特高壓直流線路懸垂轉(zhuǎn)角塔設(shè)計

譚蓮飛 ，李 菁 ，張亮如 ，李 帥 ，余明智

（1.中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650051；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司茌平縣供電公司，山東 聊城 252100）

特高壓直流線路懸垂轉(zhuǎn)角塔設(shè)計

譚蓮飛1，李 菁2，張亮如3，李 帥2，余明智1

（1.中國能源建設(shè)集團云南省電力設(shè)計院有限公司，云南 昆明 650051；2.國網(wǎng)山東省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，山東 濟南 250021；3.國網(wǎng)山東省電力公司茌平縣供電公司，山東 聊城 252100）

懸垂轉(zhuǎn)角塔是特高壓直流輸電線路工程中常用的塔型，通過懸垂的L串承受較小轉(zhuǎn)角度數(shù)的線路荷載，減少線路走廊寬度并有效防止導(dǎo)線的風(fēng)偏。根據(jù)設(shè)計理論和工程經(jīng)驗，推導(dǎo)該塔型線條荷載在加載掛點時的精確解，介紹桿塔頭部規(guī)劃及結(jié)構(gòu)整體特性。經(jīng)比較分析，該塔型較同條件轉(zhuǎn)角塔節(jié)省大量金具及絕緣子串，降低桿塔鋼材指標和基礎(chǔ)材料量，具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

懸垂轉(zhuǎn)角塔；荷載分解；鐵塔設(shè)計；經(jīng)濟性

0 引言

特高壓直流輸電是目前世界上解決高電壓、大容量、遠距離送電和電網(wǎng)互聯(lián)的一個重要手段［1］，具有輸送靈活、容量大損耗小、能夠節(jié)約輸電走廊和便于快速控制等優(yōu)點。目前山東境內(nèi)正在建設(shè)著內(nèi)蒙古錫盟—江蘇泰州、山西晉北—江蘇南京、上海廟—山東等多條±800 kV直流項目，處于特高壓建設(shè)的高峰期。

懸垂轉(zhuǎn)角塔作為直流輸電線路中的常用塔型，在村莊房屋密集和通道緊張位置，減小了路徑的走廊寬度，降低了選線難度；根據(jù)線路耐張段內(nèi)的障礙物情況在檔內(nèi)進行適當(dāng)?shù)穆窂秸{(diào)整，使選線更加靈活；同時在連續(xù)同向轉(zhuǎn)角的特殊路徑上合理劃分耐張段和導(dǎo)線的開斷位置，減少了后期維護和運行的工作量。在塔型規(guī)劃時，該塔型在水平、垂直檔距、搖擺角等條件與直線塔相當(dāng)，設(shè)計轉(zhuǎn)角一般為3°～12°，較同條件轉(zhuǎn)角塔節(jié)省大量的鋼材、混凝土和金具材料［2］，具有較好的經(jīng)濟性。

圖1 懸垂轉(zhuǎn)角塔L串荷載作用示意圖（x′y′z′坐標系）

1 荷載分解

懸垂轉(zhuǎn)角塔的線條荷載作用在L型絕緣子串的交匯位置，荷載通過L串重新分布后傳遞至鐵塔上的左右掛點上，如圖1 所示（x′y′z′坐標系）。 首先將線條荷載（Fx′，F(xiàn)y′，F(xiàn)z′）通過坐標系轉(zhuǎn)換后，過程詳見式（1），成為常規(guī)的V串荷載，再進行荷載的V串分解，如圖2所示（xyz坐標系）。

圖2 轉(zhuǎn)換坐標后的V串荷載分解（xyz坐標系）

式中：γ為左、右掛點連線與水平的夾角。

在縱向力作用下V串與XOZ平面夾角為θ，則左掛點荷載（x2，y2，z2）和右掛點荷載（x1，y1，z1）根據(jù)力平衡在O點列方程可得：

圖中可知V串合力方向應(yīng)沿OJ線，可知y1、y2與 z1、z2應(yīng)同向可得：

式中：Fx、Fy、Fz分別為轉(zhuǎn)換坐標體系后的水平、縱向、垂直荷載。

在圖2三角形ONJ、OMJ的幾何關(guān)系中可得：

在圖中可看出x1與z1異號而x2與z2同號，故得：

將計算的 x1，x2代入式（2），式（4）可得：

將在 xyz 坐標系中求解的左掛點荷載（x2，y2，z2）和右掛點荷載（x1，y1，z1）進行坐標轉(zhuǎn)化，重新轉(zhuǎn)換至x′y′z′坐標系中，轉(zhuǎn)換逆矩陣如式（10）所示，將荷載反向作用在結(jié)構(gòu)模型中的掛點上進行鐵塔受力分析。

在荷載分解的極少數(shù)工況中 （如大風(fēng)工況下的小垂荷條件），背風(fēng)側(cè)的絕緣子串易受壓，因此需要對懸垂轉(zhuǎn)角塔的L串角度進行合理計算來保障其處于安全受力狀態(tài)［3］。若在計算中遇此情況，建議驗算背風(fēng)側(cè)絕緣子串退出工作情況，線條荷載完全加載在迎風(fēng)側(cè)的掛點上進行結(jié)構(gòu)分析。

2 鐵塔設(shè)計

2.1 塔頭規(guī)劃

在進行鐵塔設(shè)計時，首先應(yīng)依據(jù)導(dǎo)線、地線的排列布置和電氣間距要求規(guī)劃桿塔的外形尺寸與構(gòu)件布置形式，盡量以結(jié)構(gòu)簡單、受力均衡、傳力清晰、外形美觀為基本原則［4］；其次結(jié)合桿塔材料、運行維護、施工和制造等因素進行優(yōu)化布置。該部分內(nèi)容重點體現(xiàn)在塔頭的規(guī)劃布置上，如開口尺寸、地線支架和導(dǎo)線橫擔(dān)的布設(shè)，最終在滿足電氣間隙的前提下，塔頭尺寸緊湊，結(jié)構(gòu)傳力簡潔明確。

根據(jù)山西晉北—江蘇南京線路系列六中懸垂轉(zhuǎn)角塔的規(guī)劃：v＝30 m/s、b＝10 mm、平丘（0m＜H＜1 500 m）、6×JL1/G3A-1250/70 導(dǎo)線，與掛接地極線路共塔，結(jié)合表1中懸垂轉(zhuǎn)角塔ZGJ3010的使用條件，得到圖3所示的懸垂轉(zhuǎn)角塔ZGJ3010優(yōu)化后的塔頭型式。

表1 懸垂轉(zhuǎn)角塔ZGJ3010的規(guī)劃條件

2.2 結(jié)構(gòu)坡度優(yōu)化

在明確的荷載作用下，塔身坡度的取值直接影響結(jié)構(gòu)桿件的規(guī)格：塔身坡度越大，主材受力變小從而導(dǎo)致其規(guī)格的降低，或者主材節(jié)間的支撐桿件數(shù)量的減少；斜材受力上雖也減少，但由于塔身變寬，斜材的計算長度增加以及長細比構(gòu)造要求，塔身斜材的規(guī)格可能增大，導(dǎo)致主材重量降低而斜材重量增加。另塔身坡度越大則根開越大，致使建設(shè)時占地面積的增加；塔身坡度越大則基礎(chǔ)作用力減少，將降低基礎(chǔ)規(guī)格及相應(yīng)的造價成本，反之亦然。綜上所述，塔身坡度的優(yōu)化需要結(jié)合塔重、占地面積、基礎(chǔ)等多因素進行分析，應(yīng)做到綜合造價最低。

圖3 懸垂轉(zhuǎn)角塔ZGJ3010塔頭尺寸規(guī)劃

2.3 整體剛度

鐵塔在有限元分析中通常采用桁架模型，分析時偏重于強度計算，而對整體結(jié)構(gòu)剛度的把握主要體現(xiàn)在構(gòu)造上。比如合理控制塔身坡度和塔身的高寬比；在桿塔塔身坡度變化位置、直接承受扭力的斷面和塔頂及塔腿與塔身的連接斷面處設(shè)置橫隔面；隔面設(shè)置通常按不大于5倍平均寬和4個主材接間分段［5］，且所有塔身隔面應(yīng)采用剛性隔面；重冰區(qū)的桿塔應(yīng)注意在塔重增加不明顯的情況下，應(yīng)盡量加大塔身的寬度和坡度以保障結(jié)構(gòu)整體的剛度。

除采用桁架模型對懸垂轉(zhuǎn)角塔ZGJ3010進行內(nèi)力分析，另利用Midas軟件建立梁單元模型對其進行特征值分析，其前8個自振周期和模態(tài)特征如表2所示，前4個自振模態(tài)形狀如圖4～7所示。懸垂轉(zhuǎn)角塔的第一自振模態(tài)為塔頭側(cè)向位移及橫擔(dān)的上下擺動，其第二、三自振模態(tài)都為橫擔(dān)的扭轉(zhuǎn)，可以得出該塔型最容易發(fā)生的變形為結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移、橫擔(dān)豎向位移和扭轉(zhuǎn)，為結(jié)構(gòu)整體剛度的薄弱點。

通過調(diào)整導(dǎo)地線橫擔(dān)的高度和寬度尺寸、掛點處的起臺高度和連接隔面的剛度，使前3自振的周期比為0.552/0.606=0.91，自振周期雖較大，但頻率相近，各方向剛度分布均勻，整體結(jié)構(gòu)布置合理。

圖4 第一自振模態(tài)

圖5 第二自振模態(tài)

圖6 第三自振模態(tài)

圖7 第四自振模態(tài)

表2 懸垂轉(zhuǎn)角塔ZGJ3010-51.0 m呼高的自振模態(tài)

3 經(jīng)濟性比較

依據(jù)鐵塔設(shè)計規(guī)程規(guī)范［5-6］和基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)程［7］，對山西晉北—江蘇南京直流輸電線路工程中相同條件下設(shè)計的懸垂轉(zhuǎn)角塔（ZJ2710）、轉(zhuǎn)角塔（J27101A）進行比較分析。在滿足相同的對地情況下，對比方案中懸垂轉(zhuǎn)角塔采用ZJ2710-51，轉(zhuǎn)角塔采用J27101A-48。

地質(zhì)條件：地貌上為黃河沖積平原，地表旱地；地基巖土主要為第四系統(tǒng)全新沖洪積形成的粉土、粉質(zhì)粘土。粉土為稍密~中密狀態(tài)，粉質(zhì)黏土為可塑~硬塑狀態(tài)，地基承載力特征值為80~120 kPa。

表3 上部結(jié)構(gòu)材料量及造價比較

表4 基礎(chǔ)材料量及造價比較

從表3中的絕緣子型號和數(shù)量以及金具的重量可知，在安裝和運行檢修方面，懸垂轉(zhuǎn)角塔較耐張塔更為便捷。

結(jié)合表3和表4可知，采用懸垂轉(zhuǎn)角塔方案（ZJ2710-51）本體造價約90.47萬元/基；而采用轉(zhuǎn)角塔方案（J27101A-48）本體造價約 167.32萬元/基，在塔材、金具及絕緣子和基礎(chǔ)方面總共可節(jié)省投資約76.85萬元/基，本體投資節(jié)省效果明顯，但是由于規(guī)程［5，7］中懸垂轉(zhuǎn)角塔的設(shè)計荷載和安全系數(shù)取值與常規(guī)轉(zhuǎn)角塔不完全相同，且不具有轉(zhuǎn)角塔在工程中具有的施工架線功能，因此不能簡單地在同一平臺進行二者的經(jīng)濟性比較。

4 結(jié)語

通過掌握懸垂L串的線條荷載分解、塔頭規(guī)劃、結(jié)構(gòu)整體剛度等設(shè)計環(huán)節(jié)，并遵循桿塔設(shè)計的相關(guān)規(guī)程和規(guī)范要求，懸垂轉(zhuǎn)角塔的結(jié)構(gòu)安全性能夠滿足實際工程的需要。

在同使用條件下，懸垂轉(zhuǎn)角塔具有比常規(guī)轉(zhuǎn)角塔重量輕、電氣絕緣子串和金具使用量少，基礎(chǔ)混凝土和鋼筋材料省等優(yōu)勢；另在路徑上障礙物情況復(fù)雜時，懸垂轉(zhuǎn)角塔可以較好地用來進行路徑微調(diào)；懸垂轉(zhuǎn)角塔的金具、絕緣子的數(shù)量較轉(zhuǎn)角塔少且布置方式簡潔，運行和檢修較為方便。綜上所述，懸垂轉(zhuǎn)角塔具有良好的經(jīng)濟性。

［1］李曉黎，陳祖勝.特高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展綜述［J］.廣西電力，2009，32（1）：23-26.

［2］張瑚，黃欲成，馬凌，等.500 kV雙回路直線小轉(zhuǎn)角塔設(shè)計［J］.高壓電器，2014，50（11）：92-96.

［3］陳立華，程思勇，厲天威，等.直線轉(zhuǎn)角塔L形絕緣子串夾角取值分析［J］.廣西電力，2016，39（5）：21-24.

［4］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計規(guī)范：GB 50790—2013［S］.北京：中國計劃出版社.

［5］中華人民共和國國家能源局.架空輸電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定：DL/T 5154—2012［S］.北京：中國計劃出版社.

［6］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社.

［7］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.架空送電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)定：DL/T 5219—2005［S］.北京：中國電力出版社.

The Design of Suspended Angle Tower Used in UHV Transmission Lines

TAN Lianfei1，LI Jing2，ZHANG Liangru3，LI Shuai2，YU Mingzhi1
（1.China Energy Engineering Group Yunnan Electric Power Design Institute Co.，Ltd.Kunming 650051，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company Economic Research Institute，jinan 250021，China；3.State Grid Chiping Power Supply Company，Liaocheng 252100，China）

The suspended angle tower is the common type used in construction of UHV transmission lines，withstanding the transmission line load of little angle by suspended L-type insulators，effectively reducing the width of the route line and preventing the wind-deviation of conductors.Based on design theory and engineering experience，this article deduces the exact solution of line load acting on load point，presents the planning of tower head and the property of the whole structure.Compared with angle tower under the same condition，the suspended one saves lots of electrical fittings and insulators，reduces steel weight of the tower and material cost of the foundation，having obvious economic and social benefits.

suspended angle tower；load analyze；tower design；economy

TM752

A

1007－9904（2017）10－0054－04

2017-06-25

譚蓮飛（1986），男，工程師，從事線路結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。