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输电线路覆冰失效分析

文档作者：刘纯，胡彬文档来源：湖南省电力公司试验研究院		点击数：	更新时间： 2025年07月12日
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研究与试验 湖南电力 第28卷／2008年第1期
输电线路覆冰失效分析
刘纯，胡彬
(湖南省电力公司试验研究院，湖南长沙410007)
摘要：在输电塔线体系的设计过程中，导线和铁塔结构是分开进行设计的。由于对铁
塔的纵向不平衡张力缺乏有效的计算方法，通常是根据规程取导线最大使用张力的比例
进行校核。然而，不平衡张力是危害输电线路安全稳定运行的重要因素之一，精确计算
由档距、高差和不均匀荷载引起的纵向不平衡张力有着重要的意义。文中应用梁单元和
索单元对输电铁塔和导线建立整体单元模型，对输电塔线体系结构覆冰荷载进行有限元
计算，分析了均匀覆冰荷载下铁塔的极限承载力，对在实测不均匀覆冰荷载下的倒塔失
效原因进行了分析，指出了输电线路中的薄弱点，对铁塔提出了提高冰厚等级改造的建
议。
关键词：输电线路；有限单元方法；极限承载力；失效分析；覆冰
中图分类号：TM852 文献标识码：A 文章编号：1008—0198(2008)01—0006～03
Failure analysis of iced power transmission line
LIU Chun，HU Bin
(Hunan Electric Power Test and Research Institute，Changsha 410007，China)
Abstract：During EHV transmission system towels and lines design，the structure of conductors an d towers WaS de—
signed independently．Because of the difficulty tO calculate the longitudinal unbalanced tension of towers，it is generally
verified by taking the percentage of the co nductor rnfl~mum design tension according tO regulations．However，the un—
ba lanced tension is one of the important factors impacting the safety of transmission lines，SO accurate calculating the
long itudina l unba lanced tension caused by span，height difference，and uneven load is meaning fu【-In this paper，the
beam element and the cable element were used to establish integral unit model，spatial finite element calculation of icing
load for transmission system was conducted ，and the ultimate Ioad-carrying capacity was ca[cu[ated under the even ice
load circumstan ce，and the causes for co llapsed towers were ana lyzed under the COndition of real uneven icing load，The
weakness of the transmission line Was pointed Out and mod ification propo sals were presented．
Key words： po wer transmission line；finite element method ；ultimate load-carrying capacity~failure analysis；ice load
1 引 言
超高压输电塔一线体系是输电线路的主体，是
远程电力传输的主要载体。它由输电铁塔、导线、
地线、光缆、绝缘子、金具等组成。这种结构的显
著特点是由导线和各个输电杆塔连接而成为连续
体。
通常，输电线路的失效多为覆冰荷载引起。在
输电体系的研究中，应该把输电铁塔和导线作为一
个整体考虑。然而，在现行输电结构的设计过程
收稿日期：2007—10-09
中，导(地)线与铁塔结构通常是分开设计的。一
般前者由电气专业的工程师设计，然后把导(地)
线荷载提供给结构工程师，当作外力加于铁塔上，
对铁塔进行设计计算，该设计方法通常忽略导
(地)线与输电铁塔之问的耦合作用。
文中以五民线352~354号段塔线体系结构为
例，建立铁塔、导(地)线、光缆和绝缘子整体有
限元模型，分析在覆冰荷载下的应力和位移变化情
况，计算该耐张段的极限覆冰荷载和分析铁塔倒塌
破坏的原因0叫)。
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第28卷／2008年第1期 湖南电力 研究与试验
2 五民线倒塔段铁塔和导线参数
五民线全长173．6 km，铁塔452基，由湖南
省送变电建设公司负责施工，1995年底投产运行，
益阳电业局、娄底电业局共同承担该线路运行维护
工作，娄底电业局线路管理所负责352~452号段，
共40．258km。计算事故段为352~--354号塔，位于
长沙市宁乡县巷子口镇九亩村，设计覆冰厚度为
2O mm 。
在覆冰失效中，352号塔从下曲臂平口以下一
段处坍塌扭断，向353号方向倒落；353号从下曲
臂平口处向352号方向倒落，左边下曲臂未掉落；
354号从下曲臂平口处向353号方向断落。事故段
断面图如图1所示。
图1 五民线352~354号塔事故段断面图
该事故段输电铁塔塔材型钢构件主要采用
Q345(16Mn)钢和Q235(A3F)钢，设计覆冰
厚度为2o mm，以30 mm覆冰进行校核。输电导
线为四分裂导线，型号为LGJ-300／50，地线型号
为GJ-100 。铁塔的塔型及相关参数如表1所示。
表1 五民线塔型参数 m
3 输电塔——线结构模型
3．1 输电铁塔
输电铁塔一般由单角钢用螺栓偏心连接而成。
由于单角钢为对称截面的薄壁构件，加之输电铁塔
结构型式及构造的多样性，承受的荷载工况多而复
杂，要对其受力性能进行精确的分析比较困难。由
于输电铁塔按空间桁架法分析不能准确计算其极限
承载力，而是考虑节点连接刚度的影响，应用一般
薄壁梁单元分析，并考虑几何、材料非线性的影
响 ～ ”。
3．2 输电导线
架空输电导线由于2个悬挂点间的距离很大，
电线材料的刚性对电线悬挂于空中的几何形状影响
很小，在分析过程中常应用“悬链线”模型。
输电导线的求解是根据无抗弯导线段的控制微
分方程，应用索单元将大跨距导线离散，使每个索
单元的矢跨比远远小于整个索链的矢跨比，从而采
用小挠度模型的计算理论来分析各个索单元。
4 覆冰有限元计算
4．1 均匀覆冰
导线覆冰均匀，计算随导线覆冰厚度增加各塔
承受的最大压应力，找到临界覆冰厚度。在覆冰厚
度为42．5 mm时，352号塔承受的最大压应力达
到材料的屈服极限。五民线事故段在覆冰厚度为
42。5mm时塔线整体位移如图2所示，此时352号
图2 覆冰42．5 mm 时五民线352~354号段
各塔位移图
塔向大号侧倾斜，353号塔向小号侧倾斜，354号
塔向小号侧倾斜，其中352号塔的位移最大，达
0．1 m，353号塔次之，354号塔的位移最小。352
号塔大号侧上曲臂下部主材压应力最大，为
346 MPa，该塔将最先屈服倒塔。
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研究与试验 湖南电力 第28卷／2008年第1期
4．2 不均匀覆冰
根据娄底电业局线管所倒塔时现场实测冰情，
当时大雨夹雪，温度一3℃，北风，风速10 m／s。
352～355号段覆冰超过8O mm，353号塔两侧导
线2个档距约100 m范围内四分裂导线形成冰柱。
对塔线单元模型施加实测荷载进行计算，事故
段各塔的位移如图3所示，此时352号塔向大号侧
倾斜，353号塔向小号侧倾斜，354号塔向小号侧
倾斜，其中353号塔的位移最大，达0．177 m，352
号塔次之，354号塔的位移最小。
图3 不均匀覆冰五民线352号～354号段
各塔位移图
此时，352号塔大号侧上曲臂下部主材压应力
最大，为345 MPa，353号塔小号侧下曲臂上部主
材压应力为326 MPa，354号塔小号侧下曲臂上部
主材压应力为234 MPa。
这时，352号塔承受的压应力达到屈服极限，
将首先失稳倒向大号侧；由于353号塔本来就承受
了很大的不平衡张力，最大压应力为326 MPa，随
着352号塔的倒塌，352号～353号塔问的导、地
线重心向353号塔侧倾斜，在导、地线下落10 m
时，353号塔小号侧下曲臂上部主材压应力为
350 MPa，达到屈服极限，也将失稳倒向小号侧，
从而拉倒与之相邻的354号塔。
5 结论及建议
对五民线352~354号塔事故段而言，当均匀
覆冰厚度为40 mm时，各塔强度满足要求；当覆
· 8 ·
冰厚度为42．5 mm时，导线不平衡张力使352号
塔首先失稳。
实测荷载计算表明，由于353号塔两侧导线局
部覆冰形成冰柱，且整个塔线分布于山头南北两
侧，导、地线不均匀覆冰严重，承受的垂直荷载和
不平衡张力都较大，352号塔次之，354号塔最小。
由于353 号塔型(ZBT23) 比352号塔型
(ZBT21)强度高，故352号塔承受的最大压应力
大，最先超过材料的屈服极限而失稳倒塌；352号
塔的倒塌造成大号侧导线松弛、重心向353号塔倾
斜，另一方面353号塔本来承受的压应力就很大，
当导、地线下落10 m左右时353号塔将失稳倒向
小号侧，从而拉倒相邻的354号塔。由于351号塔
(JGT2-24)为转角干字形塔，抗不平衡张力强，
故仅中相均压环扭曲变形。
综上所述，为了提高五民线352 354号塔事
故段抗不均匀覆冰能力，建议对事故段输电铁塔提
高冰厚等级重新改建。
参考文献
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