懸索拉線塔在±800kV特高壓直流輸電線路工程中的應(yīng)用研究

1國家開發(fā)銀行股份有限公司山西省分行 030006；2國網(wǎng)西安供電公司 710032

摘要：本文以某±800kV特高壓直流輸電工程為依托，通過對懸索拉線塔在幾種控制工況下的受力性能、變形特點(diǎn)及承載能力等方面的非線性分析，得出拉線塔較常規(guī)自立式鐵塔具有良好技術(shù)經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：特高壓；懸索拉線塔；非線性分析；經(jīng)濟(jì)性

本文所述±800kV特高壓直流輸電工程其大部分線路要穿越廣袤的戈壁灘地區(qū)，這些地段地勢平坦開闊，人煙稀少，為拉線塔的應(yīng)用提供了得天獨(dú)厚的地理條件。因此，有必要對這些沿線地形較為特殊地區(qū)所使用的塔型進(jìn)行有針對性的研究，進(jìn)一步優(yōu)化工程塔型結(jié)構(gòu)。

2 國內(nèi)外拉線塔綜述

拉線塔具有結(jié)構(gòu)受力清晰、塔重指標(biāo)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，作為主要塔型之一，拉線塔在國內(nèi)外高壓輸電線路工程建設(shè)之初就得到使用。前蘇聯(lián)在330kV以及750kV輸電線路中使用過拉線門型塔、拉線V型塔，在1150kV輸電線路中使用過拉線V型塔、拉線懸索塔，在1800kV輸電線路中使用過拉線門型塔；美國、加拿大以及南非等國在345kV、765kV以及1150kV電壓等級線路中也都有過拉線塔的工程使用實(shí)例。國外使用拉線塔較早，在拉線塔的理論研究以及有限元程序方面都作的比較完善。

國內(nèi)在220kV、330kV以及500kV輸電線路工程中均使用過拉線塔，但當(dāng)時由于電算技術(shù)發(fā)展有限，對其受力分析僅依靠靜力簡化后的手算，無法考慮拉線塔的幾何非線性特性，設(shè)計不是很精細(xì)。且當(dāng)時使用的均為單柱拉線塔、拉門塔或者拉線V型塔，而對于非線性很強(qiáng)的懸索拉線塔則研究較少。

3 懸索拉線塔的非線性分析

由于拉線塔中使用了拉線柔索，其僅承受拉力，使鐵塔計算模型由原來單一的拉壓桿單元變成了混合單元；同時拉線鐵塔的變形相對較大，與自立式鐵塔相比，因整體位移而產(chǎn)生的次彎矩（P-Δ效應(yīng)）將不容忽視。因此，傳統(tǒng)的線性桿單元計算程序無法勝任拉線塔計算分析工作，需要采用具有幾何非線性分析功能的有限元分析軟件。

TOWER軟件為美國Power Line System公司開發(fā)的系列輸電工程用軟件之一，其具有線性和幾何非線性分析功能，可分析自力式鐵塔或拉線塔，目前已在全世界多個國家廣泛應(yīng)用。因此，筆者采用TOWER軟件進(jìn)行非線性分析。懸索拉線塔的有限元模型見圖3.1。

圖3.1懸索拉線塔TOWER計算模型圖

3.1懸索拉線塔的基本型式

對于直流線路懸索拉線塔，可根據(jù)其串子型式分為以下三種類型：“I”串懸索拉線塔、“V”串懸索拉線塔、“U”串懸索拉線塔。如圖3.2-圖3.4所示。

圖3.2 “I”串懸索拉線塔示意圖

圖3.3 “V”串懸索拉線塔示意圖

圖3.4 “U”串懸索拉線塔示意圖

這三種型式的懸索拉線塔，在極間距確定的情況下，由于絕緣子串連接方式的差別，其塔高、柱距、受力性能等均有所不同，下文通過非線性分析，深入論述三種型式懸索拉線塔各自的優(yōu)劣之處，最終推薦適合于本工程使用的拉線塔型式。

3.2懸索拉線塔拉線對地角度及主柱坡度的確定

由于懸索拉線塔的特殊結(jié)構(gòu)型式，合理的設(shè)置拉線及主柱的對地角度就顯得尤為重要，其設(shè)定過程非常繁瑣。如圖3.5所示，F(xiàn)s為導(dǎo)線串子及中間拉索傳遞過來的拉力，F(xiàn)l為拉線拉力，F(xiàn)z為主柱柱頂?shù)姆戳Γ敲锤鶕?jù)力的平衡關(guān)系，將3個力分別向x軸和y軸做分解，根據(jù)力的平衡關(guān)系可得到∑x=0，∑y=0。

圖3.5拉線、主柱、導(dǎo)線 圖3.6拉線、主柱對地角度示意圖

拉索平衡關(guān)系

其中，在導(dǎo)線掛線方式、間隙圓及極間距確定的情況下，F(xiàn)s的大小和方向基本保持不變（這一點(diǎn)在我們后面的計算過程中也有反映），那么主柱反力會隨著Fl和Fz角度的變化而有所增減，F(xiàn)z會隨著Fl和Fz角度的增大而有所減小，但是這樣就會使得拉線與地面的夾角變小，拉線長度增加。由于拉線和主柱的對地角度變化的范圍非常大，怎樣才能使這一組力在平衡的情況使得Fl和Fz都較小，則需要大量的試算及迭代。我們經(jīng)過大量的試算并參靠歐美規(guī)范對于拉線和主柱對地角度的要求，確定拉線的對地角度為52°，主柱的坡度為10/1。

3.3懸索拉線塔拉線的非線性分析

選取設(shè)計條件如下：

1）設(shè)計風(fēng)速：27m/s；設(shè)計覆冰厚：10mm；海拔：2000m；

2）設(shè)計呼高：48.0m；

3）設(shè)計水平檔距：480m；垂直檔距：650m；

4）導(dǎo)線型號：JL/G3A-900/40；地線型號：LBGJ-180-20AC；

5）分析工況：90°大風(fēng)、0°大風(fēng)、45°大風(fēng)、斷地線、斷導(dǎo)線、吊導(dǎo)線、覆冰。

由于拉線和主柱的對地角度已經(jīng)是一個定值，我們分別對三種懸索拉線塔在不同主柱寬度情況下進(jìn)行非線性分析，由于篇幅有限，現(xiàn)在只列出“V”串懸索拉線塔非線性計算結(jié)果，見表3.1。

表3.1 “V”串懸索拉線塔非線性計算結(jié)果

串型主柱寬度主材拉線重量（t）90°風(fēng)主柱頂點(diǎn)位移（mm）5m/s風(fēng)主柱撓度（mm）

主材規(guī)格控制工況材質(zhì)軸心壓力（kN）最大應(yīng)力比控制工況拉索力（kN）角鋼拉索重拉線總重

I串1.3mL90X845°風(fēng)Q345336.20.86404.4斷導(dǎo)線9.250.241.2110.7054.319.4

L100X845°風(fēng)Q345343.60.73404.6斷導(dǎo)線10.000.241.2111.4552.317.9

1.4mL90X845°風(fēng)Q345317.00.81404.3斷導(dǎo)線9.430.241.2110.8851.930.1

L100X845°風(fēng)Q345317.20.69404.6斷導(dǎo)線10.160.241.2111.6150.329.3

1.5mL90X845°風(fēng)Q345254.80.78404.6斷導(dǎo)線9.600.241.2111.0551.826.1

L100X845°風(fēng)Q345304.60.66404.5斷導(dǎo)線10.320.241.2111.7750.224.0

1.6mL90X845°風(fēng)Q345254.40.78402.4斷導(dǎo)線9.720.241.2111.1749.721.4

L100X845°風(fēng)Q345255.80.64405.0斷導(dǎo)線10.460.241.2111.9146.219.7

從表3.1中可以得到，對于“V”串懸索拉線塔，不同主柱寬度對應(yīng)的塔重近似呈拋物線變化規(guī)律，因此，綜合考慮塔重和桿件應(yīng)力比，得知當(dāng)主柱寬度取1.4m，主材采用Q345L90X8時為較優(yōu)方案，此時主柱的長細(xì)比λ=66，也滿足《技術(shù)規(guī)定》（DL/T 5154-2002）第7.2.4條“雙柱拉線塔主柱允許長細(xì)比為110”的規(guī)定。從計算結(jié)果可得，主柱主材角鋼規(guī)格由45°大風(fēng)控制，拉線規(guī)格由斷導(dǎo)線工況控制，而覆冰工況則對拉索規(guī)格選取起控制作用。

同理，對“I”串及“U”串懸索拉線塔進(jìn)行幾何非線性分析，得出“I”串及“U”串懸索拉線塔的最優(yōu)主柱寬度及主材規(guī)格。

通過對比優(yōu)化后的三種懸索拉線塔的塔重（包括塔材、拉線、拉索、金具等）、受力變形、電氣特性、占地面積等，推薦適合本工程的懸索拉線塔布置方案。見表3.2、表3.3。

表3.2 三種懸索拉線塔主材規(guī)格、應(yīng)力比、總重量計算結(jié)果

串型主柱寬度主材斜材重量（t）

主材規(guī)格材質(zhì)軸心壓力（kN）最大應(yīng)力比斜材規(guī)格最大應(yīng)力比塔材其它（拉索、拉線、金具）總重

“I”串1.5mL100X8Q345400.50.88L45X40.7012.43.7516.15

“V”串1.4mL90X8Q345317.00.81L45X40.619.42.9512.35

“U”串1.4mL90X8Q345323.80.85L45X40.6710.02.3412.34

表3.3 三種懸索拉線塔塔高、位移、占地面積

串型主柱

寬度塔高（m）主柱頂點(diǎn)

位移（mm）主柱撓

度（mm）占地面

積（m2）

X

“I”串1.5m58.0430.630.16940

“V”串1.4m48.0321.035.64875

“U”串1.4m52.0406.036.75222

從表3.2～3.3中可以看出，采用“I”串布置方式主材規(guī)格較大，且應(yīng)力比達(dá)到0.88，總重比“V”、“U”串方案分別增大34.1%和34.2%；從表3.3中可知，“I”串塔高比“V”串和“U”串分別增大10m、6m左右，主柱頂點(diǎn)位移和撓度均較大，從拉線點(diǎn)距離可以看出，“I”串布置方式占地面積較大，走廊寬度較寬。

“V”串布置方案比“U”串方案塔高降低4m左右，塔材重量減輕約6%，但由于前者拉線受力較大導(dǎo)致拉線規(guī)格加大，同時塔頭拉索較后者增加較多，引起拉線及金具重量加大，綜合下來總重略微增加約0.8%。垂直排列的“V”串，由于塔高較高，塔重最重，較水平排列“V”串重50%左右。

綜上所述，“V”串懸索拉線塔無論在塔重指標(biāo)方面還是在變形、穩(wěn)定性、占地面積等方面均表現(xiàn)出較好的特性，是懸索拉線塔中最優(yōu)的方案。

4 懸索拉線塔自立式鐵塔的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

表4.1 “V”串懸索拉線塔與變截面單柱拉線塔及自立式鐵塔造價對比

鐵塔部分基礎(chǔ)部分總造價

（萬元）百分比

塔型塔重（t）鋼絞線及金具重（t）基礎(chǔ)類型基礎(chǔ)形式基礎(chǔ)個數(shù)工程量（合計）

混凝土（m3）鋼筋（kg）

自立式30.510塔腿基礎(chǔ)大開挖451.2572043.65100.0%

立柱基礎(chǔ)大開挖15.18532

懸索拉線塔9.432.95拉線基礎(chǔ)大開挖416.52176220.6947.4%

立柱基礎(chǔ)大開挖26.18627

我們采用一般靜力線性的計算方法，設(shè)計了與懸索拉線塔同樣設(shè)計條件的自立式鐵塔，塔型為I型直線塔。比較這兩種塔型的綜合造價，見表4.1

由表4.1我們可以看出，懸索拉線塔的總造價只有傳統(tǒng)自立式鐵塔的47.4%，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢巨大，若在廣袤無垠的戈壁灘地段采用懸索拉線塔可以顯著的減少工程投資。當(dāng)然，經(jīng)濟(jì)性只是衡量塔型優(yōu)劣的一方面，我們應(yīng)從各方面比較拉線塔與自立式鐵塔的優(yōu)劣。表4.2列出了兩種型式的拉線塔與自立式鐵塔各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

表4.2 拉線塔與自立式鐵塔優(yōu)缺點(diǎn)對比

塔型單線圖優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)造價比適用性

自立式

塔 1.常用、成熟塔型；

2.型式簡單、美觀；

3.傳力清楚；

4.塔重最輕、基礎(chǔ)費(fèi)用?。?/p>

5.運(yùn)行維護(hù)方便。1.縱向抗扭能力較差；

2.覆冰斷線和不均勻冰時，鐵塔扭轉(zhuǎn)變形較大；

3.橫擔(dān)正面部分斜材受力較大。1.000適用于各種地形

懸索拉線

塔 1.塔重最輕；

2.構(gòu)造簡潔、傳力明確；

3.制作加工方便快速；

4.施工速度較快。

1.拉線對地形要求高；

2.拉線占地面積最大；

3.電氣特性有待研究；

4.運(yùn)行維護(hù)相對困難。

0.47戈壁灘等平坦開闊的I型直線塔可以采，以最大程度的降低工程造價。

懸索拉線塔在工程一次性投資上的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢顯得十分明顯，但與自立塔相比，拉線塔的占地面積、運(yùn)行維護(hù)工作量及后期費(fèi)用較大。

5 結(jié)論及建議

懸索拉線塔較傳統(tǒng)的自立式鐵塔具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，且設(shè)計分析及技術(shù)條件已經(jīng)具備，但與自立塔相比，拉線塔的占地面積、運(yùn)行維護(hù)工作量及后期費(fèi)用較大。若要充分發(fā)揮懸索拉線塔的特點(diǎn)，在特高壓直流輸電線路中早日推廣，還需要充分征求運(yùn)行維護(hù)單的意見，同時在驗收和運(yùn)行維護(hù)規(guī)程上進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，使其與特高壓拉線塔的自身變形特點(diǎn)相適應(yīng)，從而減少運(yùn)維單位的工作量，使拉線塔能充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢。此外，在懸索拉線塔的真型試驗及電氣特性方面還需做進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50017-2003.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[S].計劃出版社，2003.

[2]DL/T 5154-2002.《架空送電線路桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》[S].中國電力出版社，2002.

[3]AISC，Load and Resistance Factor Design Specification for Single-Angle Members[S]，Chicago，2000.