直流輸電線路雙柱懸索拉線塔設計

郭峰，李晨，施菁華，吳啟維，劉瑋

(華北電力設計院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

從20世紀80年代開始，除雙柱懸索拉線塔外的拉線塔在我國330、500 kV線路中得到了廣泛應用。但是由于拉線塔占地面積大，運行維護工作量較大［1］，在后來工程中使用較少。

與國內不同，美國、加拿大、南非［2］及俄羅斯［3］等國家在345～765 kV電壓等級的線路中大面積使用了拉線塔。魁北克水電局對自力式鐵塔、拉V塔、雙柱懸索拉線塔進行了經濟性比較，結果表明雙柱懸索拉線塔經濟性較好，其造價為自力式鐵塔的50％左右，為拉V塔的90％左右［4］。

1973年，魁北克水電局對雙柱懸索拉線塔進行了放線、緊線和動力問題研究。魁北克省內詹姆斯電力系統的3條735 kV線路(2 000 km)采用雙柱懸索拉線塔［4］。國內尚未有關于雙柱懸索拉線塔的研究。

隨著我國西部大開發的發展，部分輸電線路工程經過西北戈壁荒漠地區，這些地區地形平坦，基礎占地費用較低，使用拉線塔的經濟性優勢明顯。哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程，線路沿線主要為荒漠戈壁，為降低工程造價本文對雙柱懸索拉線塔的工程應用進行了綜合比較和研究。

本文采用有限元軟件對雙柱懸索拉線塔的動力特性、靜力特性、拉線及金具設計等方面進行分析。雙柱懸索拉線塔在絕緣、間隙、防雷和金具方面與自立塔差別不大；在占地因素不成為制約條件的情況時，雙柱懸索拉線塔經濟性較好，再考慮運輸、人力等費用，其經濟效益明顯。

1 雙柱懸索拉線塔設計

1.1 設計條件

為分析雙柱懸索拉線塔的經濟性、靜力特性、動力學特性，本文依托哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程，按照以下輸入條件進行直線塔設計：電壓等級為 ±800 kV；單回路；設計風速為33 m/s；設計覆冰為5 mm；海拔高度為1 000 m；水平檔距為530 m；垂直檔距為650 m；導線為6×JL/ G3A－900/40；左地線為BGJ－180－20AC；右地線為OPGW－180；轉角度數為0°；計算呼高為51 m。

本文采用美國Power Line System公司的Tower軟件進行雙柱懸索拉線塔及羊角形拉線塔設計分析。此程序采用SAPS有限元分析內核，計算中考慮幾何非線性，可以分析有大變形的柔索結構。

1.2 鐵塔外形尺寸

雙柱懸索拉線塔在外力作用下，懸索變形較大，計算過程中必須考慮幾何非線性。各種不同負荷狀態下掛點的位置變化很大，造成雙柱懸索拉線塔的電氣間隙設計不同于傳統桿塔，因此必須根據電氣間隙初步確定雙柱懸索拉線塔的外形尺寸。然后結合電氣負荷計算懸索各工況荷載作用下的變形，根據變形后的掛點位置進行第2次電氣間隙校驗，調整雙柱間距，以相同的方式進行多次迭代直至滿足要求。進而確定雙柱懸索拉線塔的外形尺寸。雙柱懸索拉線塔的塔身尺寸確定流程如圖1所示。

圖2為第1次迭代中大氣過電壓、操作過電壓和工頻過電壓工況下考慮幾何非線性的懸索拉線塔的變形情況。可見雙柱懸索拉線塔變形量并不大，實際設計過程中經過2次迭代應該即可滿足使用要求，此部分工作量不大。

經過2次迭代，即得到了滿足要求的鐵塔外形尺寸，最終掛點位移及外形尺寸如表1所示。

表1 掛點最終位移Tab.1 Final disp lacement of hanging points

由于本次設計鐵塔的操作過電壓和大氣過電壓工況的荷載輸入條件一致，因此掛點位移相同。最終計算結果：立柱支座根開為31.9 m；立柱頂部水平距離為42.1 m；拉線正面根開為109.2 m；拉線側面根開為45 m；塔質量為21 870 kg。

2 雙柱懸索拉線塔的動力特性

采用有限元軟件ANSYS建立雙柱懸索拉線塔有限元模型，進行桿塔動力特性分析。在建立雙柱懸索拉線塔有限元模型中主材采用Beam188單元模擬，斜材采用Link8桿單元模擬，拉索采用Link10桿單元模擬。

雙柱懸索拉線塔的各階陣型及頻率如圖3所示，本文僅給出了拉線和支柱的前3階陣型。

圖3 雙柱懸索拉線塔陣型Fig.3 Dynam icmodels of double column suspended guyed tower

結果表明：雙柱懸索拉線塔的前16階陣型都是拉線的振動，設計過程中應對拉線及拉線金具進行疲勞計算。第16階陣型之后是格構柱的振動，該塔的第17階和18階振型分別為垂直線路和順線路的彎曲振型，振型頻率較接近，結果與多數輸電鐵塔的計算結果相似，表明該塔型在垂直線路和順線路方向的剛度雖存在差異，但仍很接近，這對于輸電塔的設計來說是一種比較理想的情況。第18階振型為繞z向的扭轉陣型，其扭轉頻率與1階頻率比值為4.032。本次動力分析結果表明，扭轉陣型出現的頻率為4.032 Hz，比1階陣型高200％左右，陣型頻率處于較合理的范圍。對于以縱橫向1階振型為主進行設計的輸電塔而言，是比較合理的。

3 拉線及金具設計

拉線塔依靠拉線承受荷載和維持自身穩定，一旦拉線元件受到破壞，鐵塔安全將受到威脅［2］。1根拉線遭破壞，鐵塔就失去穩定，所以對拉線的設計十分必要。

雙柱懸索拉線塔的拉線計算拉力為773.586 kN，依據文獻［5］的拉線計算公式，在不考慮安全系數的前提下，需要選用拉線規格為2根37股(3.5 mm直徑鋼絲)公稱抗拉強度1 570 MPa的鍍鋅鋼絞線；考慮到拉線的重要性，安全系數取2.2，這樣就需要拉線規格為3根37股(4.0 mm直徑鋼絲)公稱抗拉強度1 470 MPa的鍍鋅鋼絞線，這是文獻［3］給出的最大規格的鋼絞線。根據文獻［6］前言說明，選用的鋼絲公稱抗拉強度級別高于日本標準［7］。

根據雙柱懸索拉線塔的拉線負荷，通過試驗研制新型的拉線壓接線夾、拉線連接金具等連接金具。根據計算，每基雙柱懸索拉線塔的拉線及金具材料量為：拉線規格為3×37－28.0－1470A，長度為64 m，分裂根數為3，組數為4，質量為2 973 kg；拉線金具質量為750 kg；

由以上計算可知，全塔的拉線質量達到3.7 t，占全塔質量的17％，相對于常規500 kV拉線塔，增大7％左右。

常規500 kV拉線塔多采用1根拉線，750 kV拉線塔使用的2根拉線。而本文鐵塔算例由于荷載大，經計算需要采用3根拉線，需要研究拉線金具新的連接方式。選用的拉線金具連接方式如圖4所示。

4 雙柱懸索拉線塔的特點

自力式鐵塔、傳統拉線塔和雙柱懸索拉線塔的特點綜合比較如表2所示。

通過綜合比較可知，3種塔型在絕緣、間隙、防雷和金具方面差別不大；雙柱懸索拉線塔經濟性較好，考慮運輸、人力等費用，其經濟效益明顯。

由于拉線塔塔基影響面積較大，國內500 kV及以上線路中已經很少使用拉線塔。但是，哈密—鄭州±800 kV特高壓直流輸電線路工程沿線主要為戈壁荒漠地區，對工程占地問題不敏感，而且隨著西部大開發的深入發展，經過荒漠戈壁地區的輸電線路工程將逐漸增多，在此類工程中應用拉線塔的經濟性將更加明顯。

5 結論

(1)雙柱懸索拉線塔在外力作用下，懸索變形大，計算過程中必須考慮懸索的幾何非線性。雙柱懸索拉線塔的設計不同于傳統桿塔，需結合電氣負荷計算懸索各工況荷載作用下的變形，進行電氣間隙校驗，確定鐵塔的外形尺寸。

(2)雙柱懸索拉線塔的前16階陣型都是拉線的振動，設計過程中應對拉線及拉線金具進行疲勞計算。

(3)需要通過試驗，研制新型的拉線壓接線夾、拉線連接金具等連接金具以滿足雙柱懸索拉線塔的需要。

(4)通過綜合比較可知，自力式鐵塔、傳統拉線塔和雙柱懸索拉線塔3種塔型在絕緣、間隙、防雷和金具方面差別不大；對于荒漠戈壁區域雙柱懸索拉線塔經濟效益明顯。

［1］林鳳羽.對500 kV輸電線路拉線塔使用的建議［J］.電力建設，1997(2)：30-31.

［2］李慶龍.國家電力公司赴南非輸電線路考察團考察報告［R］.北京：國家電力公司，2000.

［3］錢慶林.俄羅斯電力系統及電網技術介紹［J］.山東電力技術，2008(3)：13-18.

［4］丁景發.加拿大735 kV軟橫索懸掛鐵塔輸電線路的設計和建造［J］.電力技術，1991(1)60-63.

［5］張殿生.電力工程高壓送電線路設計手冊［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［6］YB/T 5004—2001鍍鋅鋼絞線［S］.北京：中國標準出版社，2007.

［7］JISG3537—1994 Zinc-coated steelwire strands［S］.日本：日本標準出版社，1994.

［8］丁保民.單柱拉線塔分解組立技術解析［J］.山東電力高等專科學校學報，2001(1)：22-25.

［9］賈德福.500 kV拉貓塔拉線松馳淺析與調整［J］.華東電力，1990 (12)：27-30.

［10］ASCE 10—97 Design of Latticed Steel Transmission Structures［S］.ASCE，1997.