶顶起底板来实现位移的施加，光纤应变传感器焊接在铁塔关键杆件单元上，测试前需对其进行初始标定调零，最后通过光纤光栅解调仪解调并显示出由塔基沉降引起的应力值，具体塔基沉降测试示意图见图13。c1沉降工况下，光纤应变传感器焊接在与塔基A相连接的塔腿主材1756号和斜材1809号杆件单元上，其中3M黑色胶泥用来进一步保护和固定应变片两端与光纤联接处，光纤温度传感器主要是对应变进行补偿，五要素气象传感器监测现场环境参数（温度、湿度、气压以及风速、风向），记录并整理不同塔基沉降组合工况下的数据，具体如图14所示。现场测试环境参数：温度为7℃，相对湿度为47%，气压为974hPa，平均风速为1m/s，风速对铁塔造成的影响可以忽略不计。

　　测试结果表明各类塔基沉降组合工况下，光纤应变传感器测试值与仿真值的最大绝对误差分别为：单个塔基沉降时为30MPa，两个塔基横向沉降时为8MPa，两个塔基纵向沉降时为35MPa，3个塔基沉降时为30MPa；当发生单个或3个塔基沉降时，除承受最大等效应力的关键杆件相同外，由沉降引起的关键杆件承受的最大等效应力的增加速率也基本相同，均明显高于两个塔基沉降工况，并且沉降值不超过10mm时关键杆件所受最大等效应力均已超过了屈服临界值，这就很容易造成关键杆件的破坏和变形，长期运行在该工况下可能引起铁塔的局部结构出现失稳，严重时可能会引起倒塔；当两个塔基发生沉降且沉降值超过10mm时，随着沉降值的增加，纵向沉降关键杆件所受最大等效应力的增加速率约为横向沉降的两倍。

　　5 结论

　　本文通过对ZM-110kV三塔两档-塔线体系平台有限元模型在不同塔基沉降组合下进行仿真和测试验证，得出以下结论。

　　（1）当铁塔塔基沉降时，其易故障点主要集中在塔腿及塔腿与塔身连接处的主材或斜材上；随着沉降值增加，其关键杆件承受的最大等效应力近似呈线性增加。

　　（2）各种沉降组合工况下，发生单个或3个塔基沉降时，铁塔因关键杆件所受最大等效应力最先超过屈服临界值而处于危险状态。

　　（3）本文采用的铁塔沉降试验方法可以为输电线路铁塔应力的在线监测提供参考。

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　　作者简介

　　黄新波，从事智能电网输变电设备在线监测理论与关键技术、无线网络传感器等方面的研究.

　　陈子良，从事智能电网输电设备在线监测理论与关键技术方面的研究.

　　赵隆，研究方向为输电线路在线监测与故障诊断.

　　朱永灿，研究方向为输电线路在线监测与故障诊断.

　　司伟杰，研究方向为输电线路在线监测与故障诊断。