500 kV拉門塔臨時拉線集線器的研制

劉　任　唐　波　趙曉明　吳　卓　孫　睿

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌　443002; 2. 國網山東省電力公司 長治市供電公司， 山西 長治　046011)

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500 kV拉門塔臨時拉線集線器的研制

劉任1唐波1趙曉明2吳卓1孫睿1

(1. 三峽大學 電氣與新能源學院， 湖北 宜昌443002; 2. 國網山東省電力公司 長治市供電公司， 山西 長治046011)

摘要：由拉門塔拉線失效而引起的輸電線路安全危害是當前亟需解決的問題．針對大規模施工機具進入維修場地所需時間較長的缺點，基于拉門塔拉線在多種工況下的受力特性，根據人力可操作性，分別采用螺桿傳動、棘輪傳動和齒輪傳動等3種機械傳動結構，提出了3種臨時拉線集線器裝置的設計方案．綜合考慮經濟性、輕巧性、便攜性和安全性，確定出最優方案．建立了基于拉門塔塔線體系的力學有限元模型，采用Ansys軟件仿真分析，對裝置的力學強度進行了校驗，計算得裝置拉線的最大力學負載為86.78 kN．采用場域分解的方法將三維無界場域分解成有界子區域，采用Ansoft軟件對裝置帶電作業條件下的空間場強分布進行計算，結果表明上人安裝時作業人員體表場強最大值為418 kV/m．

關鍵詞：500 kV拉門塔； 臨時拉線集線器； 機械結構設計； 拉線材料； 有限元分析； 帶電作業

當前，江蘇某些地區500 kV輸電線路仍運行有一定數量的拉門塔．拉門塔的安全穩定性較大程度上受拉線的影響，一旦拉線發生盜割或其他外力破壞等事故，若不能及時搶修則對線路的安全造成極大威脅[1]．因此，有必要研制一種輕巧便攜的臨時拉線集線器，在大規模施工機具進入維修場地之前用于拉門塔拉線維護或更換的臨時替代．

由于國內外尚未有類似于臨時拉線集線器的相關設備，可用于參考的文獻很少．當前關于拉線鐵塔的研究主要集中在鐵塔的優化設計與整體穩定性分析方面．文獻[2]以東長哈送電線路鐵塔為例，利用有限元分析軟件建立了桁梁混合單元的非線性有限元模型，研究了拉線初始預應力對拉門塔受力性能的影響規律，并通過實驗驗證了規律的正確性．文獻[3]提出了一種對拉線塔內力分析和計算的簡化方法，且通過實例驗證了該方法的可行性和高精度性．文獻[4]從導線的掛線方式、塔頭型式和拉線的各種參數設置幾個方面對750 kV輸電線路拉V塔進行了優化設計，其顯著的經濟成果可以為今后的拉V塔工程建設提供一定的參考；文獻[5]應用有限單元法對拉門塔不同工況的荷載進行了屈曲分析，并用真型試驗驗證了結果的正確性．

顯然，國內外雖有一些對拉門塔的研究，但都是基于拉線完好的情況下進行的鐵塔力學特性分析．本文通過對江蘇省淮安500 kV任上5238線上典型的拉門塔受力特性及拉線臨時替代技術研究，研制了一套能切實有效地用于拉門塔拉線臨時檢修和應急搶修的裝置，并制定了其帶電運行施工技術方案，解決了現有拉門塔拉線緊急消缺的工程實際問題．

1拉線門型鐵塔及其拉線

在輸電線路工程中，拉線門型鐵塔是用2個垂直柱體支持導線及架空地線并由拉線提高穩定性的桿塔．拉線鐵塔是在無拉線鐵塔的基礎上發展起來的，其結構由地線塔頭、橫擔、主柱以及拉線4部分組成，角鋼構成的主柱和斜材主要用來支撐架空線和其他附件．在拉門塔中，拉線一般由高強度鍍鋅鋼絞線制成，用來平衡桿塔的橫向荷載和導線張力，減少桿塔根部的彎矩[4-5]．每條拉線的上端通過拉線金具與橫擔連接，下端借助拉線金具固定于地面，可調節金具的長度來調整拉線的松緊．

拉門塔是輸電線路中最為常用的直線塔型之一，具有受風荷小、用料少、安裝組立方便等優點，在某種特殊環境下是一種較為合理的塔型．當前，我國500 kV輸電線路還運行有一定數量的拉門塔．如圖1所示為江蘇省淮安市500 kV任上5238線上典型的ZLT3型拉門塔，該鐵塔兩側分布了4根拉線，呈X型布置．

圖1　500 kV任上5238線上的ZLT3型拉門塔

2臨時拉線集線器的設計方案研究

2.1裝置工作要求及其設計思想

針對拉門塔拉線出現的失效情況，需要尋找一種可替代原受損拉線的臨時拉線，并且研制一套能用于臨時拉線應急搶修的工器具及其施工方法．研究設計出的裝置不僅機械負荷強度能夠達到要求，而且要求結構輕巧，便于攜帶，適用于拉門塔巡檢過程中發現拉線被破壞時，在不停電條件下可以及時對現有損壞拉線進行臨時替代，確保線路鐵塔的安全運行．

根據上述設計目標，確定的500 kV拉門塔臨時拉線集線器的設計研究思路是：首先計算分析500 kV拉門塔在多種典型工況時的受力特點，確定合適拉線集線器的拉線材料及其截面結構，綜合考慮經濟性、輕巧性、便攜性和安全性，從而根據人力可操作性，采用較為簡潔的機械傳動結構，進行拉線集線器裝置的具體結構設計，并進行電學和力學安全性驗證．

2.2臨時拉線集線器的拉線材料、截面結構選擇

2.2.1多種典型工況下的拉線力學特性分析

拉門塔在線路正常運行時，承受大風、重力、導地線不平衡張力等荷載的作用．其中風荷載為分布荷載，架空線的自重、冰重和不平衡張力荷載為集中荷載．采用理論力學、靜力學的力學分析方法，作出拉門塔受力分析圖，如圖2所示．

圖2　拉門塔受力分析簡圖

在圖2中，桿塔上的橫向、縱向和垂直方向的荷載及其各自對X、Y、Z軸的力矩和拉線橫截面積均已知，拉線內力T1、T2、T3、T4(或其應力σ1、σ2、σ3、σ4)，主塔(桿)內力NA、NB及主柱(桿)底部縱向反力RA、RB均未知．

沿鐵塔X、Y、Z軸的受力平衡條件，可建立3個方程，同時根據X、Y、Z軸的力矩平衡條件，也可建立3個方程．將6個方程聯立，如式(1)所示

(1)

式中，σ1～σ4為拉線1～4的應力(N/mm2)；A為拉線橫截面面積(mm2)；P、S、G為作用在桿塔上的橫向、縱向和垂直方向的荷載(N)；MX、MY、MZ為荷載P、S、G對X、Y、Z軸的力矩(N·m)．

在實際工程中往往只需計算拉線的最大拉力，加之某些組合荷載的對稱性，利用這些條件可使計算大為簡化．現分別說明(以下均指荷載大到足以使一側拉線應力減小到接近于零的極限情況)[6]．

江蘇省淮安市任上線500 kV典型ZLT3拉門塔的呼稱高度為33 m，拉線極限應力為1 500 MPa，水平檔距和垂直檔距分別為470 m、550 m，典型氣象條件下的覆冰厚度為5 mm，最大設計風速為30 m/s．導地線型號分別為LGJQ-400、LGJT-95，截面積分別為446.6 mm2、152.81 mm2，單位長度質量分別為1 487 kg/km、707.11 kg/km．

1)橫向對稱荷載作用下的計算

橫向荷載(如橫向風荷載)對稱于桿塔平面時S=0、ΔY=0、φ=0、θ=0、RA=RB=0、σ1=σ4，σ2=σ3=0，因此，由式(1)中的∑X=0和∑MY=0可得到：

(2)

式中，l0為橫擔水平中心點到拉線懸掛點的距離(m)；t為塔腿鉸接點與塔頭橫擔鉸接點處的水平距離(m)；l為橫擔中心點到桿塔與橫擔鉸接點處的水平距離(m)；其他符號的含義如圖2所示．

橫向荷載典型工況有最大風荷載、覆冰有風荷載2種，計算結果分別為97.28 kN、20.62 kN ．

2)縱向對稱荷載作用下的計算

縱向對稱荷載(如斷中導線、縱向風荷載)對稱于YOZ平面，因而T1=T2、T3=T4、RA=RB、φ=0、ΔX=0，因此，由式(1)中的∑Y=0和∑MX=0可得到：

(3)

縱向荷載典型工況為有風且斷一相導線對應的荷載，計算結果為67.12 kN．因此，經計算知桿塔受橫向最大風荷載時拉線出現最大拉力97.28 kN．

2.2.2拉線材料、截面結構選擇

3種典型工況下拉線所受最大拉力為97.28 kN，因此，選取限值100 kN作為拉線力學設計標準，同時，為保證整個裝置的輕便性，從質量輕、強度高和尺寸小等角度選擇合適的的臨時拉線替代材料及其截面結構．

常用的輸電線路拉線材料有防腐型鋼芯鋁絞線、鍍鋅鋼絞線、鋁包鋼芯鋁絞線、光纜復合型地線等．此外，考慮到一些新型的繩索類材料，如迪尼瑪繩和高分子聚乙烯繩索近年來也在某些工程中有一定的應用．因此，初步比較認為鍍鋅鋼絞線、迪尼瑪繩和高分子聚乙烯繩索符合拉門塔臨時拉線的要求．鍍鋅鋼絞線的特點是，抗拉強度高，表面有鍍鋅層，能防腐蝕，但由于鋼絞線的密度大，導致拉線自重過大，造成整個裝置過于笨重，在交通運輸和攜帶過程中不便．迪尼瑪繩的特點是，抗拉強度高，密度小，具有較長的撓曲壽命，但該材料的防滑性能差，且若要保證100 kN的力學強度，其截面尺寸過大，造成裝置整體尺寸過大，也是攜帶不便．因此，考慮采用高分子聚乙烯繩索，該材料雖然表面硬度低，但自重輕，抗沖擊性較強，承受100 kN拉斷力時，其截面直徑僅為10 mm，且價格也較低廉．

2.3臨時拉線集線器的設計方案選擇

由于部分拉門塔分布于山區、農田等特殊作業環境，為方便工作人員的搬運和使用，要求臨時拉線集線器能夠盡量輕巧便攜．因此，根據臨時拉線集線器的具體用途，結合上述力學分析，臨時拉線集線器應該滿足以下的工作要求：最大負載不小于100 kN，在該負載下工作時裝置不能變形，裝置自重不超過35 kg，便于人工攜帶．

根據人力操作特點，結合輸電線路工程中傳統的集線和緊線方式，分別采用螺桿傳動、棘輪傳動和齒輪傳動等3種機械傳動結構，提出了3種臨時拉線集線器裝置的設計方案．

方案1為雙鉤式集線緊線器．該裝置主要由機架、導向滑輪、卷筒、齒輪、搖把、棘輪、棘爪、換向鈕、卡線槽、卸扣組成，主要利用螺桿收線和緊線．方案1的裝置結構圖如圖3(a)所示．

方案2為棘輪式集線緊線器．裝置主要由機架、導向滑輪、錐形軸、卷筒、齒輪、曲柄、搖桿、連桿、棘輪、棘爪、換向鈕、卡線槽等組成，利用動滑輪進行集線，由手柄控制棘爪，繼而控制棘輪的緊線運動，且棘輪和集線卷筒屬于同軸運動．方案2的裝置結構圖如圖3(b)所示．

方案3為齒輪式集線緊線器．裝置主要由機架、導向滑輪、錐形軸、卷筒、大齒輪、小齒輪、手柄、棘輪、棘爪、換向鈕、卡線槽等組成，可調距離較大，可根據實際荷載，設計出負載不同的齒輪和選擇不同的齒輪傳動比．方案3的裝置結構圖如圖3(c)所示．

(a)方案1裝置結構圖

(b)方案2裝置結構圖

(c)方案2裝置結構圖圖3　3種方案的結構圖

3種方案的綜合性比較見表1．

表1　3種設計方案的綜合性比較

顯然，方案3的拉線集線裝置自重較輕、省力倍數較大、預計承受的最大負載超過設計限值100 kN，因此，選擇方案3進行研發．

2.4裝置的結構設計及其工作原理

2.4.1裝置結構設計

方案3的裝置主要由機架、集線部分、動力驅動部分、拉線緊線部分等組成．其中，機架主要用來支撐所有構件，使裝置穩定工作；集線部分主要是臨時拉線穿過導向滑輪，在驅動力的作用下，將臨時拉線最終卷繞到集線卷筒上；動力由人工提供，主要是作業人員控制手柄的轉動，繼而由小齒輪的轉動驅動大齒輪，為整個裝置提供動力；緊線部分通過卸扣將纏繞在卷線筒上的臨時拉線固定于地面．

在完成了各零部件的尺寸設計及強度校核后，其整體設計實物如圖4所示．

圖4　臨時拉線集線器實物圖

2.4.2臨時拉線集線器的工作原理

臨時拉線的一端穿過導向滑輪2后，由導向滑輪2的對中作用，使其與錐形軸3中心面對齊(減小拉線繞入時的偏斜角度，有效降低磨損)，再在錐形軸3上纏繞4～6圈，以保證合適的包角，防止摩擦傳動過程中由于負載過大而發生打滑，同時也應該避免包角過大導致摩擦阻力太大而不易轉動．

施工時，由檢修人員用手柄5驅動小齒輪6，再帶動大齒輪4．設計的齒輪傳動比為3，雖然齒輪傳動降低了傳動速度(傳動速度為無齒輪的1/3)，但負載能力提升了3倍，同等條件下也會降低工人的勞動強度，其中大齒輪4與錐形軸3屬于同軸轉動．將手柄5的力矩傳遞到錐形軸3上，克服拉線纏繞在上面時產生的摩擦力矩驅動錐形軸3，即可卷入臨時拉線，大大降低到了輸入轉矩，實現了省力的目的．

臨時拉線從錐形軸3的一端卷入，從另一邊卷出，此時，由另一名工人配合完成轉動集線卷筒8的工作，將卷出的拉線卷繞到集線卷筒8上，拉線始端被固定于卡線槽7；同時，棘輪機構10能實現邊集線邊反向鎖緊的功能，避免了工人施工過程中，由于負載過大導致手柄5反轉誤傷工人的意外事故，提高了操作安全性．由于棘輪機構與棘爪9安裝于同一軸上，且還安裝有換向鈕11，當拉緊過度時，可撥動換向鈕11，使棘爪9松開；集線卷筒8適當放線后，再撥動換向鈕11實現實時鎖緊功能．實際施工過程中，當拉線負載較大時，需要在耳板12上安裝卸扣，將拉線穿過卸扣與鋼釬相連，使整個裝置固定在地面上，提高裝置的穩定性．

搬運過程中，裝置的大齒輪4和手柄5均可拆卸；施工時，2名工人就可以完成作業，不需要額外動力設備．經過安全檢驗與力學校核，1名工人通過人手搖動臨時拉線集線器手柄，最大牽引力可達6 t．

3臨時拉線的力學特性有限元校驗

3.1拉門塔塔線體系的有限元分析思想

當前，國內外學者分析拉門塔受力特性時，一般將塔與架空線分開考慮，即將計算的架空線荷載作為外力施加于拉門塔上，然后根據拉門塔的實際結構、受力特征等對拉門塔進行簡化分析與計算[7]．這種不考慮拉線與塔連接情況的計算方法顯然無法用于拉線臨時集線器的力學校驗．

因此，考慮拉線與鐵塔之間的連接影響，在ANSYS軟件中建立鐵塔-拉線體系有限元模型，將拉線用LINK10桿單元模擬，鐵塔用BEAM188梁單元模擬，絕緣子串用LINK8桿單元模擬，其中拉線和鐵塔連接節點采用理想鉸接點(只有X、Y、Z3個位移方向的自由度)，絕緣子串與鐵塔采用耦合鉸接，鐵塔主材與斜材采用剛性節點連接，建立整體實體模型，將拉門塔的角鋼及拉線的內力求解域看作大量互連的內力子域，且對每個單元假設一個近似解，在此基礎上推導出拉門塔角鋼及拉線的力學平衡條件，從而求解出塔線結構的內應力及變形量[7-10]．

3.2臨時拉線的力學強度校驗

在規程[6]規定的典型工況下，拉門塔承受橫向最大風荷載時拉線拉力最大，因此，基于該工況分析拉線受力和變形情況．

拉門塔承受橫向最大風荷載時，由任上線500 kV典型ZLT3拉門塔結構參數建立的拉門塔有限元模型如圖5(a)所示，塔線體系的有限元模型求解結果如圖5(b)所示，有限元分析結果見表2．

(a)鐵塔有限元模型　　　　　　　(b)有限元分析結果圖5　有限元仿真模型與結果

(單位：kN)

從表2可知，拉門塔在最大風工況下，其變形主要表現為懸垂絕緣子串的偏移；在90°的最不利攻角時，當風速大小由零增加至一定的數值，迎風面拉線1、2的受力逐漸增加，拉線3、4的內力逐漸減小并趨近于零，即拉線退出工作，外荷載完全由拉線1、2承擔．所以，在設計臨時拉線時，主要考慮對迎風面的拉線進行加固和補強．

由表2可知，拉門塔在承受最大風荷載時，拉線出現的最大有限元計算拉力為86.78 kN，而上節的理論計算結果為97.28 kN，兩者相差10.5 kN．這是由于在理論計算中將拉門塔實際模型進行了簡化處理、將風荷載當成集中荷載，且有限元計算本身存在近視處理等原因造成的．由上述力學有限元校驗分析可知，在承受最大風荷載時，拉線出現的最大拉力小于臨時拉線高分子聚乙烯繩可承受的最大拉斷力100 kN，也小于裝置的最大可承受負載110 kN．因此，該臨時拉線的力學有限元校核滿足要求．

4帶電作業下的空間電場仿真分析

將臨時替代拉線集線器安裝于正常運行的線路時，不可避免地存在上人安裝時的帶電作業安全問題[11-12]．采用場域分解的方法，將上人檢修時拉門塔與拉線之間復雜的三維無界電場域分解成有界子區域，利用三維電場有限元軟件Ansoft進行電場仿真分析．人體和任上線500 kV典型ZLT3拉門塔的三維模型如圖6所示，人體各部分的參數見表3．

(a)人體模型　　　　　　　　(b)鐵塔的三維模型圖圖6　電場仿真模型

人體部位仿真的幾何體高度/cm半徑/cm下肢圓柱體8016軀干圓柱體6516頸部圓柱體75頭部球體-10

拉線安裝帶電作業最危險點出現在人與導線最近的時候，此時分為人在塔身和人在橫擔兩種情況．對這兩種情況分別計算，得到人體不同部位表面電場強度對比見表4．從表4可以看出，作業人員位于塔身時出現最大電場強度，其體表場強最大值為418 kV/m．因此，作業人員必須穿戴屏蔽服或靜電防護服才能進行操作[13-17]．

表4　人分別在塔身、橫擔時不同部位表面電場強度

人體位于塔身時的空間電場分布如圖7所示．

(a)人在塔身時電場分布　　　　　　(b)人體表面電場分布圖7　帶電作業最大電場強度分布

5結論

1)研制開發的500 kV拉門塔臨時拉線集線器采用高分子聚乙烯繩索作為臨時替代拉線，按照截面直徑10 mm，抗拉強度100 kN進行設計，經驗算，正常工況下臨時拉線集線器拉線所受最大拉力為86.78 kN．

2)線路正常運行時進行檢修，安裝拉線過程中出現的人體體表最大場強約為418 kV/m，作業人員必須穿戴屏蔽服或靜電防護服才能進行操作．

3)該裝置采用人力驅動，選擇齒輪傳動結構進行設計，且裝置可拆裝組合，便于施工人員攜帶．以江蘇省淮安市500 kV任上5238線上典型ZLT3拉門塔為實施例，進行了現場施工試驗，驗證了該裝置的可靠性和實用性．

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[責任編輯張莉]

收稿日期：2015-08-31

基金項目：國網江蘇省電力公司項目(SDHZ2014139)

通信作者：劉任(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為輸變電工程電磁環境．E-mail：505129963@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.015

中圖分類號：TM752

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)01-0071-07

Research on Temporary Cable Hut of 500 kV Guyed Portal Tower

Liu Ren1Tang Bo1Zhao Xiaoming2Wu Zhuo1Sun Rui1

(1.College of Electric Engineering & Renewable Energy,China Three Gorges Univ.,Yichang 443002,China; 2. Changzhi Electric Company of State Grid Shanxi Electric Power Company, Changzhi 046011, China)

AbstractThe safety damage of transmission line caused by cable failure of guyed portal tower is needed to be solved urgently. Considering that it takes a long time for large-scale equipment to enter into the maintenance site, therefore, based on the mechanical characteristics of door tower cable in various situations, three kinds of design schemes of temporary cable hut device consisting of mechanical transmission structures (screw drive, ratchet drive and gear drive etc.) are proposed respectively in view of the human's strength operability. Based on comprehensive consideration of economy, legerity, portability and safety, the optimal scheme is proposed. The mechanical finite element model of tower-line system is established; meanwhile, the mechanical strength of the device is calibrated by ANSYS simulation software. The maximum load of the device's cable is 86.78kN. By making three-dimensional unbounded fields decomposed into a bounded region. The results show that the maximum electric field intensity of works' surface is 418 kV/m by using ANSOFT when climbing worker is in the operation.

Keywords500 kV guyed portal tower;temporary cable hut; mechanical structure design; cable materials; finite element analysis; live line working