郭峰，李晨，施菁華，吳啟維，劉瑋

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，除雙柱懸索拉線塔外的拉線塔在我國(guó)330、500 kV線路中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于拉線塔占地面積大，運(yùn)行維護(hù)工作量較大［1］，在后來(lái)工程中使用較少。

與國(guó)內(nèi)不同，美國(guó)、加拿大、南非［2］及俄羅斯［3］等國(guó)家在345～765 kV電壓等級(jí)的線路中大面積使用了拉線塔?？笨怂娋謱?duì)自力式鐵塔、拉V塔、雙柱懸索拉線塔進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性比較，結(jié)果表明雙柱懸索拉線塔經(jīng)濟(jì)性較好，其造價(jià)為自力式鐵塔的50％左右，為拉V塔的90％左右［4］。

1973年，魁北克水電局對(duì)雙柱懸索拉線塔進(jìn)行了放線、緊線和動(dòng)力問(wèn)題研究?？笨耸?nèi)詹姆斯電力系統(tǒng)的3條735 kV線路(2 000 km)采用雙柱懸索拉線塔［4］。國(guó)內(nèi)尚未有關(guān)于雙柱懸索拉線塔的研究。

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)的發(fā)展，部分輸電線路工程經(jīng)過(guò)西北戈壁荒漠地區(qū)，這些地區(qū)地形平坦，基礎(chǔ)占地費(fèi)用較低，使用拉線塔的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯。哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程，線路沿線主要為荒漠戈壁，為降低工程造價(jià)本文對(duì)雙柱懸索拉線塔的工程應(yīng)用進(jìn)行了綜合比較和研究。

本文采用有限元軟件對(duì)雙柱懸索拉線塔的動(dòng)力特性、靜力特性、拉線及金具設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行分析。雙柱懸索拉線塔在絕緣、間隙、防雷和金具方面與自立塔差別不大；在占地因素不成為制約條件的情況時(shí)，雙柱懸索拉線塔經(jīng)濟(jì)性較好，再考慮運(yùn)輸、人力等費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

1 雙柱懸索拉線塔設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

為分析雙柱懸索拉線塔的經(jīng)濟(jì)性、靜力特性、動(dòng)力學(xué)特性，本文依托哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程，按照以下輸入條件進(jìn)行直線塔設(shè)計(jì)：電壓等級(jí)為 ±800 kV；單回路；設(shè)計(jì)風(fēng)速為33 m/s；設(shè)計(jì)覆冰為5 mm；海拔高度為1 000 m；水平檔距為530 m；垂直檔距為650 m；導(dǎo)線為6×JL/ G3A－900/40；左地線為BGJ－180－20AC；右地線為OPGW－180；轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°；計(jì)算呼高為51 m。

本文采用美國(guó)Power Line System公司的Tower軟件進(jìn)行雙柱懸索拉線塔及羊角形拉線塔設(shè)計(jì)分析。此程序采用SAPS有限元分析內(nèi)核，計(jì)算中考慮幾何非線性，可以分析有大變形的柔索結(jié)構(gòu)。

1.2 鐵塔外形尺寸

雙柱懸索拉線塔在外力作用下，懸索變形較大，計(jì)算過(guò)程中必須考慮幾何非線性。各種不同負(fù)荷狀態(tài)下掛點(diǎn)的位置變化很大，造成雙柱懸索拉線塔的電氣間隙設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)桿塔，因此必須根據(jù)電氣間隙初步確定雙柱懸索拉線塔的外形尺寸。然后結(jié)合電氣負(fù)荷計(jì)算懸索各工況荷載作用下的變形，根據(jù)變形后的掛點(diǎn)位置進(jìn)行第2次電氣間隙校驗(yàn)，調(diào)整雙柱間距，以相同的方式進(jìn)行多次迭代直至滿足要求。進(jìn)而確定雙柱懸索拉線塔的外形尺寸。雙柱懸索拉線塔的塔身尺寸確定流程如圖1所示。

圖2為第1次迭代中大氣過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和工頻過(guò)電壓工況下考慮幾何非線性的懸索拉線塔的變形情況?？梢?jiàn)雙柱懸索拉線塔變形量并不大，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)過(guò)2次迭代應(yīng)該即可滿足使用要求，此部分工作量不大。

經(jīng)過(guò)2次迭代，即得到了滿足要求的鐵塔外形尺寸，最終掛點(diǎn)位移及外形尺寸如表1所示。

表1 掛點(diǎn)最終位移Tab.1 Final disp lacement of hanging points

由于本次設(shè)計(jì)鐵塔的操作過(guò)電壓和大氣過(guò)電壓工況的荷載輸入條件一致，因此掛點(diǎn)位移相同。最終計(jì)算結(jié)果：立柱支座根開(kāi)為31.9 m；立柱頂部水平距離為42.1 m；拉線正面根開(kāi)為109.2 m；拉線側(cè)面根開(kāi)為45 m；塔質(zhì)量為21 870 kg。

2 雙柱懸索拉線塔的動(dòng)力特性

采用有限元軟件ANSYS建立雙柱懸索拉線塔有限元模型，進(jìn)行桿塔動(dòng)力特性分析。在建立雙柱懸索拉線塔有限元模型中主材采用Beam188單元模擬，斜材采用Link8桿單元模擬，拉索采用Link10桿單元模擬。

雙柱懸索拉線塔的各階陣型及頻率如圖3所示，本文僅給出了拉線和支柱的前3階陣型。

圖3 雙柱懸索拉線塔陣型Fig.3 Dynam icmodels of double column suspended guyed tower

結(jié)果表明：雙柱懸索拉線塔的前16階陣型都是拉線的振動(dòng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)拉線及拉線金具進(jìn)行疲勞計(jì)算。第16階陣型之后是格構(gòu)柱的振動(dòng)，該塔的第17階和18階振型分別為垂直線路和順線路的彎曲振型，振型頻率較接近，結(jié)果與多數(shù)輸電鐵塔的計(jì)算結(jié)果相似，表明該塔型在垂直線路和順線路方向的剛度雖存在差異，但仍很接近，這對(duì)于輸電塔的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一種比較理想的情況。第18階振型為繞z向的扭轉(zhuǎn)陣型，其扭轉(zhuǎn)頻率與1階頻率比值為4.032。本次動(dòng)力分析結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)陣型出現(xiàn)的頻率為4.032 Hz，比1階陣型高200％左右，陣型頻率處于較合理的范圍。對(duì)于以縱橫向1階振型為主進(jìn)行設(shè)計(jì)的輸電塔而言，是比較合理的。

3 拉線及金具設(shè)計(jì)

拉線塔依靠拉線承受荷載和維持自身穩(wěn)定，一旦拉線元件受到破壞，鐵塔安全將受到威脅［2］。1根拉線遭破壞，鐵塔就失去穩(wěn)定，所以對(duì)拉線的設(shè)計(jì)十分必要。

雙柱懸索拉線塔的拉線計(jì)算拉力為773.586 kN，依據(jù)文獻(xiàn)［5］的拉線計(jì)算公式，在不考慮安全系數(shù)的前提下，需要選用拉線規(guī)格為2根37股(3.5 mm直徑鋼絲)公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1 570 MPa的鍍鋅鋼絞線；考慮到拉線的重要性，安全系數(shù)取2.2，這樣就需要拉線規(guī)格為3根37股(4.0 mm直徑鋼絲)公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度1 470 MPa的鍍鋅鋼絞線，這是文獻(xiàn)［3］給出的最大規(guī)格的鋼絞線。根據(jù)文獻(xiàn)［6］前言說(shuō)明，選用的鋼絲公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度級(jí)別高于日本標(biāo)準(zhǔn)［7］。

根據(jù)雙柱懸索拉線塔的拉線負(fù)荷，通過(guò)試驗(yàn)研制新型的拉線壓接線夾、拉線連接金具等連接金具。根據(jù)計(jì)算，每基雙柱懸索拉線塔的拉線及金具材料量為：拉線規(guī)格為3×37－28.0－1470A，長(zhǎng)度為64 m，分裂根數(shù)為3，組數(shù)為4，質(zhì)量為2 973 kg；拉線金具質(zhì)量為750 kg；

由以上計(jì)算可知，全塔的拉線質(zhì)量達(dá)到3.7 t，占全塔質(zhì)量的17％，相對(duì)于常規(guī)500 kV拉線塔，增大7％左右。

常規(guī)500 kV拉線塔多采用1根拉線，750 kV拉線塔使用的2根拉線。而本文鐵塔算例由于荷載大，經(jīng)計(jì)算需要采用3根拉線，需要研究拉線金具新的連接方式。選用的拉線金具連接方式如圖4所示。

4 雙柱懸索拉線塔的特點(diǎn)

自力式鐵塔、傳統(tǒng)拉線塔和雙柱懸索拉線塔的特點(diǎn)綜合比較如表2所示。

通過(guò)綜合比較可知，3種塔型在絕緣、間隙、防雷和金具方面差別不大；雙柱懸索拉線塔經(jīng)濟(jì)性較好，考慮運(yùn)輸、人力等費(fèi)用，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

由于拉線塔塔基影響面積較大，國(guó)內(nèi)500 kV及以上線路中已經(jīng)很少使用拉線塔。但是，哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程沿線主要為戈壁荒漠地區(qū)，對(duì)工程占地問(wèn)題不敏感，而且隨著西部大開(kāi)發(fā)的深入發(fā)展，經(jīng)過(guò)荒漠戈壁地區(qū)的輸電線路工程將逐漸增多，在此類(lèi)工程中應(yīng)用拉線塔的經(jīng)濟(jì)性將更加明顯。

5 結(jié)論

(1)雙柱懸索拉線塔在外力作用下，懸索變形大，計(jì)算過(guò)程中必須考慮懸索的幾何非線性。雙柱懸索拉線塔的設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)桿塔，需結(jié)合電氣負(fù)荷計(jì)算懸索各工況荷載作用下的變形，進(jìn)行電氣間隙校驗(yàn)，確定鐵塔的外形尺寸。

(2)雙柱懸索拉線塔的前16階陣型都是拉線的振動(dòng)，設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)對(duì)拉線及拉線金具進(jìn)行疲勞計(jì)算。

(3)需要通過(guò)試驗(yàn)，研制新型的拉線壓接線夾、拉線連接金具等連接金具以滿足雙柱懸索拉線塔的需要。

(4)通過(guò)綜合比較可知，自力式鐵塔、傳統(tǒng)拉線塔和雙柱懸索拉線塔3種塔型在絕緣、間隙、防雷和金具方面差別不大；對(duì)于荒漠戈壁區(qū)域雙柱懸索拉線塔經(jīng)濟(jì)效益明顯。

［1］林鳳羽.對(duì)500 kV輸電線路拉線塔使用的建議［J］.電力建設(shè)，1997(2)：30-31.

［2］李慶龍.國(guó)家電力公司赴南非輸電線路考察團(tuán)考察報(bào)告［R］.北京：國(guó)家電力公司，2000.

［3］錢(qián)慶林.俄羅斯電力系統(tǒng)及電網(wǎng)技術(shù)介紹［J］.山東電力技術(shù)，2008(3)：13-18.

［4］丁景發(fā).加拿大735 kV軟橫索懸掛鐵塔輸電線路的設(shè)計(jì)和建造［J］.電力技術(shù)，1991(1)60-63.

［5］張殿生.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［6］YB/T 5004—2001鍍鋅鋼絞線［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［7］JISG3537—1994 Zinc-coated steelwire strands［S］.日本：日本標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

［8］丁保民.單柱拉線塔分解組立技術(shù)解析［J］.山東電力高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2001(1)：22-25.

［9］賈德福.500 kV拉貓塔拉線松馳淺析與調(diào)整［J］.華東電力，1990 (12)：27-30.

［10］ASCE 10—97 Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.ASCE，1997.