500kV重冰區同塔雙回耐張塔設計及試驗研究

韓大剛，劉洪昌，馮勇，李美峰，肖兵，肖洪偉，楊洋

(西南電力設計院，成都市 610021)

0 引言

重冰區輸電線路由于導、地線覆冰、脫冰的多變性和不均勻性，使得導、地線易發生舞動或跳躍，進而可能導致閃絡跳閘事故。因此，國內外重冰區線路一般采用單回導線水平排列的布置方式，當出現導、地線不均勻脫冰隨機跳躍時，各相具有足夠的安全間距。

隨著電網的發展，輸電走廊資源日益匱乏，為了充分利用有限的輸電通道，在我國西南等易覆冰區采用同塔雙回的輸電方式也迫在眉睫。

由于重冰區同塔雙回導、地線覆冰和脫冰的復雜性，國內外關于此方面的研究十分匱乏，世界上尚無500kV交流超高壓線路應用同塔雙回輸電的先例。

鑒于重冰區同塔雙回輸電設計具有重要的工程應用價值，西南電力設計院在已有的單回路重冰區輸電線路設計經驗基礎上，開展了一系列的同塔雙回路重冰區的設計研究工作，其核心內容是重覆冰輸電線路脫冰動力響應研究、桿塔型式和設計研究。本文以國內某20 mm重冰區輸電工程首次采用的同塔雙回耐張塔SJB4261為例，分析重冰區同塔雙回的桿塔設計及試驗情況。

1 SJB4261鐵塔設計概況

SJB4261鐵塔是該輸電線路工程20 mm重冰區中較典型且使用量較大的一種耐張塔，作為世界上首次在500kV重冰區輸電線路應用的塔型，其安全可靠性、設計合理性對后續重冰區同塔雙回路的設計具有里程碑意義。因此，在工程應用前，對該塔型做了較為全面的設計分析和重要工況的試驗驗證。

1.1 鐵塔基本參數

SJB4261試驗塔依據《重覆冰架空輸電線路設計技術規程》［1］、《110 kV ～750 kV 架空輸電線路設計規范》［2］和中國電力工程顧問集團公司科技項目的相關成果［3］進行設計。

鐵塔的設計風速為30 m/s(距地10 m高)，設計覆冰20 mm，導線采用4×LGJ－630/45，地線采用OPGW－140B，水平檔距250/350 m，垂直檔距500/700(－300/0)m，轉角度數為0°～15°。鐵塔外形如圖1所示。

圖1 SJB4261鐵塔一覽圖Fig.1 General map of SJB4261 tower

1.2 鐵塔設計要點

1.2.1 塔頭尺寸

由于SJB4261鐵塔是國內首次應用于500kV重冰區同塔雙回路線路，與常規的單回路重冰區鐵塔相比，其塔頭尺寸的確定是鐵塔設計首要解決的問題。

通過采用數值模擬分析手段［4］得出了重冰區導地線脫冰跳躍和覆冰舞動的規律，塔頭的電氣性能尺寸如表1所示。

表1 SJB4261耐張塔塔頭尺寸Tab.1 Head size of SJB4261 strain tower

1.2.2 桿塔布置型式

對于重冰區雙回路直線塔，根據電氣性能的要求，可采用水平排列、三角形排列和垂直排列3種方式，如圖2所示，其線間相對位移不應低于表2中的數值。

圖2 重冰區同塔雙回塔型導線布置型式Fig.2 Conductor arrangement of double-circuit transmission line in heavy icing area

表2 重冰區雙回路直線塔塔頭電氣尺寸Tab.2 Electrical size of strain tower's head of double-circuit transmission line in heavy icing area

由圖2中3種布置型式可以看出，垂直排列方式占用走廊寬度最小，且由于重冰區線路多在高陡山區，垂直排列方式橫擔長度最短，適宜山區走線，而其他排列方式橫擔較長則可能導致邊線或風偏對地距離不足而對地開方或加高鐵塔。由表3可見對于山區常見20°坡度，為滿足邊線對地距離要求，與平地相比3種排列方式塔高分別增加9，6，3 m，采用垂直排列方式塔重指標最優。

表3 導線排列方式對比分析表Tab.3 Comparison of conductors'arrangement

此外，橫擔較短的鐵塔在重冰區承受不均勻覆冰產生的扭力時，抗變形能力較好，因此，重冰區同塔雙回線路首選導線垂直排列的布置型式。

1.2.3 單雙回路經濟性對比

由表4可以看出，500kV線路20 mm重冰區采用同塔雙回輸電較2個單回本體投資增加41%，雖然理論上采用雙回不如2個單回經濟，但采用雙回一方面可以節約線路走廊，減少房屋拆遷、走廊清理、林木砍伐等，避免了因環境破壞帶來的社會問題;另一方面，在實際工程應用中，對于走廊資源十分擁擠的區段，2個單回與1個單回的投資并不是簡單的2倍關系，由于較多的房屋拆遷和征地費用，2個單回的總投資反而比1個雙回要高。此外有些重冰區段的走廊資源僅能容納1條輸電線路，因此經過該類地區的大容量輸電線路必須采用同塔雙回輸電方式。

表4 單雙回路經濟性對比表Tab.4 Economic contrast between single circuit and double circuit

1.2.4 構件斷面型式及材質

目前常用鐵塔構件斷面型式為角鋼和鋼管，雖然鋼管具有截面特性好、承載能力高、塔重較小的優勢，但考慮重冰區線路多處于人煙罕至的高山大嶺，鋼管塔材的運輸及組裝十分困難。因此，對于重冰區雙回路鐵塔主材可采用應用十分成熟的Q420高強度大規格角鋼、受力較小的斜材采用Q345、Q235常規角鋼。

SJB4261試驗塔呼高33 m，全高78.5 m，全塔質量192.4 t，腿部主材規格為Q420大規格角鋼2L220×26B，構件連接螺栓M16、M20采用6.8級，M24采用8.8級。

2 SJB4261鐵塔試驗概況

2.1 試驗工況

SJB4261采用基于桿單元模型的道亨滿應力設計軟件進行構件內力計算和選材，根據主要桿件內力的控制工況，選取了9種工況進行試驗，包含了重冰區鐵塔設計的斷線、不均勻冰、錨線、大風和覆冰等典型工況，試驗順序和工況名稱如表5所示。

表5 試驗工況及控制構件表Tab.5 Test conditions and control members

2.2 試驗加荷原則及測點布置

試驗工況1～8的橫向、縱向、垂直荷載按0—50%—75%—90%—95%—100%—0順序加荷。

工況9為試驗塔的超載工況，其荷載按0—50%—75%—90%—95%—100%—105%—110%—115%—120%—0的順序加荷。

SJB4261試驗塔共布置了12個位移測點，分別在地線支架、橫擔的端部和主材節點上，如圖3中a～m所示;應變測點共31個，共計應變片136片，分布在受力復雜的斜材和關鍵部位的主材上，如圖3中1～31所示。

試驗順利完成了1～9個工況的荷載測試，結合試驗中采集的大量位移和應變數據，下文基于有限元方法和試驗進行對比分析。

3 SJB4261鐵塔試驗分析

由于重冰區同塔雙回鐵塔的主材及與主材相連的斜材均受力較大，塔身主、斜材連接的螺栓數量通常達到4顆以上。文獻研究表明［5］當主斜材連接超過2顆螺栓時，節點面內彎矩與節點全剛接時極限彎矩的比值在70%以上，而采用常規桿單元分析模型無法模擬桿件由于節點螺栓群的約束產生的彎矩。

1000kV鋼管塔試驗［6-8］表明，在構件截面剛度較大時，次彎矩對鐵塔受力的影響不容忽視。由于重冰區同塔雙回鐵塔負荷較大，主材桿件的截面積較常規500kV輸電線路的轉角塔大1倍以上，為了充分考查不同單元模型與鐵塔受力的影響，文中分別建立了桿單元、梁單元、梁－桿混合單元(主材為梁單元，斜材為桿單元)的有限元模型，以便充分探索主、斜材連接螺栓較多時和主材構件截面剛度較大時次彎矩對鐵塔受力的影響，圖4為該試驗塔ANSYS有限元分析模型。

圖3 位移及應變測點布置圖Fig.3 Arrangement of displacement and strain measuring points

分析計算時，桿單元采用LINK8單元、梁單元采用BEAM188單元，鋼材的彈性模型取2.06×105N/mm2，泊松比取0.3?？紤]重冰區鐵塔受力后存在較大的結構變形，有限元分析也進行了非線性計算，非線性分析時，構件采用理想彈塑雙折線本構模型，并打開NLGEOM選項，計入大變形的幾何非線性影響。

3.1 變形分析

繪制測點在各工況荷載作用下的位移實測值如圖5所示。可以看出各測點x、z最大位移出現在工況9，工況8控制各測點的y向位移。

b、i、j、k、m 共5 處典型測點分布于不同高度的主材上，其x方向位移能夠體現鐵塔的整體變形;a～h共8處典型測點對稱分布于地線支架和橫擔兩端，其變形能夠很好體現鐵塔在不均勻冰扭矩作用下的y向變形;b、d、f、h共4處測點分布于內角側地線支架和橫擔的一端，其z方向位移體現了鐵塔的最大z向位移值。因此，變形計算分析中重點關注了上述測點。

考慮不同計算模型可能導致位移計算結果的差異，表6、7給出了以工況9在100%荷載作用下，典型測點處 x、z方向位移值，表8給出了以工況8在100%荷載作用下典型測點在y方向的位移值。計算模型包括線性桿單元、線性梁單元、線性梁－桿單元和非線性桿單元、非線性梁單元、非線性梁－桿單元共6種情況。

由表6～8可以看出，上述6種計算模型在典型測點處的位移計算值之間差異不足4%，說明計算模型中單元類型的選擇和是否考慮非線性對變形計算影響不大。圖6以線性梁－桿單元的位移計算為例，給出了其與實測值的對比圖?？梢钥闯龅湫蜏y點處的 x、y、z方向位移實測值均大于計算值，其中 x、y、z方向實測值的最大值比計算值的最大值分別大31%、191%、6%。國內外較多研究成果［9-16］表明鐵塔位移實測值比計算值大的主要原因為螺栓連接滑移的影響，由于螺栓滑移機理較為復雜［17-19］，多數研究僅局限于單顆或少量螺栓和單根或少量構件結構的螺栓滑移規律及對結構變形的影響，對螺栓群的滑移分析及對大規模構件的鐵塔的變形影響尚無參考文獻。本次位移計算表明，螺栓滑移對鐵塔結構x、y、z變形的影響程度并不相同，其中y方向的影響最為顯著，其次為x方向，z方向的變形影響最小。

圖6 位移實測值與計算值對比圖Fig.6 Comparison of displacement between actual testing value and calculated value

由于y向位移最大值出現在不均勻覆冰受扭工況，該工況控制較多的鐵塔斜材，由于斜材剛度較小，螺栓滑移效應的影響更明顯;而x、z向位移最大值出現在覆冰工況，該工況主要控制鐵塔主材，由于主材剛度較大，螺栓滑移效應的影響相對較小。

圖7給出了鐵塔位移云圖。試驗表明，鐵塔x向最大位移值為527 mm，鐵塔全高約78.5 m，位移值為鐵塔高度的6.7‰，滿足正常使用要求。y向最大位移值為1381 mm，出現在地線支架端部，地線支架長度21.8 m，位移值為其長度的6.2%，與常規輕冰區耐張塔基本相當，滿足要求。z向最大位移值為319 mm，變形較小，滿足要求。

3.2 應力分析

由于鐵塔構件較多，工況計算較為復雜，本文以工況9為例重點考察覆冰工況對鐵塔主材的影響，應變測點7、14、15、16、17、18 分布于 D 腿側主材上，這些測點的應變值能夠較好地反映鐵塔主材受力情況，因此應力分析以此6處測點作為典型測點。

圖7 鐵塔各向位移云圖(比例因子為10)Fig.7 Displacement nephogram of tower in each direction(scale factor of 10)

與變形分析的思路一致，為了考慮不同計算模型可能導致應力計算結果的差異，表9給出了以工況9在100%荷載作用下為例，各典型測點處的應力計算值，其中σN為軸向應力、σMy為梁單元的y向彎曲應力、σMz為梁單元的z向彎曲應力。由表9可以看出，非線性對主材應力影響甚小，不同單元類型對軸向應力的計算結果也影響不大。但鐵塔所有桿件若均簡化為桿單元，則計算結果忽略了因主材剛度較大而產生的次彎矩，不難看出，在變坡點附近的16、17號測點彎矩產生的應力較大，可達軸向應力的27%。

表10給出了線性梁－桿單元的計算值與實測值的對比，從實測值可以看出，主材角鋼同一截面不同部位的應力值并不相同，存在極大值和極小值。其原因是主材并非完全承受軸力，還承受了y向和z向的彎矩，由于軸向應力與彎曲應力相互疊加，導致了同一截面不同角鋼肢上的應力值并不相同。

由主材應力分析圖8可以看出，理論計算的軸向應力值σN介于實測最大值與最小值之間，軸向應力與彎曲應力疊加的最大計算值和最小計算值分別為σN+(σMy+σMz)/2、σN－(σMy+σMz)/2，該兩項值的曲線與實測最大值和最小值吻合較好，說明主材次彎矩是導致截面應力分布不均的主要因素。

圖9給出了鐵塔變坡以下主材的y向和z向彎矩分布，可以看出主材y向彎矩由上至下是增大的趨勢，z向彎矩由上至下是減小的趨勢，該規律與圖8中彎曲應力的分布基本一致。此外，在身部K材與主材連接的部位和塔腿倒數第2節間附近彎矩影響最為顯著，其次為變坡處的z向彎矩也較大。因此，在設計時該部位的主材應適當加強應力儲備以考慮彎矩的影響。

4 結論

(1)重冰區多處于山區，采用導線垂直排列的雙回路塔型具有較好的地形適應性和經濟性。

(2)500kV線路20 mm重冰區采用同塔雙回輸電較2個單回本體投資增加41%，雖然理論上采用雙回不如2個單回經濟，但在實際工程應用中，對于走廊資源十分擁擠或僅能容納1條輸電線路的區段，由于較多的房屋拆遷和征地費用，2個單回的總投資可能較1個雙回要高。因此，對于走廊資源十分緊張的重覆冰地區，推薦采用同塔雙回的輸電方式。

(3)較多研究表明，螺栓滑移效應是鐵塔變形增大的主要因素。有限元分析顯示其對x、y、z向的變形影響程度并不一致，對y向變形影響最大，其次為x向和z向。由于y向位移的最大值與斜材剛度有關，x、z向位移最大值與主材剛度有關，說明螺栓滑移效應對剛度較小的構件影響更大。

(4)大量計算表明采用不同的計算模型得出的鐵塔變形值差異不大，但計算值一般小于實測值。因此，以計算變形值推測鐵塔實際的變形并不合理，特別是外荷載較大的重冰區鐵塔，實際變形值可能達到計算值的3倍。從試驗情況來看，重冰區采用導線垂直排列塔型，橫擔長度最短，較好地控制了y向位移，實測值能夠滿足正常使用要求。

(5)由于500kV重冰區同塔雙回耐張塔受力較大，主、斜材連接螺栓數較多和主材構件截面剛度較大，采用常規桿單元的計算會忽略主材的彎曲應力，采用梁－桿單元模型能夠較好地反映主材受力情況。

分析表明，在身部K材與主材連接的部位和塔腿主材倒數第2節間附近彎矩影響最為顯著，其次為變坡處的z向彎矩也較大。因此，在設計時該部位的主材應適當加強應力儲備以考慮彎矩的影響。

(6)真型塔試驗成功表明，20 mm重冰區應用導線垂直排列的雙回路鐵塔是可行的，能夠滿足線路的安全、可靠運行。試驗鐵塔y向變形的實測值與計算值差異較大，說明精確模擬螺栓群的滑移效應及其對輸電鐵塔該類大規模構件體系的變形影響還有待進一步研究。

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