懸索拉線塔在±800kV特高壓直流輸電線路工程中的應用研究

1國家開發銀行股份有限公司山西省分行 030006；2國網西安供電公司 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、變形特點及承載能力等方面的非線性分析，得出拉線塔較常規自立式鐵塔具有良好技術經濟性特點的結論。

關鍵詞：特高壓；懸索拉線塔；非線性分析；經濟性

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，這些地段地勢平坦開闊，人煙稀少，為拉線塔的應用提供了得天獨厚的地理條件。因此，有必要對這些沿線地形較為特殊地區所使用的塔型進行有針對性的研究，進一步優化工程塔型結構。

2 國內外拉線塔綜述

拉線塔具有結構受力清晰、塔重指標經濟等優點，作為主要塔型之一，拉線塔在國內外高壓輸電線路工程建設之初就得到使用。前蘇聯在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。

國內在220kV、330kV以及500kV輸電線路工程中均使用過拉線塔，但當時由于電算技術發展有限，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，設計不是很精細。且當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，因整體位移而產生的次彎矩（P-Δ效應）將不容忽視。因此，傳統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用。因此，筆者采用TOWER軟件進行非線性分析。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構型式，合理的設置拉線及主柱的對地角度就顯得尤為重要，其設定過程非常繁瑣。如圖3.5所示，Fs為導線串子及中間拉索傳遞過來的拉力，Fl為拉線拉力，Fz為主柱柱頂的反力，那么根據力的平衡關系，將3個力分別向x軸和y軸做分解，根據力的平衡關系可得到∑x=0，∑y=0。

圖3.5拉線、主柱、導線 圖3.6拉線、主柱對地角度示意圖

拉索平衡關系

其中，在導線掛線方式、間隙圓及極間距確定的情況下，Fs的大小和方向基本保持不變（這一點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，Fz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。我們經過大量的試算并參靠歐美規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

選取設計條件如下：

1）設計風速：27m/s；設計覆冰厚：10mm；海拔：2000m；

2）設計呼高：48.0m；

3）設計水平檔距：480m；垂直檔距：650m；

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

5）分析工況：90°大風、0°大風、45°大風、斷地線、斷導線、吊導線、覆冰。

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

表3.1 “V”串懸索拉線塔非線性計算結果

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

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

I串1.3mL90X845°風Q345336.20.86404.4斷導線9.250.241.2110.7054.319.4

L100X845°風Q345343.60.73404.6斷導線10.000.241.2111.4552.317.9

1.4mL90X845°風Q345317.00.81404.3斷導線9.430.241.2110.8851.930.1

L100X845°風Q345317.20.69404.6斷導線10.160.241.2111.6150.329.3

1.5mL90X845°風Q345254.80.78404.6斷導線9.600.241.2111.0551.826.1

L100X845°風Q345304.60.66404.5斷導線10.320.241.2111.7750.224.0

1.6mL90X845°風Q345254.40.78402.4斷導線9.720.241.2111.1749.721.4

L100X845°風Q345255.80.64405.0斷導線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，不同主柱寬度對應的塔重近似呈拋物線變化規律，因此，綜合考慮塔重和桿件應力比，得知當主柱寬度取1.4m，主材采用Q345L90X8時為較優方案，此時主柱的長細比λ=66，也滿足《技術規定》（DL/T 5154-2002）第7.2.4條“雙柱拉線塔主柱允許長細比為110”的規定。從計算結果可得，主柱主材角鋼規格由45°大風控制，拉線規格由斷導線工況控制，而覆冰工況則對拉索規格選取起控制作用。

同理，對“I”串及“U”串懸索拉線塔進行幾何非線性分析，得出“I”串及“U”串懸索拉線塔的最優主柱寬度及主材規格。

通過對比優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格、應力比、總重量計算結果

串型主柱寬度主材斜材重量（t）

主材規格材質軸心壓力（kN）最大應力比斜材規格最大應力比塔材其它（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

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”串布置方式主材規格較大，且應力比達到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，主柱頂點位移和撓度均較大，從拉線點距離可以看出，“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致拉線規格加大，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方面還是在變形、穩定性、占地面積等方面均表現出較好的特性，是懸索拉線塔中最優的方案。

4 懸索拉線塔自立式鐵塔的技術經濟性比較

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）基礎類型基礎形式基礎個數工程量（合計）

混凝土（m3）鋼筋（kg）

自立式30.510塔腿基礎大開挖451.2572043.65100.0%

立柱基礎大開挖15.18532

懸索拉線塔9.432.95拉線基礎大開挖416.52176220.6947.4%

立柱基礎大開挖26.18627

我們采用一般靜力線性的計算方法，設計了與懸索拉線塔同樣設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自立式鐵塔的47.4%，經濟優勢巨大，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。當然，經濟性只是衡量塔型優劣的一方面，我們應從各方面比較拉線塔與自立式鐵塔的優劣。表4.2列出了兩種型式的拉線塔與自立式鐵塔各自的優缺點。

表4.2 拉線塔與自立式鐵塔優缺點對比

塔型單線圖優點缺點造價比適用性

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、基礎費用??；

5.運行維護方便。1.縱向抗扭能力較差；

2.覆冰斷線和不均勻冰時，鐵塔扭轉變形較大；

3.橫擔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.運行維護相對困難。

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濟性優勢顯得十分明顯，但與自立塔相比，拉線塔的占地面積、運行維護工作量及后期費用較大。

5 結論及建議

懸索拉線塔較傳統的自立式鐵塔具有明顯的經濟性優勢，且設計分析及技術條件已經具備，但與自立塔相比，拉線塔的占地面積、運行維護工作量及后期費用較大。若要充分發揮懸索拉線塔的特點，在特高壓直流輸電線路中早日推廣，還需要充分征求運行維護單的意見，同時在驗收和運行維護規程上進行適當調整，使其與特高壓拉線塔的自身變形特點相適應，從而減少運維單位的工作量，使拉線塔能充分發揮其經濟性的優勢。此外，在懸索拉線塔的真型試驗及電氣特性方面還需做進一步的研究。

參考文獻：

[1]GB50017-2003.《鋼結構設計規范》[S].計劃出版社，2003.

[2]DL/T 5154-2002.《架空送電線路桿塔結構設計技術規定》[S].中國電力出版社，2002.

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