重覆冰區(qū)直線型桿塔覆冰過載薄弱部位分析

何洪波，周晶晶，黃勇祥

(湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

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重覆冰區(qū)直線型桿塔覆冰過載薄弱部位分析

何洪波，周晶晶，黃勇祥

(湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

摘要：通過對(duì)2005年和2008年冰災(zāi)倒塔破壞特征統(tǒng)計(jì)分析，指出了桿塔覆冰過載薄弱部位。對(duì)典型事故段直線塔破壞模擬分析，得出了直線型桿塔覆冰過載構(gòu)件應(yīng)力變化規(guī)律，找出了桿塔覆冰過載薄弱部位分布規(guī)律，并提出了加強(qiáng)直線型桿塔覆冰過載薄弱部位具體設(shè)計(jì)措施。

關(guān)鍵詞：直線型桿塔；覆冰；過載；薄弱部位。

地處中部的湖南因其獨(dú)特地理和氣象條件成為全國(guó)覆冰最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，在2005年和2008年兩場(chǎng)特大冰災(zāi)中，湖南電網(wǎng)遭受了嚴(yán)重破壞。兩次冰災(zāi)倒塔為研究桿塔抗冰積累了豐富的現(xiàn)場(chǎng)資料，為線路設(shè)計(jì)提供了重要參考。本文在統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)鐵塔受損情況的基礎(chǔ)上，對(duì)冰災(zāi)受損典型直線塔進(jìn)行模擬計(jì)算，分析鐵塔覆冰破壞原因，探討直線塔覆冰過載薄弱部位，針對(duì)桿塔抗冰薄弱部位提出具體加強(qiáng)措施。

1 倒塔破壞特征統(tǒng)計(jì)分析

鐵塔破壞形態(tài)與覆冰特點(diǎn)有關(guān)，湖南2005年冰災(zāi)中海拔150～400 m山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)冰厚達(dá)20～28 mm，海拔400～600 m的山區(qū)冰厚達(dá)40～45 mm，覆冰隨高程變化趨勢(shì)十分明顯；而2008年冰災(zāi)全省調(diào)查基本冰厚在30～60 mm，冰災(zāi)區(qū)域海拔比2005年更低，覆冰厚度比2005年更嚴(yán)重，覆冰隨高度變化不明顯。對(duì)兩次冰災(zāi)受損鐵塔的統(tǒng)計(jì)分析可知，在過載冰情況下桿塔可能因覆冰垂直荷載造成壓倒、因不均勻覆冰或脫冰產(chǎn)生不平衡張力造成拉倒或扭壞、因?qū)У鼐€破壞引起桿塔損壞以及因相鄰桿塔倒塌而串倒。

根據(jù)大量冰災(zāi)調(diào)查資料，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，兩次冰災(zāi)中直線型桿塔破壞特征呈現(xiàn)以下規(guī)律：

(1) 2005年湖南冰災(zāi)倒塔呈明顯的拉倒特征，少量呈現(xiàn)壓垮特征，其倒塔主要原因?yàn)閲?yán)重梯級(jí)不均勻覆冰；而2008年倒塔形態(tài)呈多樣性，有地線支架和橫擔(dān)局部拉壞及壓壞、瓶口及以上主材拉壞、塔身拉壞、扭壞等，其倒塔主要原因?yàn)楦脖^載嚴(yán)重且存在不均勻冰。

(2)從桿塔型式看，直線塔倒塔數(shù)量占總倒塔數(shù)的90%，其中酒杯塔最多，占倒塌直線塔的 40%，貓頭塔次之，占 24%。

(3)從海拔高度看，約50%的倒塔位于海拔 400 m 以上的地區(qū)。

(4)從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)看，破壞鐵塔主要集中在15 mm 及以下冰厚標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的鐵塔。

(5)考慮縱向不均勻冰張力差設(shè)計(jì)的直線桿塔，其頸部及以上部位抗冰能力得到一定程度提高。如500 kV船星線ZB121、ZB131、ZB162、ZB552等酒杯直線塔設(shè)計(jì)階段考慮了一定縱向不平衡張力，在2008年冰災(zāi)中倒塔相對(duì)較少且這些塔型的倒塔形態(tài)大部分為橫擔(dān)和塔頭局部損壞，而未考慮張力差的鐵塔其倒塔形態(tài)多為頸部及以上整體破壞，表明考慮縱向張力差后酒杯塔頸部抗冰能力有一定提高。

(6)從回路數(shù)看，倒塔以單回路塔為主，占總倒塔數(shù) 3/4，雙回路鐵塔雖然倒塔數(shù)量少，但其倒塔比例明顯高于單回路塔。

(7)冰災(zāi)破壞的鐵塔中70%屬于串倒，如500 kV船星線、鶴云Ⅱ線、民鶴Ⅰ線等線路高程均較低，且地形高差不大，往同方向倒塔居多，具有明顯的串倒特征。

通過統(tǒng)計(jì)可知，輸電線路冰災(zāi)最先破壞點(diǎn)主要集中在塔頭、地線支架和橫擔(dān)，大部分破壞源于直線塔。其中單回路直線塔破壞部位大部分為瓶口及以上，雙回路桿塔破壞部位集中在下橫擔(dān)及以上塔頭部分，且地線支架、橫擔(dān)等局部掉落或變形較多。如500 kV復(fù)沙線、民鶴Ⅰ線、五民線、鶴云Ⅱ線等工程單回路酒杯塔大部分破壞源于瓶口及以上部位，塔身破壞較少；500 kV華沙線緊湊型直線塔破壞部位為塔頭及頸部；500 kV湘云、艾鶴等雙回路桿塔損壞部位基本集中在下橫擔(dān)及以上塔頭及橫擔(dān)。上述現(xiàn)象說明單回路和雙回路直線桿塔其塔頭抗冰過載能力偏弱，應(yīng)予以重視。

2 直線型桿塔抗過載冰薄弱部位分析

上節(jié)破壞特征統(tǒng)計(jì)可知直線型桿塔明顯存在過載冰薄弱部位。為驗(yàn)證鐵塔實(shí)際破壞原因，找出過載冰情況下薄弱部位，以兩次冰災(zāi)中典型事故段500 kV崗云線173#～177#事故段中176#號(hào)塔位ZB84－33 m單回直線塔和500 kV湘云線4#～9#事故段中A8#號(hào)塔位SZ73－36 m雙回直線塔為例進(jìn)行覆冰模擬計(jì)算分析。計(jì)算條件按照現(xiàn)場(chǎng)鐵塔的實(shí)際使用條件，通過變化冰厚和不平衡張力差的大小來對(duì)比其各個(gè)構(gòu)件覆冰工況應(yīng)力變化情況，模擬鐵塔破壞的同時(shí)找出其抗過載冰薄弱部位。不同工況直線型塔構(gòu)件應(yīng)力過載部位變化見圖1、圖2。

圖1　不同冰荷載ZB84酒杯塔構(gòu)件應(yīng)力過載部位變化

圖3所示，直線型桿塔在不同冰荷載工況下構(gòu)件應(yīng)力變化呈現(xiàn)出以下特征：

(1)對(duì)單回路直線塔，過載冰垂直荷載作用下，其抗冰薄弱部位依次出現(xiàn)在邊橫擔(dān)主材、上曲臂外側(cè)主材、中導(dǎo)線橫擔(dān)上平面主材、瓶口隔面材等瓶口以上主材；而覆(脫)冰縱向不平衡張力時(shí)，其抗冰薄弱部位依次為上曲臂外側(cè)主材、下曲臂內(nèi)側(cè)叉材及瓶口隔面材；隨過載冰厚度增加，其瓶口以上構(gòu)件應(yīng)力增加明顯高于其他部位。

(2)對(duì)雙回路直線塔，過載冰垂直荷載作用下，其導(dǎo)地線橫擔(dān)主材及與橫擔(dān)相連的隔面橫材應(yīng)力相對(duì)敏感；過載冰垂直荷載和覆(脫)冰縱向不平衡張力的共同作用下，其下橫擔(dān)主材、下橫擔(dān)以上塔身主材以及與橫擔(dān)相連的隔面材對(duì)過載冰較敏感。

對(duì)冰災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)及上述典型事故段桿塔覆冰應(yīng)力模擬分析，直線型桿塔覆冰過載主要薄弱部位見圖3。

圖2　不同冰荷載SZ73雙回直線塔構(gòu)件應(yīng)力過載部位變化

圖3　直線桿塔覆冰過載工況薄弱部位示意圖(圖中加粗帶圈構(gòu)件即為薄弱部位)

3 桿塔覆冰過載薄弱部位加強(qiáng)措施

設(shè)計(jì)時(shí)如何以較少投資加強(qiáng)直線塔抗過載冰薄弱部位以有效提高線路抗冰能力是重覆冰區(qū)線路鐵塔設(shè)計(jì)值得重視的問題。根據(jù)2005年以來湖南省抗冰設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)直線塔過載冰薄弱部位可考慮以下幾個(gè)方面措施。

3.1 考慮覆冰不平衡張力

前述分析可知，增加不平衡張力是加強(qiáng)桿塔過載冰薄弱部位的一種方式。對(duì)湖南兩次冰災(zāi)進(jìn)行模擬分析，計(jì)算不同覆冰厚度情況下均勻及不均勻覆冰時(shí)導(dǎo)地線不平衡張力變化規(guī)律，有以下結(jié)論：

(1)均勻覆冰單一微地形影響時(shí)(例如大檔距或大高差或大小檔)，導(dǎo)線縱向不平衡張力均很小，一般小于10%。

(2)不均勻覆冰是造成縱向不平衡張力的主要因素，不均勻覆冰越嚴(yán)重其縱向不平衡張力值越大。一般情況下，當(dāng)覆冰超過設(shè)計(jì)覆冰且前后檔內(nèi)存在10 mm覆冰厚度差時(shí)，其最大不平衡張力百分比接近15%；而當(dāng)前后檔內(nèi)覆冰厚度差達(dá)到15 mm時(shí)，其縱向不平衡張力百分比可能超過20%。

(3)絕緣子串長(zhǎng)直接影響導(dǎo)地線不平衡張力大小，絕緣子長(zhǎng)度越大，不平衡張力越小。

(4)脫冰不均勻程度與冰凌性質(zhì)密切相關(guān)，雨凇類由于冰的附著力較強(qiáng)，脫冰不均勻程度小，產(chǎn)生同時(shí)不同向脫冰概率低；對(duì)于平緩丘陵和平地雨凇類覆冰時(shí)，其地形和高程等影響覆冰條件的因素基本相同，產(chǎn)生不均勻冰最大扭矩情況概率很低。

規(guī)程規(guī)定15 mm、20 mm中冰和20 mm重冰等導(dǎo)線不平衡張力取值分別為15%、20%、25%。由上述結(jié)論可知，非多種微地形組合的特殊情況下，按現(xiàn)行規(guī)程考慮的覆(脫)冰不平衡張力取值是安全的。為合理增強(qiáng)直線塔抗過載冰能力，對(duì)平緩丘陵地帶可按規(guī)程不再提高或經(jīng)計(jì)算適當(dāng)減小不平衡張力差；對(duì)于山地相對(duì)高聳、山區(qū)風(fēng)道、埡口、抬升氣流的迎風(fēng)坡、較易覆冰等微地形區(qū)段應(yīng)通過計(jì)算確定其覆冰不平衡張力。

以15 mm中冰區(qū)500 kV典型直線塔測(cè)算，不平衡張力對(duì)直線桿塔塔重影響，見表1。

表1　15 mm中冰區(qū)不平衡張力塔重影響

計(jì)算可知，不平衡張力對(duì)直線桿塔塔重影響較為明顯，平衡張力取值過大則塔重增加較多。

3.2 增加覆冰垂直荷載

前述分析可知，覆(脫)冰不平衡張力可增強(qiáng)直線桿塔抗過載冰能力。而增加桿塔驗(yàn)算覆冰厚度措施符合雨凇條件下稀有冰災(zāi)特點(diǎn)，與直線型塔覆冰過載冰破壞受力較吻合，能直接起到加強(qiáng)直線桿塔抗過載冰薄弱構(gòu)件的作用。

下面以15 mm中冰區(qū)單、雙回路500 kV直線塔為例，計(jì)算在滿足規(guī)程基本組合條件下不同驗(yàn)算覆冰垂直荷載對(duì)桿塔重量影響規(guī)律，見表2。

表2　15 mm中冰區(qū)驗(yàn)算覆冰組合對(duì)鐵塔塔重影響

從表2可以看出，對(duì)15 mm冰區(qū)直線塔，即使按30 mm驗(yàn)算覆冰厚，對(duì)直線桿塔塔重的影響仍然在5%范圍內(nèi)，對(duì)單回路直線塔影響更小，整體來說對(duì)直線塔重量影響較小。

通過增加驗(yàn)算覆冰垂直荷載工況，其效果是主要加強(qiáng)桿塔導(dǎo)地線支架、橫擔(dān)和曲臂等覆冰薄弱部位。并經(jīng)計(jì)算，在重覆冰區(qū)增加驗(yàn)算覆冰垂直荷載增加投資較少，而能有效提高桿塔抗過載冰能力，可將塔材用在抗過載冰“刀刃”上。

重覆冰區(qū)實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)可考慮加大桿塔垂直檔距(如按水平檔距1.5倍)，并適當(dāng)增加驗(yàn)算覆冰厚度(如取1.5倍設(shè)計(jì)冰厚)，該方法操作簡(jiǎn)單，效果明顯。

3.3 優(yōu)化桿塔結(jié)構(gòu)、適當(dāng)增大橫擔(dān)夾角

750 kV電壓等級(jí)及以下線路桿塔橫擔(dān)常采用正面三角形布置方式，受橫擔(dān)懸臂長(zhǎng)度、根部高度等影響，橫擔(dān)上下平面主材夾角往往在規(guī)程要求的最小值15°左右。

經(jīng)計(jì)算，對(duì)于正面三角形橫擔(dān)其抗冰能力與橫擔(dān)上下平面夾角有直接關(guān)系。在同等安全裕度情況下，橫擔(dān)夾角越小，其覆冰過載能力越低。圖4為正面三角形橫擔(dān)的簡(jiǎn)化模型，在覆冰垂直荷載下橫擔(dān)上主材受拉、下主材受壓，各參數(shù)(下主材壓力N、上主材拉力T、垂直力F、夾角α)關(guān)系式如下：

圖4　橫擔(dān)受力簡(jiǎn)圖

在同等安全裕度情況下，相同覆冰垂直荷載在不同夾角情況下橫擔(dān)主材內(nèi)力的變化規(guī)律即為該橫擔(dān)抗冰能力的變化規(guī)律，橫擔(dān)不同夾角抗冰能力變化見表3。

表3　不同夾角抗覆冰能力情況

表3分析可知，橫擔(dān)主材在同等安全裕度情況下，增大橫擔(dān)上下主材夾角有利于提高鐵塔抗冰能力。角度由15°增大為20°，下主材抗冰能力提高36%，上主材抗冰能力提高32%。對(duì)重覆冰區(qū)直線塔橫擔(dān)正面三角形布置時(shí)建議宜適當(dāng)加大橫擔(dān)夾角，并不小于20°，橫擔(dān)較長(zhǎng)時(shí)宜采用兩次變坡梯形橫擔(dān)型式。

3.4 覆冰敏感構(gòu)件適當(dāng)留欲度

通過冰災(zāi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)和事故段鐵塔模擬分析，對(duì)直線型桿塔抗過載冰薄弱部位，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起足夠重視并適當(dāng)留欲度。上述對(duì)典型直線型塔在不同冰厚和張力差情況下構(gòu)件應(yīng)力變化對(duì)比分析，對(duì)重覆冰區(qū)直線型桿塔提出如下建議措施：

(1)單回路直線塔地線支架、橫擔(dān)、曲臂、頸口材及與頸口直接連接的交叉材覆冰工況應(yīng)力比宜控制在0.9左右。

(2)雙回路直線塔地線支架、橫擔(dān)覆冰工況應(yīng)力比宜控制在0.9左右；塔頭橫擔(dān)以上的主材及與橫擔(dān)上下平面主材直接連接的構(gòu)件覆冰工況應(yīng)力比宜控制在0.85左右，塔頭其余構(gòu)件宜控制在0.9左右。

4 結(jié)論

(1)直線型桿塔覆冰過載薄弱部位：?jiǎn)位芈芳性谄靠谝陨纤^部分，雙回路集中在下橫擔(dān)及以上塔頭和橫擔(dān)部分。

(2)對(duì)桿塔抗冰敏感構(gòu)件宜在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)留裕度。建議重覆冰區(qū)桿塔設(shè)計(jì)時(shí)在規(guī)范[3]規(guī)定條件基礎(chǔ)上增加不同覆冰厚度和覆(脫)冰不平衡張力計(jì)算，找出桿塔過載冰敏感構(gòu)件并針對(duì)性留裕度。

(3)建議重覆冰區(qū)直線桿塔設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)規(guī)劃加大桿塔垂直檔距和增加驗(yàn)算覆冰厚度等手段以提高抗過載冰能力。

(4)重覆冰桿塔宜適當(dāng)加大橫擔(dān)夾角以增強(qiáng)鐵塔覆冰過載能力，建議夾角不小于20°，較長(zhǎng)橫擔(dān)宜采用兩次變坡梯形橫擔(dān)型式。

隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，高電壓等級(jí)直流及特高壓輸電線路不可避免穿越重覆冰區(qū)，其鐵塔尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，電網(wǎng)安全可靠性要求更高，經(jīng)過重冰區(qū)線路桿塔過載冰薄弱部位應(yīng)引起足夠重視，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保桿塔具有一定覆冰過載能力。本文上述措施，能以較少投資有效提高直線型桿塔覆冰過載能力，具有較好經(jīng)濟(jì)性。

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Analysis of Overloading Weak Positions in Straight Line Tower in Heavy Icing Area

HE Hong-bo, ZHOU Jing-jing, HUANG Yong-xiang
(Hunan Electric Power Design Institute, Changsha 410007, China)

Abstract:Statistical work and analysis are carried out on damaged character in 2005’s and 2008’s ice disaster，weak positions with exceeding ice load were found out. variational orderliness of member stress are summed up through imitate analysis of typical accident section,and the distributed rule of weak positions are found out. detailed design suggestions on reinforcement measure of straight line towers are proposed.

Key words:straight line towers; icing; exceeding load; weak positions.

作者簡(jiǎn)介：何洪波(1974- )，男，湖南人，高級(jí)工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，主任工程師，從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

* 收稿日期：2015-02-12

中圖分類號(hào)：TM75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913(2015)05-0058-05