緊湊型直線塔V 型絕緣子串受力分析

祝綜聲，張 健，李曉光

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長(zhǎng)春 130021）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，電力建設(shè)與城鎮(zhèn)規(guī)劃的矛盾不斷顯現(xiàn)，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，線路走廊問(wèn)題顯得尤為突出。減小高壓線路通道寬度，降低對(duì)環(huán)境的影響，以適應(yīng)社會(huì)發(fā)展，成為線路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。采用V 型絕緣子串可限制絕緣子串搖擺、減小塔頭尺寸、降低耗鋼量并減小線路走廊寬度，但V 型絕緣子串屬于大位移、非剛性、非柔性的受力體系，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)有搖擺角，這使得其受力分析十分復(fù)雜［1］。本文以500kV 某輸電線路工程為背景，以一個(gè)緊湊型直線塔為例，對(duì)V 型絕緣子串的受力進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

1 緊湊型直線塔V 型絕緣子串懸掛方式

500kV 緊湊型鐵塔塔頭集中了三相導(dǎo)線，為了限制導(dǎo)線的擺動(dòng)，采用V 型絕緣子串方式懸掛。當(dāng)導(dǎo)線垂直荷載較大時(shí)，由于下相V 串夾角較大，導(dǎo)致V 串掛點(diǎn)水平荷載過(guò)大，所以加設(shè)一支懸垂絕緣子串主要承受下導(dǎo)線的垂直荷載。

圖1為緊湊型直線塔塔頭實(shí)景圖，三相導(dǎo)線呈倒三角形排列，上兩相為V 串，下相為V 串與懸垂串配合使用。

圖1 緊湊型直線塔塔頭實(shí)景圖

2 受力分析

2.1 V串受力分析

下相由于三串絕緣子交于一點(diǎn)形成空間超靜定力學(xué)體系（見(jiàn)圖1），工作機(jī)理比較復(fù)雜。為理清設(shè)計(jì)思路，分析各串的控制條件，使三串在各種工況下均不出現(xiàn)同時(shí)受力情況，可在下相V 串中加設(shè)調(diào)整板，使下相V 串兩臂在正常情況下呈松弛狀態(tài)，垂直荷重主要由中吊串承擔(dān)，將垂直荷載直接傳到橫擔(dān)上［2］。當(dāng)側(cè)向風(fēng)吹時(shí)，V 串一臂和懸垂串共同工作，V 串另一臂松弛；當(dāng)出現(xiàn)不平衡張力如縱向來(lái)風(fēng)、斷線時(shí)，懸垂串轉(zhuǎn)動(dòng)半徑很大，退出承載狀態(tài)，由V 串承受全部荷載。

根據(jù)上述假設(shè)，用數(shù)學(xué)模型來(lái)分析，V 串要承受導(dǎo)線傳來(lái)的橫向力P，垂直力G和縱向力T（V 串自身重力可忽略）。

2.1.1 V 串掛點(diǎn)在同一水平線［1］

當(dāng)V 串掛點(diǎn)在同一水平線上時(shí)，受力情況見(jiàn)圖2，V 串的掛點(diǎn)分別為A、B，導(dǎo)線在V 串上的作用點(diǎn)為E，2個(gè)絕緣子串的內(nèi)力分別為S1和S2。

圖2 兩掛點(diǎn)等高情況示意圖

a.荷載P、G、T共同作用，當(dāng)S1、S2的值不小于零時(shí)，A、B兩點(diǎn)反力如下：

b.雖然從實(shí)際運(yùn)行和實(shí)驗(yàn)情況看，一側(cè)的絕緣子是允許輕微受壓的，但計(jì)算時(shí)，還是假設(shè)絕緣子串不能受壓。當(dāng)BE串受力為零，即S2＝0時(shí)，A點(diǎn)反力為：

2.1.2 V 串兩掛點(diǎn)不等高［1］

當(dāng)V 串兩掛點(diǎn)不等高時(shí)，受力情況見(jiàn)圖3。

圖3 兩掛點(diǎn)不等高情況示意圖

C點(diǎn)受力：

D點(diǎn)受力：

不同工況下絕緣子串受力的不同，用圖4說(shuō)明，根據(jù)以上所述計(jì)算方法，用2種掛線方式計(jì)算，取圖4a、圖4b兩者中選材較大的。

2.2 V型掛架受力分析

1串的右掛點(diǎn)和2串的左掛點(diǎn)以及4串的右掛點(diǎn)都掛在80點(diǎn)上，80點(diǎn)是一個(gè)掛架，51、50為掛架掛在橫擔(dān)下平面的掛點(diǎn)，掛架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。掛架是一個(gè)平面結(jié)構(gòu)，在外力的作用下可以繞51、50軸前后轉(zhuǎn)動(dòng)，和鐵塔的其他構(gòu)件不能構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以不能用程序直接計(jì)算，需要人為地把80點(diǎn)的荷載進(jìn)行換算。以往工程是把1串右側(cè)荷載加到50點(diǎn)，把2串左側(cè)荷載加到51點(diǎn)，把4串右側(cè)荷載分0.6到51點(diǎn)，0.4 到50 點(diǎn)，之后用程序可以直接把荷載加載到51、50兩點(diǎn)，方便快捷，表1為2種不同掛線方式時(shí)51、50點(diǎn)的荷載。

圖4 兩種不同掛線方式

圖5 掛架結(jié)構(gòu)圖

上述是工程上的簡(jiǎn)化算法，但是并不精確，原因是把1串右側(cè)荷載直接加到50點(diǎn)時(shí)，相當(dāng)于把掛架50—80也當(dāng)做絕緣子串分析了，但實(shí)際上掛架是由剛性的角鋼構(gòu)成，51—80和50—80 都是可以承受壓力的，所以用程序計(jì)算出1串的右側(cè)荷載、2串的左側(cè)荷載以及4串的右側(cè)荷載加到80點(diǎn)的總荷載后，需按照?qǐng)D2所示，按2.1.1中公式所列的方法手工分解各工況下80點(diǎn)的力，計(jì)算出51、50兩點(diǎn)荷載（見(jiàn)表2）。

用表1、表2兩種方法算出80點(diǎn)的荷載在塔身上的分解力后，加載到塔身上，然后用程序計(jì)算桿件規(guī)格，塔頭桿件節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖6，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3（表中單位為mm）。

3 結(jié)束語(yǔ)

a.本文從理論上分析了V 型絕緣子串的受力情況，通過(guò)表1和表2兩種方法分析得到其差別，表2方法在鐵塔橫擔(dān)上的選材稍大些。

表1 簡(jiǎn)化法計(jì)算2種掛線方式51、50點(diǎn)的荷載

表2 手工分解內(nèi)力法計(jì)算2種掛線方式51、50點(diǎn)的荷載

表3 桿件規(guī)格

圖6 塔頭桿件節(jié)點(diǎn)

b.在塔身的選材上兩者差別不大，因?yàn)閽旒艿某叽缦鄬?duì)于整個(gè)塔頭來(lái)說(shuō)占的比例很小，所以不同方法計(jì)算的力對(duì)整個(gè)鐵塔影響不大，只有減腿多時(shí)，表2方法的短腿腿部斜材選材略大。

c.理論上分析V 型絕緣子串比較簡(jiǎn)單，但實(shí)際上絕緣子自身也有重力，加之金具的連接，使得背風(fēng)側(cè)的絕緣子允許輕微受壓。隨著理論研究水平的不斷提高，會(huì)有更多的因素和情況被納入到這一結(jié)構(gòu)的計(jì)算范疇，使其趨于完善。

d.鑒于V 型絕緣子串這一結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和特殊性，對(duì)其的受力分析是緊湊型線路設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，值得更加深入的學(xué)習(xí)和探討。

［1］ 耿秀蘭.V 型絕緣子串的受 力分析［J］.青海 電力，1994，（4）：36－44.

［2］ 吳靜，楊靖波，邢海軍，等.750kV 同塔雙回及單回緊湊型桿塔結(jié)構(gòu)研究［C］.西安：出版者不祥，2008.