超特高壓交直流同塔多回結構可靠度分析

梁 成，張志強，張海威，安利強

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

超特高壓交直流同塔多回結構可靠度分析

梁 成，張志強，張海威，安利強

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

針對河西走廊即將出現的±800 kV/750 kV及±800 kV/330 kV超、特高壓交直流多回同塔架設線路，國內目前沒有專門的設計標準。因此，采用目前工程上廣泛接受的JC法，針對現有不同標準下設計的桿塔進行可靠度分析，并考慮經濟性，推薦更為合理的超、特高壓交直流同塔多回線路設計標準的選擇方案。分析結果表明：±800 kV/750 kV共塔時，800 kV及各自電壓等級設計標準可靠度均滿足，但各自設計標準下塔重較輕，推薦采用各自設計標準；±800 kV/330 kV共塔時,800 kV標準可靠度滿足，各自標準下出現部分桿件可靠度指標較小，采用局部加強后可靠度滿足要求，且塔重較800 kV標準輕，因此推薦采用各自標準但需對局部桿件加強。

超、特高壓；交直流同塔；可靠度

0 引言

作為新疆與西北電網聯網及西電東送的重要通道，河西走廊密集分布著輸電線路、鐵路、高速公路、“西氣東輸”油氣管線及各種軍事禁區，走廊較為狹窄。正在開展前期工作的新疆準東送出±1 100 kV、酒泉送出±800 kV直流線路、遠期規劃的750 kV、330 kV也將從此通過，因此特高壓直流線路本身或與超、特高壓交流線路平行架設、共用走廊已不可避免。對于出現的超、特高壓交直流同塔架設，其鐵塔的安全性及可靠性對線路的正常運行至關重要，同樣影響著河西走廊地區的電網發展。因此，對超、特高壓交直流同塔的結構可靠度展開研究就顯得尤為重要。

可靠度在結構設計中應用始于20世紀40年代，然而直到20世紀90年代，由于世界范圍內的幾次大范圍的倒塔事故，造成巨大的經濟損失，輸電塔的可靠度研究才開始飛速發展[1]。Natarajan[2]將風荷載和構件抗力作為隨機變量研究了輸電塔線體系的可靠度；李茂華[3]等人采用Ditlevsen窄界限的計算值和一次二階矩方法對某一500 kV輸電塔的可靠性進行了分析；張卓群[4]等人以典型的500 kV角鋼塔和220 kV鋼管塔為例進行了可靠度分析，研究了按照現行設計規范設計的桿塔構件，是否滿足跨越輸電線桿塔構件可靠度的要求，并提出了提高可靠度指標的方法。馮云芬[5]等人研究確定了跨越高速鐵路輸電線路的可靠度水平，并對按照現行規范設計的線路桿塔可靠度進行了校準。張卓群[6]等人對一個耐張段進行了整體可靠度研究，提出了四層次子體系遞歸計算方法，并提出了提高可靠度的方法。安利強[7]等人采用SORM算法對超特高壓同塔多回線路桿塔防風偏閃絡可靠度進行分析，兩種塔型防風偏閃絡可靠度滿足正常使用要求，并對于較為危險的橫擔下表面提出可以通過適當增加絕緣子長度來提高可靠度指標。

如上所述，學者們對鐵塔結構可靠性進行了大量研究，而對超、特高壓交直流同塔多回架設的可靠性分析卻很少。超、特高壓交直流同塔多回架設，其桿塔高度及重量會明顯增加，而對于受風荷載影響較大的輸電塔而言，隨著桿塔高度的增大，其可靠性就顯得越來越重要。目前，在超、特高壓交直流同塔多回線路設計方面沒有成熟的設計經驗，因此有必要對其進行可靠性分析。本文應用可靠性理論，以±800 kV/750 kV和±800 kV/330 kV同塔為例，對比分析了按照現行規范[8-9]不同設計標準下桿塔構件的可靠度，并考慮經濟性的影響，推薦更為合理的超、特高壓交直流同塔多回線路設計標準的選擇方案。

1 構件功能函數及可靠度計算參數

1.1 桿塔構件功能函數

目前，國內輸電桿塔設計標準大都采用以概率為基礎的極限狀態法，采用分項系數的表達式進行設計。其中承載力極限狀態設計表達式為

γ0(γG·SGK+ψ∑γQi·QQKi)≤RK/γR

(1)

式中：γ0和γR分別為桿塔結構重要性系數和抗力分項系數；γG和SGK分別為永久荷載的分項系數及其標準值的效應；γQi和SQKi分別為第i項可變荷載的分項系數及其標準值的效應；Ψ為可變荷載組合系數；RK為結構抗力的標準值。

在桿塔可靠度分析中，一般用X=[X1X2…Xn]T表示影響結構安全的基本隨機向量，則與此功能對應的結構功能函數為：

Z=R-SG-∑SQi

(2)

式中:R=RK/γR為結構構件抗力，服從對數正態分布；SG=γGSGK為結構永久荷載效應，服從正態分布；SQi=ψγQSQKi為結構可變荷載效應，服從極值Ⅰ型分布。

1.2 桿塔構件抗力計算

在極限荷載作用下，輸電線路桿塔結構的受拉構件一般為強度破壞，受壓構件則大多是穩定破壞。對于桿塔結構的軸心受拉構件，其破壞形式為強度破壞，抗力R可表示為

(3)

式中：RK為按現行規范計算的結構構件的抗力標準值；γR為桿塔結構的抗力分項系數；m為構件強度折減系數；f為鋼材強度設計值；An為構件凈截面面積，mm2；fk為鋼材強度標準值。

對于軸心受壓構件，其破壞形式多為穩定破壞，抗力R可表示為

(4)

式中：φ為桿塔軸心受壓構件的穩定系數；mN為壓桿穩定強度折減系數；A為構件毛截面面積。

1.3 變量統計參數

桿塔作為輸電線路的重要支撐結構，主要承受線路的重力荷載、風荷載、覆冰荷載等作用。盡管按規范設計時荷載和桿塔構件承載力取用規定的值，但實際中荷載和桿塔構件的承載力都是隨機的，所以需從概率角度考慮桿塔的安全問題。

考慮可變荷載主要為風荷載和冰荷載，永久荷載主要為導地線、絕緣子和桿塔自重荷載。式(1)各變量的平均值和標準差為：

(5)

(6)

(7)

式中：kSG、δSG為自重載荷的均值系數和變異系數；SGK為自重載荷標準值產生的軸力；kSQ、δSQ為風載荷的均值系數和變異系數；SQK為風載荷標準值產生的軸力；kR、δR為抗力計算模式不定性系數的均值系數和變異系數；RK為根據桿塔設計圖紙中桿件的型號和強度標準值計算的抗力標準值。

各變量的統計參數(均值系數和變異系數)和概率分布見表1[4，10]。

表1 輸電塔結構荷載與抗力可靠度統計參數

2 超、特高壓交直流同塔可靠度分析

現有的設計標準針對±800 kV選擇重現期100年，重要性系數取1.1設計；750 kV按重現期50年，重要性系數1.0設計；330 kV按照重現期30年，重要性系數0.9設計。因此，針對同塔多回線路設計標準，西北院擬定兩種方案設計：第一種，按照高電壓等級，即±800 kV的設計標準統一進行設計；第二種，按照±800 kV、750 kV和330 kV各自電壓等級設計標準進行設計，即低電壓等級部分線路荷載計算采用低電壓等級標準，而高電壓等級部分線路荷載計算采用高電壓等級標準。由于超、特高壓交直流同塔多回桿塔的規定使用時間為100年，按照可靠度的定義，可靠度是指結構在規定的時間內和規定的條件下完成預定功能的概率，因此對超、特高壓交直流同塔進行可靠度分析時，均采用±800 kV桿塔設計條件進行計算。

在可靠性分析中，《±800 kV直流架空輸電線路設計規范》在可靠度計算方面規定基于最小設計風速30 m/s(離地高20 m)設計的500 kV線路桿塔結構構件按JC法計算的承載力極限狀態可靠度指標β≥3.2，并要求±800 kV線路桿塔的安全等級要較500 kV線路提高一個安全等級，因此本文采用JC法對超、特高壓交直流同塔多回輸電線路可靠度指標進行求解。

輸電線路桿塔在不同計算工況下的荷載，除結構自重等永久荷載以外，還有風荷載及導、地線張力荷載產生的效應。由于河西走廊地區沒有覆冰情況，本文取下述5種荷載組合進行計算。

工況1：90°最大風荷載+無冰+未斷線。

工況2：60°最大風荷載+無冰+未斷線。

工況3：45°最大風荷載+無冰+未斷線。

工況4：斷任意三相導線+無冰+無風。

工況5：斷任意一相地線及任意兩相導線+無冰+無風。

2.1 ±800 kV/750 kV交直流同塔可靠度分析

采用JC法，分別計算兩種標準下±800 kV/750 kV同塔桿塔在5種工況下的可靠度指標，分別選出各標準下可靠度指標最小的10根桿件及對應工況列于表2～表3，圖1給出了相應構件的具體位置。

(a) ±800 kV設計標準 (b) 各自設計標準圖1 ±800 kV/750 kV共塔桿塔可靠度指標最小桿件對應位置

對于±800 kV/750 kV同塔架設，由表2和表3數據可知，兩種設計方案下桿件最小可靠度指標均大于3.7，也就是說各桿件滿足一級安全等級的可靠度設計要求。對比兩種設計方案下可靠度指標大小，發現±800 kV設計標準下可靠度指標較大。這是因為第二種設計方案中，考慮750 kV的風荷載重現期為50年，而實際上±800 kV直流輸電桿塔風荷載重現期為100年，人為地降低了外部風荷載，導致桿塔設計可靠度相對±800 kV設計標準偏小。

表2 ±800 kV設計標準下±800 kV/750 kV同塔桿塔構件可靠度指標

表3 各自設計標準下±800 kV/750 kV同塔桿塔構件可靠度指標

除此之外，各桿件最小可靠度對應工況均為90°風，對應桿件主要為背風側主材。這是因為背風側主材受壓，對于軸心受壓構件，其破壞形式多為穩定破壞。由公式(2)、(3)可知，相對于迎風側的受拉構件，受壓桿件的抗力計算中多了一個穩定系數，其取值與桿件長細比有關，均小于1，這就造成了鐵塔同一高度主材荷載大小一樣，而背風側受壓構件抗力小，進而導致可靠度指標較小。

2.2 ±800 kV/330 kV交直流同塔可靠度分析

采用JC法，計算兩種標準下±800 kV/330 kV同塔桿塔在5種工況下的可靠度指標，分別選出各標準下可靠度指標最小的10根桿件及對應工況列于表4～表5，圖2給出了相應構件的具體位置。

(a) ±800 kV設計標準 (b)各自設計標準圖2 ±800 kV/330 kV共塔桿塔可靠度指標最小桿件對應位置

序號桿件編號桿件類型永久荷載標準值/kN風荷載標準值/kN斷線荷載標準值/kN抗力標準值/kN失效形式可靠度指標對應工況1215橫隔材0.35-21.90--33.43軸心受壓3.7160°風2216橫隔材0.44-21.91--33.43軸心受壓3.7260°風322主材-167.79-1432.60--2430.65軸心受壓3.7390°風423主材-167.79-1432.60--2430.65軸心受壓3.7390°風554主材-66.00-406.27--722.39軸心受壓3.7990°風655主材-66.00-406.27--722.39軸心受壓3.7990°風7217橫隔材0.47-20.89--33.43軸心受壓3.8845°風8218橫隔材0.38-20.87--33.43軸心受壓3.8845°風914主材-180.41-1538.90--2733.70軸心受壓3.9090°風1015主材-180.41-1538.90--2733.70軸心受壓3.9090°風

表5 各自設計標準下±800 kV/330 kV同塔桿塔構件可靠度指標

對于±800 kV/330 kV同塔架設，由表4和表5可知，第一種設計方案下桿件最小可靠度指標均大于3.7，各桿件滿足一級安全等級的可靠度設計要求；第二種設計方案下出現7根桿件可靠度指標小于3.7。這是因為第二種設計方案中，考慮330 kV的風荷載重現期為30年，而實際上±800 kV直流輸電桿塔風荷載重現期為100年，較大程度上降低了外部風荷載，導致桿塔設計可靠度偏小。除此之外，可以發現各桿件最小可靠度對應工況主要為90°風，對應桿件主要為背風側主材，可靠度指標較小的橫隔材主要受60°風及45°風控制。

對于出現的部分桿件可靠度指標較小，在此采用局部加強的方法，對表5中可靠度指標小于3.7的7根桿件選材型號適當增大，并計算其各桿件可靠度指標。選取局部加強后可靠度指標最小的10根桿件如表6所示，其對應位置如圖3所示，不同標準下鐵塔重量列于表7。

圖3 局部加強后桿塔可靠度指標最小桿件對應位置

顯然，表6中最小的可靠度指標為3.71，也就是說局部加強后各桿件滿足一級安全等級的可靠度設計要求。考慮到經濟性，由表7數據可知，建議±800 kV/750 kV多回同塔架設鐵塔設計時采用各自標準，±800 kV/330 kV多回同塔架設同樣選擇各自設計標準，但需對部分桿件進行加強。

表6 局部加強后各自設計標準下±800 kV/330 kV同塔桿塔構件可靠度指標

表7 不同標準下的鐵塔重量

3 結論

(1)對于±800 kV/750 kV超、特高壓交直流同塔多回架設線路，鐵塔按照現行800 kV標準和各自標準進行設計均滿足可靠度的要求。但考慮線路設計的經濟性，推薦采用各自設計標準進行設計。

(2)對于±800 kV/330 kV超、特高壓交直流同塔多回架設線路，現行800 kV標準進行設計完全滿足可靠度的要求；然而鐵塔按照各自標準進行設計會出現部分桿件不滿足可靠度要求，局部桿件加強后能達到可靠度要求。并且考慮到經濟性，由表7數據可知，推薦采用各自標準進行設計，并通過對部分桿件進行加強來使鐵塔構件完全達到可靠度要求。

(3)在±800 kV/750 kV和±800 kV/330 kV同塔桿塔中，各桿件最小可靠度對應工況主要為90°風，對應桿件主要為背風側主材。

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[4] 張卓群,李宏男,貢金鑫,等.輸電塔結構可靠度分析[J].電力建設,2014,35(5):34-41.

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Reliability Analysis on Structure of Multi-Circuit for EHV and UHV of AC and DC Transmission Lines on One Tower

LIANG Cheng,ZHANG Zhiqiang,ZHANG Haiwei,AN Liqiang

(School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Considering of the absence of the design standards for the multi-circuit AC/DC transmission lines on the same tower for EHV and UHV with the voltage level ±800 kV/750 kV and±800 kV/330 kV in Hexi Corridor,the JC method,as a widely accepted reliability engineering method,is used for the reliability analysis on the towers under different design standards.Reasonable options of different design standards will be recommended in view of the reliability and economy.It is indicated that the towers with the voltage level 800 kV and others designed by using all the standards meet the requirements of the national standard when ±800 kV and 750 kV are on the same tower.Due to the tower designed based on the second design is lighter,we prefer the second one.When ±800 kV and 330 kV lines are on the same tower,the reliability index of some parts of the tower designed by the second code becomes relatively small.The reliability can meet the requirements by reinforcing some parts of the tower.Meanwhile,the tower is still lighter than the one designed based on the design of 800kV voltage.It is recommended to adopt the very design of each voltage level,but it is necessary to strengthen some parts of the tower.

EHV and UHV; AC and DC on one tower; reliability

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.001

2016-07-12。

國家自然科學基金(51675179)。

TM726.3

A

1672-0792(2017)01-0001-06

梁成(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為輸電線路工程。