謝 芳 馮 炳 李攀峰

(1.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興312000；2．紹興供電公司，浙江 紹興312000)

新型輸電線路重冰區(qū)轉(zhuǎn)角塔設(shè)計研究

謝 芳1馮 炳2李攀峰2

(1.紹興文理學(xué)院 元培學(xué)院，浙江 紹興312000；2．紹興供電公司，浙江 紹興312000)

通過對傳統(tǒng)重冰區(qū)輸電線路單回路轉(zhuǎn)角塔型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，提出了一種新型的水平排列蓮花型轉(zhuǎn)角塔.該塔型導(dǎo)線采用水平排列，中相導(dǎo)線跳線采用復(fù)合材料支撐鋁合金穿管的形式從地線橫擔(dān)中間穿過，較好地解決了傳統(tǒng)塔型在導(dǎo)線脫冰跳躍時防閃絡(luò)能力差的問題.通過有限元分析軟件對蓮花塔進(jìn)行了線性和非線性分析，結(jié)果表明，該塔型受力合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，過載能力好.

輸電線路；重冰區(qū)；轉(zhuǎn)角塔；蓮花塔；有限元分析

我國是發(fā)生輸電線路覆冰事故較多的國家之一，覆冰事故已嚴(yán)重威脅到我國電力系統(tǒng)的安全運行，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1].覆冰事故形式多種多樣，除了常見的鐵塔結(jié)構(gòu)破壞外，由于脫冰跳躍引起的線路跳閘也是覆冰事故的主要形式之一.究其原因主要是線路上的覆冰在特定的氣象條件下發(fā)生脫落，輸電線由于覆冰脫落會產(chǎn)生上下跳躍，導(dǎo)致線間安全距離不足，造成閃絡(luò)或短路，燒傷導(dǎo)線，使線路跳閘[2]，這就是脫冰閃絡(luò)事故.傳統(tǒng)重冰區(qū)干字形轉(zhuǎn)角塔導(dǎo)線呈三角形布置(如圖1所示)，這使得上下相導(dǎo)線之間發(fā)生脫冰閃絡(luò)的幾率大大提高.而導(dǎo)線呈水平排列的酒杯型轉(zhuǎn)角塔，雖然其防閃絡(luò)能力優(yōu)于干字型塔，但是其曲臂結(jié)構(gòu)在承受較大的不均勻冰荷載下，位移較大，覆冰過載能力較差，也存在結(jié)構(gòu)隱患.

1 新型重冰區(qū)蓮花型轉(zhuǎn)角塔

結(jié)合上述兩種塔型的特點，我們提出了一種新的轉(zhuǎn)角塔型——蓮花型塔，見圖2.這個塔型的三相導(dǎo)線呈水平排列，中相導(dǎo)線跳線采用復(fù)合材料支撐鋁合金穿管的形式從地線橫擔(dān)中間穿過，因為其外形像一朵盛開的蓮花，因此命名為蓮花型轉(zhuǎn)角塔.

圖1 常見轉(zhuǎn)角塔型式 圖2 蓮花型轉(zhuǎn)角塔效果圖

該塔型通過將三相導(dǎo)線水平布置，能大幅降低導(dǎo)線間脫冰閃絡(luò)的幾率.同時，由于沒有中間塔窗，其結(jié)構(gòu)受力特點與干字型塔基本一致，因此不存在類似酒杯塔K節(jié)點那樣的薄弱點.通過初步計算和分析，3種重冰區(qū)常用轉(zhuǎn)角塔的技術(shù)特點和指標(biāo)比較見表1.

表1 3種轉(zhuǎn)角塔型特點比較

從表1可見，干字型塔各項指標(biāo)適中，施工及運行經(jīng)驗也比較豐富，但是其在重冰區(qū)的防閃絡(luò)能力較差；而酒杯型塔塔材指標(biāo)較大，但是其防閃絡(luò)能力優(yōu)于干字型塔；蓮花型塔各項指標(biāo)均要優(yōu)于其他兩種塔型.

2 蓮花型轉(zhuǎn)角塔電氣規(guī)劃

2.1導(dǎo)地線及氣象條件

以220 kV輸電線路為例，在重冰區(qū)段采用蓮花型轉(zhuǎn)角塔，相應(yīng)的導(dǎo)線型號為1×JLHA3-775，地線型號為JLB20A-120.設(shè)計氣象條件為：基本風(fēng)速27.0 m/s，覆冰20 mm.

2.2塔頭布置

2.2.1 基本要求

塔頭的布置要保證導(dǎo)地線間、導(dǎo)線間以及它們與桿塔構(gòu)件和運行檢修人員之間的必要間隙.為保證線路正常運行，需要考慮的控制條件可以分為塔頭上的電氣間隙、檔距中的線間距離、防御檔距中雷電繞擊或反擊導(dǎo)線所需要的導(dǎo)地線相對布置.

(1)塔頭上的電氣間隙.在有塔頭間隙圓中的工頻電壓、操作及雷電過電壓以及帶電檢修等工況下，導(dǎo)線風(fēng)偏軌跡對桿塔構(gòu)件和運行檢修人員之間的最小間隙，都屬于導(dǎo)線對桿塔或相對地的電氣間隙，與檔距中的線間距離沒有關(guān)系.

(2)塔頭上的線間距離.塔頭布置中的線間距離，專指在檔距中央為滿足必要的線間電氣間距，而在塔頭上導(dǎo)地線絕緣子串掛點間需要保持的線間距離.線路設(shè)計技術(shù)規(guī)范以源于線路工程實踐的經(jīng)驗公式或數(shù)值關(guān)系表，對線路塔頭上的水平線間距離和垂直線間距離、水平偏移等線間距離做出了一般規(guī)定.

(3)防御檔距中雷電繞擊或反擊導(dǎo)線所需要的導(dǎo)地線相對布置.為防御雷擊導(dǎo)線，需確定導(dǎo)線和地線之間的最小空間距離，以及兩地線之間的距離.

2.2.2 防雷保護(hù)角

根據(jù)規(guī)程要求，山區(qū)段220 kV單回路線路地線對導(dǎo)線的防雷保護(hù)角不小于20°.為了加強對中相跳線的防雷保護(hù)，同時增加導(dǎo)地線水平偏移值，應(yīng)盡可能縮小兩根地線間距，因此蓮花型轉(zhuǎn)角塔保護(hù)角取20°.

2.2.3 導(dǎo)地線的垂直間距

根據(jù)導(dǎo)地線配合計算及重冰區(qū)規(guī)范要求，蓮花型轉(zhuǎn)角塔導(dǎo)地線垂直間距取7.5 m，水平偏移取2.5 m，兩相導(dǎo)線間的水平距離取8 m.

2.2.4 跳線絕緣子串

蓮花型轉(zhuǎn)角塔中相導(dǎo)線通過支撐絕緣子加鋁合金管的方式，從地線頂架中間穿過，如圖3所示，其余兩相導(dǎo)線采用防冰閃能力更強的V型跳線串.

2.3蓮花型轉(zhuǎn)角塔電氣間隙圓

根據(jù)以上原則，規(guī)劃出的 蓮花型塔塔頭間隙圓 圖如圖 4 所示.由圖 4 可知，蓮花型塔塔頭間隙完全符合輸電線路的規(guī)范要求.

圖3 蓮花塔中相導(dǎo)線跳線效果圖

圖4 蓮花塔塔頭間隙尺寸及間隙圓圖

2.4蓮花塔地線防雷計算

由于蓮花型塔的中相跳線是繞跳于塔頂?shù)?，故需校驗其是否處于地線的防雷保護(hù)范圍內(nèi).根據(jù)DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》中5.2條的規(guī)定，兩等高避雷針防雷保護(hù)高度為

兩根平行地線防雷保護(hù)高度為

(a)高為h的兩等高避雷針 (b)高為h的兩平行避雷線

圖6 蓮花塔的中相跳線防護(hù)范圍

3 蓮花型轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)線性分析

同樣以220 kV輸電線路重冰區(qū)轉(zhuǎn)角塔為例，取風(fēng)速V=27.0 m/s，覆冰20 mm,在結(jié)構(gòu)外荷載及呼高相同的情況下，對蓮花型塔和干字型塔兩種塔型的受力進(jìn)行線性計算與對比.總體來說，蓮花型塔的中相導(dǎo)線高度較低，導(dǎo)線張力產(chǎn)生的彎矩相對更小，因此其塔身主材和斜材受力均較小.根據(jù)計算結(jié)果，兩種塔型塔身主材及斜材的控制工況基本相同，受力比較見表2.

表2 塔身段主、斜材關(guān)鍵參數(shù)對比

由表2可知，兩種塔型塔身主材和斜材均由覆冰大轉(zhuǎn)角工況控制，蓮花型塔的主、斜材內(nèi)力均小于常規(guī)塔型.線性計算結(jié)果表明，蓮花型塔受力合理，傳力清晰，且主、斜材內(nèi)力均略優(yōu)于常規(guī)干字型塔.

4 蓮花型轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)非線性分析

目前對輸電桿塔的計算多采用線性設(shè)計方法，即計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時不考慮桿塔變形的影響.蓮花型塔是一種新塔型，其結(jié)構(gòu)形式也比較特殊，因此是否考慮幾何變形對構(gòu)件內(nèi)力的影響需要重點審視.

本文采用有限元分析軟件ANSYS，對蓮花型轉(zhuǎn)角塔在多種荷載工況下的非線性變形和構(gòu)件受力情況進(jìn)行計算，并將構(gòu)件應(yīng)力與線性計算結(jié)果進(jìn)行對比.計算主要考慮結(jié)構(gòu)承載的幾何非線性，而未涉及材料非線性問題.

4.1蓮花型轉(zhuǎn)角塔有限元模型

利用ANSYS分析軟件中的Link 8單元模擬鐵塔的桿件，該單元為可承受桿軸方向拉壓的三維桿，可用于模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等結(jié)構(gòu).每個節(jié)點具有3個自由度(沿節(jié)點坐標(biāo)系X，Y，Z方向的平動).該單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能.蓮花型轉(zhuǎn)角塔有限元模型如圖7所示.

圖7 蓮花型轉(zhuǎn)角塔ANSYS計算模型圖

4.2蓮花型塔幾何非線性分析

采用ANSYS軟件對蓮花型塔進(jìn)行非線性有限元計算，并將計算結(jié)果與線性計算進(jìn)行對比，分析結(jié)果見表3和表4.考慮幾何非線性后，可以得出如下結(jié)論：

(1)塔身主材的內(nèi)力變化不大，應(yīng)力比增長均小于1%.

(2)塔身斜材應(yīng)力比變化很小,應(yīng)力比增長基本控制在1%以內(nèi).

(3)應(yīng)注意的是，隔面內(nèi)原不受力的輔助材在考慮幾何非線性后均成為受力構(gòu)件，但構(gòu)件內(nèi)力均不大，無須調(diào)整規(guī)格.

(4)在各種工況下，塔頂最大位移286 mm，出現(xiàn)在覆冰大轉(zhuǎn)角工況.此時桿塔頂部撓度約為7.15‰h(這里h=40 m,為桿塔全高)，符合規(guī)范要求，說明蓮花型塔剛度較好.

表3 蓮花塔線性與非線性計算結(jié)果對比

5 蓮花型轉(zhuǎn)角塔技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較

同樣以風(fēng)速27.0 m/s、覆冰20 mm的重冰區(qū)220 kV輸電線路為例，采用的導(dǎo)線型號為JLHA3-775，采用的地線型號為JLB20A-120.對相同30 m呼高、不同角度下的蓮花型轉(zhuǎn)角塔、酒杯型塔以及干字型塔等3種塔型進(jìn)行計算分析，比較結(jié)果見表5和表6.

表5 各塔型計算塔重對比 kg

表6 各塔型基礎(chǔ)作用力對比 kN

由表5可見，蓮花型塔結(jié)構(gòu)合理，其塔重比干字型塔平均塔重輕5%左右；酒杯型塔在小角度時塔重與干字型塔差距不大，但隨著角度增加，塔重越來越大，說明酒杯型轉(zhuǎn)角塔結(jié)構(gòu)特點不適合用于大水平荷載的塔型.蓮花型塔和酒杯型塔由于總塔高較低，其基礎(chǔ)作用力較小，兩者基礎(chǔ)作用力均比常規(guī)干字型塔小10%左右.結(jié)合運行經(jīng)驗，以酒杯塔各參數(shù)為基準(zhǔn)，3種塔型的綜合比較結(jié)果見表7.

表7 各塔型綜合對比

由表7可知，蓮花型塔各項指標(biāo)均優(yōu)于干字型塔，且其防上下導(dǎo)線間脫冰閃絡(luò)性能要優(yōu)于干字型塔.因此在重冰區(qū)采用蓮花塔具有一定的優(yōu)勢.

6 結(jié)論

(1)蓮花型塔是一種新型的重冰區(qū)轉(zhuǎn)角塔，該塔型導(dǎo)線采用水平排列方式，能較好地解決傳統(tǒng)塔型在導(dǎo)線脫冰跳躍時防閃絡(luò)能力差的問題.

(2)由于中相導(dǎo)線跳線采用復(fù)合材料支撐鋁合金穿管的形式從地線橫擔(dān)中間穿過，蓮花型塔的電氣間隙能完全滿足規(guī)范要求.同時在地線頂架高度大于7.5 m時，蓮花型塔能滿足防雷要求.

(3)通過對蓮花型塔線性和非線性結(jié)構(gòu)分析，蓮花型轉(zhuǎn)角塔主材、斜材受力均小于干字型塔.考慮幾何非線性后，塔身主材及斜材的內(nèi)力變化可以忽略，橫隔材變化較大，但都在控制范圍內(nèi).兩種計算模式均表明，蓮花型塔結(jié)構(gòu)合理，受力清晰，在各工況下的受力及位移均符合規(guī)范要求.

(4)通過對蓮花型塔和傳統(tǒng)重冰區(qū)常用轉(zhuǎn)角塔型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，蓮花型塔各項指標(biāo)均較優(yōu)，且其防上下導(dǎo)線間脫冰閃絡(luò)性能要優(yōu)于干字型塔.因此在重冰區(qū)采用蓮花型塔具有一定的優(yōu)勢.

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Planning and Design of New Angle Tower for Transmission Lines in Heavy Ice-coating Areas

Xie Fang1Feng Bing2Li Panfeng2

(1.Yuanpei College， Shaoxing Universty， Shaoxing， Zhejiang 312000；2.Shaoxing Electric Power Bureau， Shaoxing， Zhejiang 312000)

Based on the technical and economic comparison of classic angle towers for single-circuit transmission lines in heavy ice areas, we propose a new type of angle tower named Lotus-tower. With the wire horizontal layout of the tower and the crossing of the mid-wire through the middle of two earth wire Crossarm by a tube of aluminum alloy with composite materials insulator, the Lotus-tower can enhance the ability of the prevention of the icing flashover. The paper also does a linear and nonlinear analysis of Lotus-tower by the FEM analysis software, the results showing that the structure of the proposed tower is rational, stable and safe.

transmission line; heavy ice-coating area; angle tower; Lotus-tower; FEM analysis

2014-07-07

2014年度紹興市級公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目“輸電線路塔抗冰災(zāi)能力的關(guān)鍵技術(shù)研究”階段性成果；紹興文理學(xué)院元培學(xué)院精品課程建設(shè)項目“土力學(xué)及基礎(chǔ)工程”階段性成果.

謝 芳(1981-)，女，浙江紹興人，講師，碩士.研究方向：土木工程教學(xué)與研究.

TM753

A

1008-293X(2014)09-0008-07

(責(zé)任編輯鄧穎)