王進(jìn)平

（太原供電分公司，太原市，030012）

0 引言

受2008年特大冰雪災(zāi)害的影響，我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生大面積倒塔事故，鐵塔損壞呈現(xiàn)數(shù)量大、倒向一邊、塔頭折彎等特點(diǎn)，其中數(shù)量大和倒向一邊反映的是群體損壞；塔頭折彎反映的是個(gè)體損壞[1-6]。高壓輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，數(shù)基直線塔間需要設(shè)1基耐張塔，即使直線塔發(fā)生連鎖倒塌，也應(yīng)在耐張塔處截止。而在此次冰雪災(zāi)害中，連鎖倒塔突破了耐張塔防線，造成輸電線路全線倒塔。可見(jiàn)，在役鐵塔需要有效的加固手段。

2008年冰災(zāi)之后，山西省電力公司與山西新長(zhǎng)城機(jī)電科研所協(xié)作，共同完成了抗覆冰、抗狂風(fēng)線路桿塔加固技術(shù)研究，提出了一種簡(jiǎn)單有效的貼身拉線加固高壓輸電鐵塔技術(shù)，并在太原市南郊冶小線32號(hào)塔安裝試用。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論分析角度，對(duì)貼身拉線加固在役桿塔技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 高壓輸電鐵塔的損壞特點(diǎn)

2008年我國(guó)南方冰災(zāi)倒塔事故中某鐵塔塔頭折彎損壞狀態(tài)如圖1所示。圖中：塔頭在塔身與塔頭的結(jié)合處（稱(chēng)為瓶口）折彎；一相電線斷開(kāi)，斷頭從絕緣子串掛線點(diǎn)懸垂下墜，塔頭倒在未斷線一側(cè)；塔身的瓶口段主材略彎；塔身的中下段完好；塔腿和塔基雖障于樹(shù)叢，均完好無(wú)損。

地線雙線邊置和電線一字布線時(shí)，塔頭受斷線張力折彎損壞分析如圖2所示。一線頂置地線和中相電線處于塔縱向中軸面內(nèi)，其斷線張力只產(chǎn)生使塔頭向未斷線一側(cè)彎曲的彎矩。塔頭下曲臂根的抗彎剛度弱，塔頭從其與塔身銜接的瓶口處向未斷線側(cè)折彎，如圖2雙點(diǎn)畫(huà)線所示。由于電壓高，所需絕緣氣隙大，使橫向布線的邊相電線和邊置地線遠(yuǎn)離鐵塔縱向中軸面[7]。因此，當(dāng)邊相電線或邊置地線斷開(kāi)時(shí)，不僅產(chǎn)生使塔頭向未斷線一側(cè)彎曲的彎矩，同時(shí)還產(chǎn)生使塔頭繞塔中軸線扭轉(zhuǎn)的扭矩，彎矩和扭矩使塔頭偏轉(zhuǎn)塔縱向中軸面一定角度，向未斷線側(cè)折彎，如圖2虛線所示（只畫(huà)出不與其他圖線重合的部分）。邊置地線或邊相電線斷開(kāi)時(shí)，另一邊置地線或邊相電線失去已斷線側(cè)的重力平衡，還會(huì)使塔頭朝橫向未斷線側(cè)彎折少許。

2 貼身拉線加固高壓輸電鐵塔技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)模式

貼身拉線的結(jié)構(gòu)如圖3所示。橫擔(dān)左、右鉸板分別固定在橫擔(dān)兩端吊掛絕緣子串的懸臂架的根部；拉線左、右支的上端分別與橫擔(dān)左、右鉸板鉸聯(lián)；下端均與上撐架外伸端鉸聯(lián)；上撐架根部鉸聯(lián)在塔體頸部有橫隔處；上撐架外伸端與緩沖器的上端鉸聯(lián)；拉線干線上端與緩沖器下端鉸聯(lián)，下端與緊線器上端鉸聯(lián)；下?lián)渭芨抗潭ㄔ谒壬隙?，外伸端裝著撐架鉸座；鉸支桿后端與撐架鉸座鉸聯(lián)，前端與緊線器下端和上、下?lián)渭芾瓧U上端鉸聯(lián)，上、下?lián)渭芾瓧U下端分別與塔腳左、右鉸板鉸聯(lián)。

貼身拉線每塔2套，對(duì)稱(chēng)安裝在承受電線張力的塔側(cè)面。調(diào)節(jié)緊線器使拉線適度張緊，以消除拉線明顯下垂為度[8-9]。采用貼身拉線后，還可去掉下?lián)渭?，將拉線下固結(jié)點(diǎn)直接鉸接在塔腰，這樣可使抗拔力直傳塔頭，不僅簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低制造使用成本，而且防盜性好。上撐架還可做成矩形，左、右支線鉸接于外伸端兩角。拉線干線、根線交叉配置，這樣可使左邊相斷線張力傳至塔體右側(cè)，右邊相斷線張力傳至塔體左側(cè)，讓塔體更有效地抵抗塔頭受到的扭矩[10]。

2.2 作用機(jī)理

塔體的力學(xué)抽象是1個(gè)固定地面的懸臂梁，外伸端兩側(cè)的電線對(duì)塔體形成方向相反的集中載荷。當(dāng)兩側(cè)電線完好時(shí)，兩側(cè)電線所受張力相互平衡。兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝的貼身拉線也不顯現(xiàn)對(duì)塔的抗彎作用。當(dāng)鐵塔一側(cè)的電線因故障斷開(kāi)1條或數(shù)條時(shí)，另一側(cè)電線的張力因瞬時(shí)失去斷線側(cè)電線的張力而顯現(xiàn)，對(duì)塔體產(chǎn)生動(dòng)載荷。因邊相斷線概率是中相的2倍，故斷線多始于邊相。邊相斷線時(shí)，塔體所受的電線張力經(jīng)過(guò)拉線左、右支傳給上撐架，上撐架承受邊相斷線所產(chǎn)生的扭矩，并將其傳給緩沖器；緩沖器受拉變形，吸收斷線張力的沖擊能，經(jīng)緩沖后把斷線張力傳給拉線干線；爾后再經(jīng)過(guò)緊線器、撐架拉桿、塔腳左鉸板和塔腳右鉸板，傳給固定塔腳左鉸板、塔腳右鉸板的地腳螺栓；最終把斷線張力傳到塔體地基并由其平衡。貼身拉線的傳力構(gòu)件，除過(guò)鉸支桿是通過(guò)下?lián)渭芘c塔體鉸聯(lián)外，其余各件均是直接與塔體鉸聯(lián)，這是為了在傳送斷線張力時(shí)，不在與塔體聯(lián)結(jié)處，對(duì)塔體產(chǎn)生彎矩。

2.3 力學(xué)效果

瓶口為矩形，正面邊長(zhǎng)1 m多，側(cè)面邊長(zhǎng)數(shù)m，是塔體最薄弱的斷面，扭彎常發(fā)生于此。貼身拉線的上撐架鉸連于該結(jié)合面兩側(cè)，可使該結(jié)合面的慣性矩增加2～3倍。貼身拉線與塔體形成的組合體，其各斷面的慣性矩和抗彎系數(shù)均有明顯增加。因此，塔體抗彎能力較不加貼身拉線明顯提高。未安裝貼身拉線的輸電鐵塔的受力為：當(dāng)邊相斷線時(shí)，斷線張力使塔頭先扭，繼而塔體受彎。安裝貼身拉線的塔體受力為：鐵塔和貼身拉線的組合體在承受邊相斷線張力所生彎矩時(shí)，是拉線受拉，塔體受壓。以ZM1-21塔為例，由于塔體的承壓能力遠(yuǎn)大于抗彎能力，檔距為400 m時(shí)，所承電線重力26.53 kN，塔的下壓力為144.89 kN，所以貼身拉線大大增加了塔體抵抗斷線張力的能力。因?yàn)樗w地基是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，深度數(shù)m至數(shù)10 m，所以鐵塔的損壞多數(shù)是塔頭的損壞，而塔體，特別是塔體下部和塔腳仍然完好。貼身拉線正是基于這種實(shí)際，巧妙地挖掘了塔體強(qiáng)度潛力，加強(qiáng)了鐵塔最薄弱的塔頭和塔頸。此外，與地錨拉線相比，貼身拉線鐵塔加固技術(shù)具有無(wú)需拉線基礎(chǔ)、無(wú)需征地、適于山頭孤丘無(wú)地錨點(diǎn)以及便于施工等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 電學(xué)設(shè)計(jì)

以ZM1-21鐵塔為例，其塔頭結(jié)構(gòu)尺寸及電學(xué)數(shù)據(jù)為：絕緣子串長(zhǎng)2 855 mm，風(fēng)偏角為35°，雙分裂導(dǎo)線的下導(dǎo)線距塔身的距離為1.450 m。貼身拉線的上固結(jié)點(diǎn)A距絕緣子串吊掛點(diǎn)水平間距700 mm。貼身拉線上撐架在鐵塔正面的投影完全落在塔身范疇內(nèi)。貼身拉線支線、貼身拉線干線的連接點(diǎn)B，在鐵塔正面的投影正好落在鐵塔的中軸線上。因此貼身拉線在鐵塔正面的投影，完全落入外輪廓的包絡(luò)面內(nèi)，所以貼身拉線的絕緣氣隙較絕緣子串的絕緣氣隙還要大，電學(xué)設(shè)計(jì)安全合理。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）拉線地夾角。地錨拉線的地夾角約為60°時(shí)，既可以使拉線產(chǎn)生能夠平衡電線張力的水平分力，又可以使桿塔與拉線的總體結(jié)構(gòu)比較緊湊[10]。因此，貼身拉線支線段的地夾角在電線方位面內(nèi)的投影定為60°。

（2）拉線與塔體構(gòu)件的夾角。計(jì)算拉線支線、拉線根線長(zhǎng)度和進(jìn)行拉線傳力的分解合成時(shí)，均要用到拉線支線、拉線根線和塔體相關(guān)構(gòu)件的夾角。由于這些夾角均是空間角，須用畫(huà)法幾何學(xué)圖解。經(jīng)圖解：拉線支線與橫擔(dān)下弦桿夾角為35°；拉線根線與塔腿主材夾角為30°；2者余角均與地錨拉線的地夾角為60°。

（3）上固結(jié)點(diǎn)遴選。上固結(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能選在離絕緣子串吊掛點(diǎn)的最近處，以便直接承受斷線張力。按此要求，上固結(jié)點(diǎn)應(yīng)在塔頭橫擔(dān)兩端離絕緣子串最近節(jié)點(diǎn)的六連板上，其距地高度即為塔的呼稱(chēng)高。

（4）上撐架及其固結(jié)位置確定以及撐離量。上撐架為受壓件，為保證其軸向受壓的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)為等腰三角柁形，下弦桿固結(jié)于瓶口有橫隔處。由于上撐架頂鉸連拉線，使拉線撐離塔身，并保證與地面夾角為60°，上撐架的高為500 mm。

（5）下?lián)渭芗捌涔探Y(jié)位置確定以及撐離量。下?lián)渭芤酁槭軌杭?，因此也設(shè)計(jì)為等腰三角柁形，下弦桿固結(jié)于塔腿根有橫隔處，即塔腿高3 m處。下?lián)渭茼斖瑯鱼q連拉線，使拉線撐離塔體。但因塔體中下部抗彎強(qiáng)度足夠，無(wú)需增加慣性矩，且拉線干線不必?fù)坞x塔體很大，故下?lián)渭艿母叨?50 mm。

（6）下固結(jié)點(diǎn)遴選。下固結(jié)點(diǎn)必須選在塔腳板或塔主材根部，而不能選在任何一條地腳螺栓上。因?yàn)楹笳咧皇且粭l地腳螺栓承載，前者才能使所有地腳螺栓承載。

3 結(jié)論

（1）高壓輸電線路因故障斷開(kāi)一線，由于橫擔(dān)掛線間距是瓶口的7～8倍，必然導(dǎo)致塔頭扭轉(zhuǎn)彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致其他幾條線呈連鎖反應(yīng)斷開(kāi)。如果安裝上貼身拉線，當(dāng)一側(cè)有1條線斷開(kāi)時(shí)，貼身拉線可以將另一側(cè)電線顯現(xiàn)的張力及時(shí)加以平衡，使塔頭其他電線不會(huì)因連鎖反應(yīng)而斷開(kāi)，防止斷線故障擴(kuò)大，也阻止了鐵塔一側(cè)電線全部斷開(kāi)時(shí)，鐵塔被另一側(cè)電線拉倒。

（2）貼身拉線不對(duì)在役鐵塔進(jìn)行任何加工，且沒(méi)有土建工程，不改變?cè)性O(shè)計(jì)，造價(jià)低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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