韓大剛，劉洪昌，馮勇，李美峰，肖兵，肖洪偉，楊洋

(西南電力設(shè)計(jì)院，成都市 610021)

0 引言

重冰區(qū)輸電線路由于導(dǎo)、地線覆冰、脫冰的多變性和不均勻性，使得導(dǎo)、地線易發(fā)生舞動(dòng)或跳躍，進(jìn)而可能導(dǎo)致閃絡(luò)跳閘事故。因此，國(guó)內(nèi)外重冰區(qū)線路一般采用單回導(dǎo)線水平排列的布置方式，當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)、地線不均勻脫冰隨機(jī)跳躍時(shí)，各相具有足夠的安全間距。

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，輸電走廊資源日益匱乏，為了充分利用有限的輸電通道，在我國(guó)西南等易覆冰區(qū)采用同塔雙回的輸電方式也迫在眉睫。

由于重冰區(qū)同塔雙回導(dǎo)、地線覆冰和脫冰的復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外關(guān)于此方面的研究十分匱乏，世界上尚無500kV交流超高壓線路應(yīng)用同塔雙回輸電的先例。

鑒于重冰區(qū)同塔雙回輸電設(shè)計(jì)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，西南電力設(shè)計(jì)院在已有的單回路重冰區(qū)輸電線路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展了一系列的同塔雙回路重冰區(qū)的設(shè)計(jì)研究工作，其核心內(nèi)容是重覆冰輸電線路脫冰動(dòng)力響應(yīng)研究、桿塔型式和設(shè)計(jì)研究。本文以國(guó)內(nèi)某20 mm重冰區(qū)輸電工程首次采用的同塔雙回耐張塔SJB4261為例，分析重冰區(qū)同塔雙回的桿塔設(shè)計(jì)及試驗(yàn)情況。

1 SJB4261鐵塔設(shè)計(jì)概況

SJB4261鐵塔是該輸電線路工程20 mm重冰區(qū)中較典型且使用量較大的一種耐張塔，作為世界上首次在500kV重冰區(qū)輸電線路應(yīng)用的塔型，其安全可靠性、設(shè)計(jì)合理性對(duì)后續(xù)重冰區(qū)同塔雙回路的設(shè)計(jì)具有里程碑意義。因此，在工程應(yīng)用前，對(duì)該塔型做了較為全面的設(shè)計(jì)分析和重要工況的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.1 鐵塔基本參數(shù)

SJB4261試驗(yàn)塔依據(jù)《重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》［1］、《110 kV ～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］和中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)公司科技項(xiàng)目的相關(guān)成果［3］進(jìn)行設(shè)計(jì)。

鐵塔的設(shè)計(jì)風(fēng)速為30 m/s(距地10 m高)，設(shè)計(jì)覆冰20 mm，導(dǎo)線采用4×LGJ－630/45，地線采用OPGW－140B，水平檔距250/350 m，垂直檔距500/700(－300/0)m，轉(zhuǎn)角度數(shù)為0°～15°。鐵塔外形如圖1所示。

圖1 SJB4261鐵塔一覽圖Fig.1 General map of SJB4261 tower

1.2 鐵塔設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.2.1 塔頭尺寸

由于SJB4261鐵塔是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于500kV重冰區(qū)同塔雙回路線路，與常規(guī)的單回路重冰區(qū)鐵塔相比，其塔頭尺寸的確定是鐵塔設(shè)計(jì)首要解決的問題。

通過采用數(shù)值模擬分析手段［4］得出了重冰區(qū)導(dǎo)地線脫冰跳躍和覆冰舞動(dòng)的規(guī)律，塔頭的電氣性能尺寸如表1所示。

表1 SJB4261耐張塔塔頭尺寸Tab.1 Head size of SJB4261 strain tower

1.2.2 桿塔布置型式

對(duì)于重冰區(qū)雙回路直線塔，根據(jù)電氣性能的要求，可采用水平排列、三角形排列和垂直排列3種方式，如圖2所示，其線間相對(duì)位移不應(yīng)低于表2中的數(shù)值。

圖2 重冰區(qū)同塔雙回塔型導(dǎo)線布置型式Fig.2 Conductor arrangement of double-circuit transmission line in heavy icing area

表2 重冰區(qū)雙回路直線塔塔頭電氣尺寸Tab.2 Electrical size of strain tower's head of double-circuit transmission line in heavy icing area

由圖2中3種布置型式可以看出，垂直排列方式占用走廊寬度最小，且由于重冰區(qū)線路多在高陡山區(qū)，垂直排列方式橫擔(dān)長(zhǎng)度最短，適宜山區(qū)走線，而其他排列方式橫擔(dān)較長(zhǎng)則可能導(dǎo)致邊線或風(fēng)偏對(duì)地距離不足而對(duì)地開方或加高鐵塔。由表3可見對(duì)于山區(qū)常見20°坡度，為滿足邊線對(duì)地距離要求，與平地相比3種排列方式塔高分別增加9，6，3 m，采用垂直排列方式塔重指標(biāo)最優(yōu)。

表3 導(dǎo)線排列方式對(duì)比分析表Tab.3 Comparison of conductors'arrangement

此外，橫擔(dān)較短的鐵塔在重冰區(qū)承受不均勻覆冰產(chǎn)生的扭力時(shí)，抗變形能力較好，因此，重冰區(qū)同塔雙回線路首選導(dǎo)線垂直排列的布置型式。

1.2.3 單雙回路經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

由表4可以看出，500kV線路20 mm重冰區(qū)采用同塔雙回輸電較2個(gè)單回本體投資增加41%，雖然理論上采用雙回不如2個(gè)單回經(jīng)濟(jì)，但采用雙回一方面可以節(jié)約線路走廊，減少房屋拆遷、走廊清理、林木砍伐等，避免了因環(huán)境破壞帶來的社會(huì)問題;另一方面，在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于走廊資源十分擁擠的區(qū)段，2個(gè)單回與1個(gè)單回的投資并不是簡(jiǎn)單的2倍關(guān)系，由于較多的房屋拆遷和征地費(fèi)用，2個(gè)單回的總投資反而比1個(gè)雙回要高。此外有些重冰區(qū)段的走廊資源僅能容納1條輸電線路，因此經(jīng)過該類地區(qū)的大容量輸電線路必須采用同塔雙回輸電方式。

表4 單雙回路經(jīng)濟(jì)性對(duì)比表Tab.4 Economic contrast between single circuit and double circuit

1.2.4 構(gòu)件斷面型式及材質(zhì)

目前常用鐵塔構(gòu)件斷面型式為角鋼和鋼管，雖然鋼管具有截面特性好、承載能力高、塔重較小的優(yōu)勢(shì)，但考慮重冰區(qū)線路多處于人煙罕至的高山大嶺，鋼管塔材的運(yùn)輸及組裝十分困難。因此，對(duì)于重冰區(qū)雙回路鐵塔主材可采用應(yīng)用十分成熟的Q420高強(qiáng)度大規(guī)格角鋼、受力較小的斜材采用Q345、Q235常規(guī)角鋼。

SJB4261試驗(yàn)塔呼高33 m，全高78.5 m，全塔質(zhì)量192.4 t，腿部主材規(guī)格為Q420大規(guī)格角鋼2L220×26B，構(gòu)件連接螺栓M16、M20采用6.8級(jí)，M24采用8.8級(jí)。

2 SJB4261鐵塔試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)工況

SJB4261采用基于桿單元模型的道亨滿應(yīng)力設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算和選材，根據(jù)主要桿件內(nèi)力的控制工況，選取了9種工況進(jìn)行試驗(yàn)，包含了重冰區(qū)鐵塔設(shè)計(jì)的斷線、不均勻冰、錨線、大風(fēng)和覆冰等典型工況，試驗(yàn)順序和工況名稱如表5所示。

表5 試驗(yàn)工況及控制構(gòu)件表Tab.5 Test conditions and control members

2.2 試驗(yàn)加荷原則及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)工況1～8的橫向、縱向、垂直荷載按0—50%—75%—90%—95%—100%—0順序加荷。

工況9為試驗(yàn)塔的超載工況，其荷載按0—50%—75%—90%—95%—100%—105%—110%—115%—120%—0的順序加荷。

SJB4261試驗(yàn)塔共布置了12個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，分別在地線支架、橫擔(dān)的端部和主材節(jié)點(diǎn)上，如圖3中a～m所示;應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共31個(gè)，共計(jì)應(yīng)變片136片，分布在受力復(fù)雜的斜材和關(guān)鍵部位的主材上，如圖3中1～31所示。

試驗(yàn)順利完成了1～9個(gè)工況的荷載測(cè)試，結(jié)合試驗(yàn)中采集的大量位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，下文基于有限元方法和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

3 SJB4261鐵塔試驗(yàn)分析

由于重冰區(qū)同塔雙回鐵塔的主材及與主材相連的斜材均受力較大，塔身主、斜材連接的螺栓數(shù)量通常達(dá)到4顆以上。文獻(xiàn)研究表明［5］當(dāng)主斜材連接超過2顆螺栓時(shí)，節(jié)點(diǎn)面內(nèi)彎矩與節(jié)點(diǎn)全剛接時(shí)極限彎矩的比值在70%以上，而采用常規(guī)桿單元分析模型無法模擬桿件由于節(jié)點(diǎn)螺栓群的約束產(chǎn)生的彎矩。

1000kV鋼管塔試驗(yàn)［6-8］表明，在構(gòu)件截面剛度較大時(shí)，次彎矩對(duì)鐵塔受力的影響不容忽視。由于重冰區(qū)同塔雙回鐵塔負(fù)荷較大，主材桿件的截面積較常規(guī)500kV輸電線路的轉(zhuǎn)角塔大1倍以上，為了充分考查不同單元模型與鐵塔受力的影響，文中分別建立了桿單元、梁?jiǎn)卧⒘海瓧U混合單元(主材為梁?jiǎn)卧?，斜材為桿單元)的有限元模型，以便充分探索主、斜材連接螺栓較多時(shí)和主材構(gòu)件截面剛度較大時(shí)次彎矩對(duì)鐵塔受力的影響，圖4為該試驗(yàn)塔ANSYS有限元分析模型。

圖3 位移及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Arrangement of displacement and strain measuring points

分析計(jì)算時(shí)，桿單元采用LINK8單元、梁?jiǎn)卧捎肂EAM188單元，鋼材的彈性模型取2.06×105N/mm2，泊松比取0.3?？紤]重冰區(qū)鐵塔受力后存在較大的結(jié)構(gòu)變形，有限元分析也進(jìn)行了非線性計(jì)算，非線性分析時(shí)，構(gòu)件采用理想彈塑雙折線本構(gòu)模型，并打開NLGEOM選項(xiàng)，計(jì)入大變形的幾何非線性影響。

3.1 變形分析

繪制測(cè)點(diǎn)在各工況荷載作用下的位移實(shí)測(cè)值如圖5所示?？梢钥闯龈鳒y(cè)點(diǎn)x、z最大位移出現(xiàn)在工況9，工況8控制各測(cè)點(diǎn)的y向位移。

b、i、j、k、m 共5 處典型測(cè)點(diǎn)分布于不同高度的主材上，其x方向位移能夠體現(xiàn)鐵塔的整體變形;a～h共8處典型測(cè)點(diǎn)對(duì)稱分布于地線支架和橫擔(dān)兩端，其變形能夠很好體現(xiàn)鐵塔在不均勻冰扭矩作用下的y向變形;b、d、f、h共4處測(cè)點(diǎn)分布于內(nèi)角側(cè)地線支架和橫擔(dān)的一端，其z方向位移體現(xiàn)了鐵塔的最大z向位移值。因此，變形計(jì)算分析中重點(diǎn)關(guān)注了上述測(cè)點(diǎn)。

考慮不同計(jì)算模型可能導(dǎo)致位移計(jì)算結(jié)果的差異，表6、7給出了以工況9在100%荷載作用下，典型測(cè)點(diǎn)處 x、z方向位移值，表8給出了以工況8在100%荷載作用下典型測(cè)點(diǎn)在y方向的位移值。計(jì)算模型包括線性桿單元、線性梁?jiǎn)卧?、線性梁－桿單元和非線性桿單元、非線性梁?jiǎn)卧?、非線性梁－桿單元共6種情況。

由表6～8可以看出，上述6種計(jì)算模型在典型測(cè)點(diǎn)處的位移計(jì)算值之間差異不足4%，說明計(jì)算模型中單元類型的選擇和是否考慮非線性對(duì)變形計(jì)算影響不大。圖6以線性梁－桿單元的位移計(jì)算為例，給出了其與實(shí)測(cè)值的對(duì)比圖。可以看出典型測(cè)點(diǎn)處的 x、y、z方向位移實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值，其中 x、y、z方向?qū)崪y(cè)值的最大值比計(jì)算值的最大值分別大31%、191%、6%。國(guó)內(nèi)外較多研究成果［9-16］表明鐵塔位移實(shí)測(cè)值比計(jì)算值大的主要原因?yàn)槁菟ㄟB接滑移的影響，由于螺栓滑移機(jī)理較為復(fù)雜［17-19］，多數(shù)研究?jī)H局限于單顆或少量螺栓和單根或少量構(gòu)件結(jié)構(gòu)的螺栓滑移規(guī)律及對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響，對(duì)螺栓群的滑移分析及對(duì)大規(guī)模構(gòu)件的鐵塔的變形影響尚無參考文獻(xiàn)。本次位移計(jì)算表明，螺栓滑移對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)x、y、z變形的影響程度并不相同，其中y方向的影響最為顯著，其次為x方向，z方向的變形影響最小。

圖6 位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比圖Fig.6 Comparison of displacement between actual testing value and calculated value

由于y向位移最大值出現(xiàn)在不均勻覆冰受扭工況，該工況控制較多的鐵塔斜材，由于斜材剛度較小，螺栓滑移效應(yīng)的影響更明顯;而x、z向位移最大值出現(xiàn)在覆冰工況，該工況主要控制鐵塔主材，由于主材剛度較大，螺栓滑移效應(yīng)的影響相對(duì)較小。

圖7給出了鐵塔位移云圖。試驗(yàn)表明，鐵塔x向最大位移值為527 mm，鐵塔全高約78.5 m，位移值為鐵塔高度的6.7‰，滿足正常使用要求。y向最大位移值為1381 mm，出現(xiàn)在地線支架端部，地線支架長(zhǎng)度21.8 m，位移值為其長(zhǎng)度的6.2%，與常規(guī)輕冰區(qū)耐張塔基本相當(dāng)，滿足要求。z向最大位移值為319 mm，變形較小，滿足要求。

3.2 應(yīng)力分析

由于鐵塔構(gòu)件較多，工況計(jì)算較為復(fù)雜，本文以工況9為例重點(diǎn)考察覆冰工況對(duì)鐵塔主材的影響，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)7、14、15、16、17、18 分布于 D 腿側(cè)主材上，這些測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值能夠較好地反映鐵塔主材受力情況，因此應(yīng)力分析以此6處測(cè)點(diǎn)作為典型測(cè)點(diǎn)。

圖7 鐵塔各向位移云圖(比例因子為10)Fig.7 Displacement nephogram of tower in each direction(scale factor of 10)

與變形分析的思路一致，為了考慮不同計(jì)算模型可能導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的差異，表9給出了以工況9在100%荷載作用下為例，各典型測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力計(jì)算值，其中σN為軸向應(yīng)力、σMy為梁?jiǎn)卧膟向彎曲應(yīng)力、σMz為梁?jiǎn)卧膠向彎曲應(yīng)力。由表9可以看出，非線性對(duì)主材應(yīng)力影響甚小，不同單元類型對(duì)軸向應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果也影響不大。但鐵塔所有桿件若均簡(jiǎn)化為桿單元，則計(jì)算結(jié)果忽略了因主材剛度較大而產(chǎn)生的次彎矩，不難看出，在變坡點(diǎn)附近的16、17號(hào)測(cè)點(diǎn)彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力較大，可達(dá)軸向應(yīng)力的27%。

表10給出了線性梁－桿單元的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，從實(shí)測(cè)值可以看出，主材角鋼同一截面不同部位的應(yīng)力值并不相同，存在極大值和極小值。其原因是主材并非完全承受軸力，還承受了y向和z向的彎矩，由于軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力相互疊加，導(dǎo)致了同一截面不同角鋼肢上的應(yīng)力值并不相同。

由主材應(yīng)力分析圖8可以看出，理論計(jì)算的軸向應(yīng)力值σN介于實(shí)測(cè)最大值與最小值之間，軸向應(yīng)力與彎曲應(yīng)力疊加的最大計(jì)算值和最小計(jì)算值分別為σN+(σMy+σMz)/2、σN－(σMy+σMz)/2，該兩項(xiàng)值的曲線與實(shí)測(cè)最大值和最小值吻合較好，說明主材次彎矩是導(dǎo)致截面應(yīng)力分布不均的主要因素。

圖9給出了鐵塔變坡以下主材的y向和z向彎矩分布，可以看出主材y向彎矩由上至下是增大的趨勢(shì)，z向彎矩由上至下是減小的趨勢(shì)，該規(guī)律與圖8中彎曲應(yīng)力的分布基本一致。此外，在身部K材與主材連接的部位和塔腿倒數(shù)第2節(jié)間附近彎矩影響最為顯著，其次為變坡處的z向彎矩也較大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)該部位的主材應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)應(yīng)力儲(chǔ)備以考慮彎矩的影響。

4 結(jié)論

(1)重冰區(qū)多處于山區(qū)，采用導(dǎo)線垂直排列的雙回路塔型具有較好的地形適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。

(2)500kV線路20 mm重冰區(qū)采用同塔雙回輸電較2個(gè)單回本體投資增加41%，雖然理論上采用雙回不如2個(gè)單回經(jīng)濟(jì)，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于走廊資源十分擁擠或僅能容納1條輸電線路的區(qū)段，由于較多的房屋拆遷和征地費(fèi)用，2個(gè)單回的總投資可能較1個(gè)雙回要高。因此，對(duì)于走廊資源十分緊張的重覆冰地區(qū)，推薦采用同塔雙回的輸電方式。

(3)較多研究表明，螺栓滑移效應(yīng)是鐵塔變形增大的主要因素。有限元分析顯示其對(duì)x、y、z向的變形影響程度并不一致，對(duì)y向變形影響最大，其次為x向和z向。由于y向位移的最大值與斜材剛度有關(guān)，x、z向位移最大值與主材剛度有關(guān)，說明螺栓滑移效應(yīng)對(duì)剛度較小的構(gòu)件影響更大。

(4)大量計(jì)算表明采用不同的計(jì)算模型得出的鐵塔變形值差異不大，但計(jì)算值一般小于實(shí)測(cè)值。因此，以計(jì)算變形值推測(cè)鐵塔實(shí)際的變形并不合理，特別是外荷載較大的重冰區(qū)鐵塔，實(shí)際變形值可能達(dá)到計(jì)算值的3倍。從試驗(yàn)情況來看，重冰區(qū)采用導(dǎo)線垂直排列塔型，橫擔(dān)長(zhǎng)度最短，較好地控制了y向位移，實(shí)測(cè)值能夠滿足正常使用要求。

(5)由于500kV重冰區(qū)同塔雙回耐張塔受力較大，主、斜材連接螺栓數(shù)較多和主材構(gòu)件截面剛度較大，采用常規(guī)桿單元的計(jì)算會(huì)忽略主材的彎曲應(yīng)力，采用梁－桿單元模型能夠較好地反映主材受力情況。

分析表明，在身部K材與主材連接的部位和塔腿主材倒數(shù)第2節(jié)間附近彎矩影響最為顯著，其次為變坡處的z向彎矩也較大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)該部位的主材應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)應(yīng)力儲(chǔ)備以考慮彎矩的影響。

(6)真型塔試驗(yàn)成功表明，20 mm重冰區(qū)應(yīng)用導(dǎo)線垂直排列的雙回路鐵塔是可行的，能夠滿足線路的安全、可靠運(yùn)行。試驗(yàn)鐵塔y向變形的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值差異較大，說明精確模擬螺栓群的滑移效應(yīng)及其對(duì)輸電鐵塔該類大規(guī)模構(gòu)件體系的變形影響還有待進(jìn)一步研究。

［1］DL/T 5440—2009重覆冰架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院.重冰區(qū)雙回路輸電線路研究總報(bào)告［R］.成都:西南電力設(shè)計(jì)院，2008.

［4］重慶大學(xué)，中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院.重冰區(qū)輸電線路脫冰動(dòng)力響應(yīng)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶大學(xué)，2008.

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