(西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

一般復(fù)合材料橫擔(dān)與塔身通常設(shè)計成自由轉(zhuǎn)動型或完全約束型。自由轉(zhuǎn)動型通過橫擔(dān)轉(zhuǎn)動釋放張力，經(jīng)濟(jì)性較好，但其一旦受到不平衡張力就開始隨機(jī)轉(zhuǎn)動，增加了施工及運(yùn)維難度。完全約束型剛度較好，但在導(dǎo)線發(fā)生縱向不平衡張力時(如事故斷線、不均勻覆冰等)，由于不平衡張力無法釋放，導(dǎo)致橫擔(dān)及塔身受力較大，使復(fù)合材料及鋼材用量增加[1-4]。

下面通過對橫擔(dān)及塔身連接的優(yōu)化，提出了可控轉(zhuǎn)動“V”串方案，即通過賦予橫擔(dān)轉(zhuǎn)動啟動閾值來控制橫擔(dān)的轉(zhuǎn)動。當(dāng)張力差小于閾值時，橫擔(dān)不轉(zhuǎn)動；當(dāng)張力差大于閾值時，啟動轉(zhuǎn)動：既可避免橫擔(dān)的隨機(jī)轉(zhuǎn)動，又可以有效降低桿塔荷載。可控轉(zhuǎn)動方案集中了完全約束型和自由轉(zhuǎn)動型的優(yōu)點(diǎn)，為使該方案能夠簡便可行地在工程中實現(xiàn)，對其結(jié)構(gòu)布置、工作原理、荷載取值進(jìn)行了分析，提出了可供參考的設(shè)計方法。

1 傳統(tǒng)方案

1.1 自由轉(zhuǎn)動方案

自由轉(zhuǎn)動方案中橫擔(dān)采用平面結(jié)構(gòu)，受壓支柱與塔身鉸接，當(dāng)橫擔(dān)受到不平衡力(包括0°大風(fēng)、不均勻冰、斷線)時開始轉(zhuǎn)動，當(dāng)相鄰檔通過檔距變化達(dá)到張力平衡后，則橫擔(dān)停止轉(zhuǎn)動。自由轉(zhuǎn)動原理及支座如圖1所示。

圖1 自由轉(zhuǎn)動方案

采用自由轉(zhuǎn)動方案時，通過復(fù)合橫擔(dān)的轉(zhuǎn)動，可釋放縱向張力，降低復(fù)合材料及鋼材用量，因此能有效降低投資，但其在使用時仍存在以下弊端：

1)根據(jù)靈州—紹興±800 kV特高壓直流線路工程經(jīng)驗，由于自由轉(zhuǎn)動橫擔(dān)無最小轉(zhuǎn)動閾值，一旦存在不平衡張力，橫擔(dān)即啟動轉(zhuǎn)動，由于這種轉(zhuǎn)動毫無規(guī)律，給運(yùn)維帶來一定的困擾。

2)橫擔(dān)轉(zhuǎn)動后，依靠檔距變化來平衡張力。對于檔距減少的檔，弧垂將增加；檔距增大的檔，弧垂將減小。根據(jù)電氣計算結(jié)果，對于連續(xù)七檔模型，在各工況下由于檔距變化會造成弧垂增加約1.0～2.0 m，因此采用轉(zhuǎn)動橫擔(dān)時，對地距離應(yīng)留有適當(dāng)裕度。

3)采用復(fù)合橫擔(dān)架設(shè)導(dǎo)線時，需要設(shè)置臨時拉線，不然橫擔(dān)容易轉(zhuǎn)動，不易確定弧垂高度。臨時拉線需在塔身設(shè)置掛點(diǎn)，施工后必須及時拆除，臨時拉線的夾角也要精確計算，不然將影響橫擔(dān)受力或產(chǎn)生變形，在一定程度上增加了施工難度。

1.2 完全約束方案

完全約束方案中由于不能通過懸垂串轉(zhuǎn)動和橫擔(dān)轉(zhuǎn)動來釋放縱向張力，橫擔(dān)要承受較大的縱向張力。而采用平面結(jié)構(gòu)時受壓絕緣支柱同時受雙向壓彎作用，會導(dǎo)致選擇支柱截面變大，費(fèi)用增加約120%，且加工困難。所以完全約束方案一般采用空間結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

該方案在新疆與西北主網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)750 kV第二通道輸變電工程成功應(yīng)用。以某750 kV線路工程三型直線塔為例，選材結(jié)果及與自由轉(zhuǎn)動方案造價對比見表1、表2[5-6]。

圖2 完全約束方案

表1 受壓絕緣支柱選材對比

表2 完全約束方案與自由轉(zhuǎn)動方案的經(jīng)濟(jì)性對比

注：1)完全約束方案的張力均按照規(guī)范取值；
2)自由轉(zhuǎn)動方案已考慮橫擔(dān)轉(zhuǎn)動時弧垂降低的影響。

由表1可知，采用完全約束方案時，由于絕緣支柱水平放置，其內(nèi)力在原有垂直荷載、風(fēng)荷載的基礎(chǔ)上，需要疊加斷線張力，其內(nèi)力遠(yuǎn)大于自由轉(zhuǎn)動方案。

由表2可知，與自由轉(zhuǎn)動方案相比，完全約束方案的塔重增加約4%，受壓支柱重量是自由方案的2.4倍，綜合投資較自由轉(zhuǎn)動方案增加21%。

此外，由于絕緣子串長變短，相同排位情況下，由不均勻覆冰或斷線產(chǎn)生的不平衡張力較常規(guī)串長時要大。以檔距500 m、無高差、七檔連續(xù)耐張段為研究對象，分別計算不均勻覆冰下的不平衡張力。結(jié)果表明：不均勻覆冰時，最大不平衡張力為最大使用張力的17%，斷線張力為最大使用張力的50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)鋼制橫擔(dān)不均勻覆冰時不大于10%和斷線時不大于20%的要求。因此，考慮絕緣子串長因素后，完全約束方案投資還將大幅增加。

2 可控轉(zhuǎn)動“V”串方案

為避免較小不平衡張力帶來的無序轉(zhuǎn)動以及完全約束時選材過大、造價較高的弊端，可采用可控轉(zhuǎn)動方案，即給復(fù)合橫擔(dān)設(shè)定一定的轉(zhuǎn)動閾值，當(dāng)縱向張力小于該值時，橫擔(dān)不轉(zhuǎn)動，靠自身傳遞張力；當(dāng)縱向張力大于該值時，橫擔(dān)啟動轉(zhuǎn)動，直到兩側(cè)張力達(dá)到平衡。

《架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》中第3.3.6條對轉(zhuǎn)動橫擔(dān)啟動值進(jìn)行了要求：轉(zhuǎn)動橫擔(dān)或變形橫擔(dān)的啟動力，應(yīng)滿足運(yùn)行和施工的安全要求。一般110 kV線路采用標(biāo)準(zhǔn)值2～3 kN；220 kV線路采用標(biāo)準(zhǔn)值5～6 kN[5]。而對500 kV及以上交流輸電線路沒有規(guī)定，下面將重點(diǎn)探討可控轉(zhuǎn)動的實施方案及轉(zhuǎn)動閾值的取值問題。

2.1 方案布置及工作方式

方案布置及三維效果圖見圖3、圖4。上平面絕緣子采用“V”型布置，且每串絕緣子采用兩根以上的獨(dú)立復(fù)合絕緣子，并通過鉸點(diǎn)連接?！癡”串夾角可根據(jù)需要修改，“V”串只承受拉力，一旦受壓即退出工作，并能通過鉸點(diǎn)使兩根獨(dú)立復(fù)合串彎折來實現(xiàn)橫擔(dān)轉(zhuǎn)動。下平面采用單肢受壓絕緣子串，可承受壓力，并通過與塔身鉸接來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。垂直荷載G、水平力H在“V”串平面內(nèi)形成合力Tv，使上平面絕緣子串受拉。當(dāng)不平衡力T與Tv的合力Tc的反向延伸線在”V”串夾角范圍內(nèi)時，兩串同時受力；當(dāng)延伸線在夾角范圍外時，一串受壓退出工作(圖3，AC線)，另一串受拉(AB線)，則與下平面受壓支柱一起開始繞OB軸轉(zhuǎn)動，此時受力同自由轉(zhuǎn)動方案。在某一工況下，垂直荷載和水平荷載的合力是一定的，隨著不平衡張力的增加，合力的方向在不斷調(diào)整，當(dāng)合力的延長線與某一串重合時，則此串受拉，另一串受力為0，定義此時的不平衡張力為轉(zhuǎn)動閾值；當(dāng)不平衡力繼續(xù)增大時，橫擔(dān)轉(zhuǎn)動，其平衡則由兩側(cè)檔距變化控制。

圖3 “V”串方案布置

圖4 “V”串三維效果

圖5 “V”串方案工作原理

圖6 “V”串方案工作原理三維圖

表3 V串夾角與轉(zhuǎn)動閾值關(guān)系

2.2 實例計算及技經(jīng)比較

以某750 kV線路工程三型直線塔為例，求得在不同工況下，不同的V串夾角時的轉(zhuǎn)動閾值，并與最大使用張力進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示。

由于90°大風(fēng)及覆冰時無縱向張力，因此計算轉(zhuǎn)動閾值時不考慮該工況，僅計算有縱向張力的0°大風(fēng)、不均勻覆冰以及斷線工況。由于上下導(dǎo)線高度差不多，因此，可近似認(rèn)為0°大風(fēng)時順線路方向風(fēng)荷載相等，復(fù)合橫擔(dān)上平面與水平面的夾角均按25°計算。從計算結(jié)果來看，主要有以下結(jié)論：

1)隨著V串夾角的增大，轉(zhuǎn)動閾值增大；

2)為實現(xiàn)0°大風(fēng)時橫擔(dān)不轉(zhuǎn)動，不均勻覆冰時盡量不轉(zhuǎn)動，斷線時可自由轉(zhuǎn)動，通過比較不同V串夾角的轉(zhuǎn)動閾值，可選取40°作為最優(yōu)V串夾角。

可控轉(zhuǎn)動“V”串方案與自由轉(zhuǎn)動及完全約束方案相比，工程投資對比如表4所示。

表4 橫擔(dān)結(jié)構(gòu)方案比較

從表4可知，采用完全約束方案雖然運(yùn)行及施工操作簡單，但投資增幅較大，不推薦采用；采用可控轉(zhuǎn)動方案，既能控制大風(fēng)時不轉(zhuǎn)動、不均勻覆冰時部分橫擔(dān)轉(zhuǎn)動，也能釋放斷線時的張力差，集中了自由轉(zhuǎn)動方案及完全約束方案的優(yōu)點(diǎn)，而投資只在自由轉(zhuǎn)動方案的基礎(chǔ)上增加約0.3%，且施工操作簡便，可實施性強(qiáng)。因此，采用可控轉(zhuǎn)動V串方案是可行的。

2.3 荷載取值

采用可控轉(zhuǎn)動復(fù)合橫擔(dān)后，風(fēng)荷載及垂直荷載計算與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)橫擔(dān)一致，區(qū)別在于縱向張力。復(fù)合橫擔(dān)承受的最大縱向張力為轉(zhuǎn)動閾值對應(yīng)的張力，不同的“V”串夾角對應(yīng)的張力不同，不同工況下對應(yīng)的張力也不同，可根據(jù)轉(zhuǎn)動閾值計算不同張力差下的塔重情況，以求得可控轉(zhuǎn)動方案對于不均勻覆冰時的適用情況。

計算的主要工況如下所示：

3)工況3：覆冰，縱向張力為0。

4)工況4：不均勻覆冰，縱向張力分別為最大使用張力的5%、10%、15%、20%。

5)工況5：斷線，橫擔(dān)轉(zhuǎn)動直至張力平衡，橫擔(dān)承受部分張力。

各橫擔(dān)在不均勻覆冰時的轉(zhuǎn)動閾值如表5所示。

表5 各橫擔(dān)不均勻覆冰時的轉(zhuǎn)動閾值

不同張力差下橫擔(dān)的受力情況如表6所示。不同張力下的塔重比較如表7所示。

表6 計算工況列表

注：不平衡張力為0時，代表橫擔(dān)已轉(zhuǎn)動。

表7 不同張力下的塔重比較

從表7可以看出，隨著不平衡張力增加，塔重在逐漸增大，但是變化幅度較小。因此，建議在設(shè)置轉(zhuǎn)動閾值時，應(yīng)盡量增大V串夾角，使得轉(zhuǎn)動閾值增大，從而在不均勻覆冰工況下橫擔(dān)不轉(zhuǎn)動或較少轉(zhuǎn)動。但由于過大的V串夾角，將使得隔面支架伸長較多，一方面增加塔重，另一方面構(gòu)造也較困難。因此，針對此三型直線塔，可取最大使用張力的10%作為最優(yōu)轉(zhuǎn)動閾值，對應(yīng)的V串夾角為40。

3 結(jié) 論

前面分析了傳統(tǒng)復(fù)合材料橫擔(dān)的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了可控轉(zhuǎn)動方案，在投資金額基本相當(dāng)?shù)那闆r下，可有效克服傳統(tǒng)復(fù)合橫擔(dān)運(yùn)維困難或造價高的問題。同時對可控轉(zhuǎn)動方案的布置及運(yùn)行方式進(jìn)行了研究，并提供了簡單可行的操作方法。通過對可控轉(zhuǎn)動方案荷載取值的研究，得出了轉(zhuǎn)動閾值的取值建議，為新型可控轉(zhuǎn)動復(fù)合橫擔(dān)的推廣提供了一定的理論依據(jù)。