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        直流輸電線路雙柱懸索拉線塔設(shè)計(jì)

        2012-03-04 12:09:22郭峰李晨施菁華吳啟維劉瑋
        電力建設(shè) 2012年5期
        關(guān)鍵詞:雙柱陣型金具

        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.

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        [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.

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        [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.

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

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