邱劍洪，覃 丹，王玫尹，陳奕達(dá)

(海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司， ?？?570100)

0 引 言

海南地區(qū)因其地理位置的特殊性，臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，易對(duì)中低壓電網(wǎng)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，其中架空線路抗風(fēng)技術(shù)能力不足，倒桿(或傾斜)問(wèn)題尤為嚴(yán)重。為提高10 kV及以下配電網(wǎng)架空線路的防風(fēng)能力，需對(duì)其進(jìn)行加固措施。目前常規(guī)的防風(fēng)加固措施有加裝防風(fēng)拉線和配置高強(qiáng)度桿塔兩種。前者因其占地面積較大，受到現(xiàn)場(chǎng)施工條件和人為因素的限制，應(yīng)用場(chǎng)合逐漸減少，因此現(xiàn)如今采用更多的方案是配置高強(qiáng)度桿塔。然而由于各家設(shè)計(jì)院在新建或改造10 kV及以下配電網(wǎng)架空線路的工程中缺少桿塔受力等量化數(shù)據(jù)，導(dǎo)致業(yè)主單位無(wú)法校核桿塔彎矩是否滿足要求，在安全性和經(jīng)濟(jì)成本兩方面均缺少管控，因此“以大代小”和“以小代大”的設(shè)計(jì)方案所造成的質(zhì)量和效益問(wèn)題較為突出。

出于安全性與經(jīng)濟(jì)性的綜合考量，桿塔設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到海風(fēng)、臺(tái)風(fēng)侵襲等問(wèn)題，在設(shè)計(jì)和施工中須對(duì)導(dǎo)線和電桿進(jìn)行受力分析，著重考慮風(fēng)力、重力和拉力的作用，并以校核結(jié)果為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行桿塔選型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的地基。以往雖有面向輸電線路桿塔的風(fēng)荷載計(jì)算研究，但由于35 kV及以上線路桿塔結(jié)構(gòu)的特殊性，其計(jì)算過(guò)程、受力場(chǎng)景和模型都相對(duì)復(fù)雜，上述的研究結(jié)論并不能在10 kV配電網(wǎng)設(shè)計(jì)中直接應(yīng)用[1-4]。文獻(xiàn)[5]雖然在計(jì)算過(guò)程中忽略部分因素，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，但在受力場(chǎng)景和模型方面仍沒(méi)有結(jié)合10 kV線路桿塔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

充分考慮10 kV及以下線路桿塔結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化其受力場(chǎng)景和計(jì)算模型，通過(guò)計(jì)算提供多種典型場(chǎng)景下的桿塔選型，便于在工程實(shí)際中應(yīng)用。

1 配電線路桿塔風(fēng)荷載分析

桿塔荷載可分為永久荷載與可變荷載，其中永久荷載是導(dǎo)線、地線、絕緣子及其附件的重力荷載，桿塔構(gòu)件及桿塔上固定設(shè)備的重力荷載，土壓力和預(yù)應(yīng)力等；可變荷載是風(fēng)荷載、導(dǎo)線或地線張力荷載、導(dǎo)線或地線覆冰荷載、附件荷載、活荷載等[6]。桿塔防風(fēng)強(qiáng)度計(jì)算及選型僅分析可變荷載。結(jié)合海南運(yùn)行工況，更多考慮的是最大風(fēng)速、無(wú)冰和未斷線等條件下的桿塔荷載。

1.1 導(dǎo)線風(fēng)荷載和張力荷載

導(dǎo)線風(fēng)荷載分析如圖1所示。

圖1 導(dǎo)線風(fēng)荷載示意圖Fig.1 wind load diagram of conductor

取一個(gè)水平檔距內(nèi)的導(dǎo)線和桿塔為研究對(duì)象，如圖1所示。其受到的風(fēng)荷載沿導(dǎo)線均勻分布，當(dāng)風(fēng)向與線路垂直時(shí)，導(dǎo)線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按式(1)計(jì)算：

Wx=w×Wo×μsc×d×Lp

(1)

式中：Wx為垂直于導(dǎo)線方向的水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；w為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，由《架空絕緣配電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》確定；Wo為基本風(fēng)壓，kN/m2；μsc為導(dǎo)線的體型系數(shù)，線徑小于17 mm或覆冰時(shí)(不論線徑大小)，μsc=1.2，線徑大于或等于17 mm時(shí)，μsc=1.1；d為導(dǎo)線的外徑或覆冰時(shí)的計(jì)算外徑，m；Lp為桿塔的水平檔距，m。

此外，導(dǎo)線也會(huì)產(chǎn)生張力，可分解為橫向水平荷載(角度荷載)和縱向荷載(不平衡張力)。導(dǎo)線的縱向不平衡張力主要是檔距、高差不等引起的荷載改變，而配電線路檔距較小，此處可忽略其荷載影響，其受力分析如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)角桿塔導(dǎo)線張力示意圖Fig.2 tension diagram of angle tower conductor

轉(zhuǎn)角桿塔所受導(dǎo)線拉力按式(2)計(jì)算。

pJ=T1sinα1+T2sinα2

(2)

式中：T1、T2為桿塔前后導(dǎo)線、地線張力，kN；pJ為導(dǎo)線拉力分量，kN；α1、α2為導(dǎo)線與桿塔橫擔(dān)垂線間的夾角。

1.2 桿塔風(fēng)荷載

10 kV桿塔類型主要分為混凝土電桿、鐵塔和鋼管桿。區(qū)別于35 kV及以下鐵塔結(jié)構(gòu)，10 kV桿塔結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面的投影面積相同，可簡(jiǎn)化受力場(chǎng)景分析。且10 kV桿塔橫擔(dān)和絕緣子等附件相較輸電桿塔附件受力面積較小，其作用可忽略不計(jì)[7]，僅分析塔身本身受力情況。

取一基電桿為研究對(duì)象，如圖3所示。

圖3 桿塔風(fēng)荷載示意圖Fig.3 wind load diagram of tower

風(fēng)向與桿塔面垂直情況的桿塔身或橫擔(dān)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按式(3)計(jì)算：

Ws=Wo×μz×μs×βz×As

(3)

式中：Ws為桿塔塔身或橫擔(dān)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)，kN；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，由《架空絕緣配電線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》確定；μs為風(fēng)荷載體型系數(shù)，塔架取1.3(1+η)(η為塔架背風(fēng)面荷載降低系數(shù))，環(huán)形混凝土電桿、鋼管桿桿身η取0.7；βz為桿塔風(fēng)振系數(shù)；As為桿塔結(jié)構(gòu)構(gòu)件迎風(fēng)面的投影面積，m2。

1.3 桿塔受力分析

根據(jù)電桿在線路中的作用和地位可分為六種結(jié)構(gòu)，分別為直線桿、耐張桿、轉(zhuǎn)角桿、終端桿、跨越桿和分支桿。《66 kV及以下架空電力線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：塔身與導(dǎo)線風(fēng)荷載在進(jìn)行受力分析時(shí)需分解為垂直線路方向分量和順線路方向分量?？紤]到導(dǎo)線風(fēng)荷載相比塔身風(fēng)荷載與導(dǎo)線張力較小，因此在分析轉(zhuǎn)角電桿受力時(shí)，可直接使用風(fēng)向垂直線路時(shí)導(dǎo)線風(fēng)荷載代替。以下為三種桿塔類型的受力情況分析[8]，見(jiàn)圖4～6。

圖4 直線電桿受力Fig.4 Force on straight pole

圖5 終端電桿受力Fig.5 Force on terminal pole

圖6 轉(zhuǎn)角電桿受力Fig.6 Force on angle pole

2 最大彎矩計(jì)算

直線電桿的最大彎矩計(jì)算在文獻(xiàn)[7]中已有詳細(xì)的計(jì)算過(guò)程，此處不進(jìn)行討論。本節(jié)主要關(guān)注轉(zhuǎn)角電桿和終端電桿的最大彎矩計(jì)算。相較于直線電桿受力分析，轉(zhuǎn)角電桿受到導(dǎo)線張力作用。當(dāng)導(dǎo)線轉(zhuǎn)角超過(guò)90°時(shí)，會(huì)存在迂回供電的問(wèn)題，因此以90°轉(zhuǎn)角為背景，計(jì)算轉(zhuǎn)角電桿最大彎矩。

導(dǎo)線張力的計(jì)算式[9]見(jiàn)式(4)、式(5)：

(4)

(5)

式中：F為導(dǎo)線拉斷力，kN；λ為導(dǎo)線安全系數(shù)；T為導(dǎo)線最大拉力，kN；α為線路轉(zhuǎn)角，其參數(shù)均可查閱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 1179-2017 圓線同心絞架空導(dǎo)線》[10]。

10 kV及以下配電線路的導(dǎo)線應(yīng)采用三角排列、垂直排列或水平排列[8]。以10 kV配電線路單回路三角排列架設(shè)方式為例，轉(zhuǎn)角桿塔最大彎矩計(jì)算式見(jiàn)式(6):

W轉(zhuǎn)角=Wx×h1+Wx×(h1-0.8)×2+Ws×h+pJ×h1

(6)

式中：h1為電桿距地面高度，m；h為電桿自身的風(fēng)壓合力作用點(diǎn)至地面的高度，m，具體計(jì)算查閱形心公式。

終端桿塔最大彎矩W終端計(jì)算式見(jiàn)式(7)。

W終端=Ws×h+T×h1

(7)

考慮無(wú)拉線錐形單桿可按受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，彎矩應(yīng)乘以增大系數(shù)1.1得到標(biāo)準(zhǔn)桿塔標(biāo)準(zhǔn)彎矩M[5]，見(jiàn)式(8):

M=1.1×W

(8)

3 電桿選型

電桿允許彎矩必須要大于電桿所承受的最大彎矩，并留有一定安全裕度[7]。查閱文獻(xiàn)《GB 4623-2014環(huán)形混凝土電桿》，列取幾種10 kV及以下配電線路常用桿塔標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩[11]，見(jiàn)表1。

表1 10 kV及以下配電線路常用桿塔標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)裂檢驗(yàn)彎矩表Table 1 Standard cracking inspection bending moment of common poles and towers of 10 kV and below distribution lines

由于10 kV及以下線路中絕緣導(dǎo)線應(yīng)用更加普遍，以絕緣導(dǎo)線為研究對(duì)象，在大風(fēng)速、無(wú)冰和未斷線運(yùn)行工況下分別計(jì)算絕緣導(dǎo)線在單回和雙回架設(shè)中桿塔的最大彎矩，并提出表2～4的推薦值。

表2 10 kV絕緣配電線路單回架空敷設(shè)桿塔型號(hào)推薦Table 2 Recommended model of single circuit overhead tower for 10 kV insulated distribution line

表3 10 kV絕緣配電線路雙回架空敷設(shè)桿塔型號(hào)推薦Table 3 Recommended model of double circuit overhead tower for 10 kV insulated distribution line

表4 10 kV絕緣配電線路單、雙回架空終端電桿型號(hào)推薦Table 4 Recommended types of single circuit and double circuit overhead terminal poles for 10 kV insulated distribution lines

4 結(jié) 語(yǔ)

10 kV及以下架空線路的桿塔選型是目前設(shè)計(jì)中容易忽略的盲區(qū)，直接影響投資的有效性和線路運(yùn)行的安全性，且現(xiàn)有配電網(wǎng)設(shè)計(jì)單位普遍存在人員不足和設(shè)計(jì)水平參差不齊等問(wèn)題。綜合考慮配電線路桿塔的特點(diǎn)，在滿足國(guó)家強(qiáng)制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化桿塔的受力模型，提高設(shè)計(jì)計(jì)算的實(shí)用性和便捷性。結(jié)合“本土”環(huán)境因素，在計(jì)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出桿塔選型推薦方案，極大地提高了設(shè)計(jì)和評(píng)審人員工作效率，同時(shí)也確保了線路的安全運(yùn)行和投資精細(xì)化。