特高壓直流線路懸垂轉角塔設計

譚蓮飛 ，李 菁 ，張亮如 ，李 帥 ，余明智

（1.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，云南 昆明 650051；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021；3.國網山東省電力公司茌平縣供電公司，山東 聊城 252100）

特高壓直流線路懸垂轉角塔設計

譚蓮飛1，李 菁2，張亮如3，李 帥2，余明智1

（1.中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司，云南 昆明 650051；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，山東 濟南 250021；3.國網山東省電力公司茌平縣供電公司，山東 聊城 252100）

懸垂轉角塔是特高壓直流輸電線路工程中常用的塔型，通過懸垂的L串承受較小轉角度數的線路荷載，減少線路走廊寬度并有效防止導線的風偏。根據設計理論和工程經驗，推導該塔型線條荷載在加載掛點時的精確解，介紹桿塔頭部規劃及結構整體特性。經比較分析，該塔型較同條件轉角塔節省大量金具及絕緣子串，降低桿塔鋼材指標和基礎材料量，具有明顯的經濟效益和社會效益。

懸垂轉角塔；荷載分解；鐵塔設計；經濟性

0 引言

特高壓直流輸電是目前世界上解決高電壓、大容量、遠距離送電和電網互聯的一個重要手段［1］，具有輸送靈活、容量大損耗小、能夠節約輸電走廊和便于快速控制等優點。目前山東境內正在建設著內蒙古錫盟—江蘇泰州、山西晉北—江蘇南京、上海廟—山東等多條±800 kV直流項目，處于特高壓建設的高峰期。

懸垂轉角塔作為直流輸電線路中的常用塔型，在村莊房屋密集和通道緊張位置，減小了路徑的走廊寬度，降低了選線難度；根據線路耐張段內的障礙物情況在檔內進行適當的路徑調整，使選線更加靈活；同時在連續同向轉角的特殊路徑上合理劃分耐張段和導線的開斷位置，減少了后期維護和運行的工作量。在塔型規劃時，該塔型在水平、垂直檔距、搖擺角等條件與直線塔相當，設計轉角一般為3°～12°，較同條件轉角塔節省大量的鋼材、混凝土和金具材料［2］，具有較好的經濟性。

圖1 懸垂轉角塔L串荷載作用示意圖（x′y′z′坐標系）

1 荷載分解

懸垂轉角塔的線條荷載作用在L型絕緣子串的交匯位置，荷載通過L串重新分布后傳遞至鐵塔上的左右掛點上，如圖1 所示（x′y′z′坐標系）。 首先將線條荷載（Fx′，Fy′，Fz′）通過坐標系轉換后，過程詳見式（1），成為常規的V串荷載，再進行荷載的V串分解，如圖2所示（xyz坐標系）。

圖2 轉換坐標后的V串荷載分解（xyz坐標系）

式中：γ為左、右掛點連線與水平的夾角。

在縱向力作用下V串與XOZ平面夾角為θ，則左掛點荷載（x2，y2，z2）和右掛點荷載（x1，y1，z1）根據力平衡在O點列方程可得：

圖中可知V串合力方向應沿OJ線，可知y1、y2與 z1、z2應同向可得：

式中：Fx、Fy、Fz分別為轉換坐標體系后的水平、縱向、垂直荷載。

在圖2三角形ONJ、OMJ的幾何關系中可得：

在圖中可看出x1與z1異號而x2與z2同號，故得：

將計算的 x1，x2代入式（2），式（4）可得：

將在 xyz 坐標系中求解的左掛點荷載（x2，y2，z2）和右掛點荷載（x1，y1，z1）進行坐標轉化，重新轉換至x′y′z′坐標系中，轉換逆矩陣如式（10）所示，將荷載反向作用在結構模型中的掛點上進行鐵塔受力分析。

在荷載分解的極少數工況中 （如大風工況下的小垂荷條件），背風側的絕緣子串易受壓，因此需要對懸垂轉角塔的L串角度進行合理計算來保障其處于安全受力狀態［3］。若在計算中遇此情況，建議驗算背風側絕緣子串退出工作情況，線條荷載完全加載在迎風側的掛點上進行結構分析。

2 鐵塔設計

2.1 塔頭規劃

在進行鐵塔設計時，首先應依據導線、地線的排列布置和電氣間距要求規劃桿塔的外形尺寸與構件布置形式，盡量以結構簡單、受力均衡、傳力清晰、外形美觀為基本原則［4］；其次結合桿塔材料、運行維護、施工和制造等因素進行優化布置。該部分內容重點體現在塔頭的規劃布置上，如開口尺寸、地線支架和導線橫擔的布設，最終在滿足電氣間隙的前提下，塔頭尺寸緊湊，結構傳力簡潔明確。

根據山西晉北—江蘇南京線路系列六中懸垂轉角塔的規劃：v＝30 m/s、b＝10 mm、平丘（0m＜H＜1 500 m）、6×JL1/G3A-1250/70 導線，與掛接地極線路共塔，結合表1中懸垂轉角塔ZGJ3010的使用條件，得到圖3所示的懸垂轉角塔ZGJ3010優化后的塔頭型式。

表1 懸垂轉角塔ZGJ3010的規劃條件

2.2 結構坡度優化

在明確的荷載作用下，塔身坡度的取值直接影響結構桿件的規格：塔身坡度越大，主材受力變小從而導致其規格的降低，或者主材節間的支撐桿件數量的減少；斜材受力上雖也減少，但由于塔身變寬，斜材的計算長度增加以及長細比構造要求，塔身斜材的規格可能增大，導致主材重量降低而斜材重量增加。另塔身坡度越大則根開越大，致使建設時占地面積的增加；塔身坡度越大則基礎作用力減少，將降低基礎規格及相應的造價成本，反之亦然。綜上所述，塔身坡度的優化需要結合塔重、占地面積、基礎等多因素進行分析，應做到綜合造價最低。

圖3 懸垂轉角塔ZGJ3010塔頭尺寸規劃

2.3 整體剛度

鐵塔在有限元分析中通常采用桁架模型，分析時偏重于強度計算，而對整體結構剛度的把握主要體現在構造上。比如合理控制塔身坡度和塔身的高寬比；在桿塔塔身坡度變化位置、直接承受扭力的斷面和塔頂及塔腿與塔身的連接斷面處設置橫隔面；隔面設置通常按不大于5倍平均寬和4個主材接間分段［5］，且所有塔身隔面應采用剛性隔面；重冰區的桿塔應注意在塔重增加不明顯的情況下，應盡量加大塔身的寬度和坡度以保障結構整體的剛度。

除采用桁架模型對懸垂轉角塔ZGJ3010進行內力分析，另利用Midas軟件建立梁單元模型對其進行特征值分析，其前8個自振周期和模態特征如表2所示，前4個自振模態形狀如圖4～7所示。懸垂轉角塔的第一自振模態為塔頭側向位移及橫擔的上下擺動，其第二、三自振模態都為橫擔的扭轉，可以得出該塔型最容易發生的變形為結構的側向位移、橫擔豎向位移和扭轉，為結構整體剛度的薄弱點。

通過調整導地線橫擔的高度和寬度尺寸、掛點處的起臺高度和連接隔面的剛度，使前3自振的周期比為0.552/0.606=0.91，自振周期雖較大，但頻率相近，各方向剛度分布均勻，整體結構布置合理。

圖4 第一自振模態

圖5 第二自振模態

圖6 第三自振模態

圖7 第四自振模態

表2 懸垂轉角塔ZGJ3010-51.0 m呼高的自振模態

3 經濟性比較

依據鐵塔設計規程規范［5-6］和基礎設計規程［7］，對山西晉北—江蘇南京直流輸電線路工程中相同條件下設計的懸垂轉角塔（ZJ2710）、轉角塔（J27101A）進行比較分析。在滿足相同的對地情況下，對比方案中懸垂轉角塔采用ZJ2710-51，轉角塔采用J27101A-48。

地質條件：地貌上為黃河沖積平原，地表旱地；地基巖土主要為第四系統全新沖洪積形成的粉土、粉質粘土。粉土為稍密~中密狀態，粉質黏土為可塑~硬塑狀態，地基承載力特征值為80~120 kPa。

表3 上部結構材料量及造價比較

表4 基礎材料量及造價比較

從表3中的絕緣子型號和數量以及金具的重量可知，在安裝和運行檢修方面，懸垂轉角塔較耐張塔更為便捷。

結合表3和表4可知，采用懸垂轉角塔方案（ZJ2710-51）本體造價約90.47萬元/基；而采用轉角塔方案（J27101A-48）本體造價約 167.32萬元/基，在塔材、金具及絕緣子和基礎方面總共可節省投資約76.85萬元/基，本體投資節省效果明顯，但是由于規程［5，7］中懸垂轉角塔的設計荷載和安全系數取值與常規轉角塔不完全相同，且不具有轉角塔在工程中具有的施工架線功能，因此不能簡單地在同一平臺進行二者的經濟性比較。

4 結語

通過掌握懸垂L串的線條荷載分解、塔頭規劃、結構整體剛度等設計環節，并遵循桿塔設計的相關規程和規范要求，懸垂轉角塔的結構安全性能夠滿足實際工程的需要。

在同使用條件下，懸垂轉角塔具有比常規轉角塔重量輕、電氣絕緣子串和金具使用量少，基礎混凝土和鋼筋材料省等優勢；另在路徑上障礙物情況復雜時，懸垂轉角塔可以較好地用來進行路徑微調；懸垂轉角塔的金具、絕緣子的數量較轉角塔少且布置方式簡潔，運行和檢修較為方便。綜上所述，懸垂轉角塔具有良好的經濟性。

［1］李曉黎，陳祖勝.特高壓直流輸電技術發展綜述［J］.廣西電力，2009，32（1）：23-26.

［2］張瑚，黃欲成，馬凌，等.500 kV雙回路直線小轉角塔設計［J］.高壓電器，2014，50（11）：92-96.

［3］陳立華，程思勇，厲天威，等.直線轉角塔L形絕緣子串夾角取值分析［J］.廣西電力，2016，39（5）：21-24.

［4］中華人民共和國住房和城鄉建設部.±800 kV直流架空輸電線路設計規范：GB 50790—2013［S］.北京：中國計劃出版社.

［5］中華人民共和國國家能源局.架空輸電線路桿塔結構設計技術規定：DL/T 5154—2012［S］.北京：中國計劃出版社.

［6］中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范：GB 50009—2012［S］.北京：中國建筑工業出版社.

［7］中華人民共和國國家發展和改革委員會.架空送電線路基礎設計技術規定：DL/T 5219—2005［S］.北京：中國電力出版社.

The Design of Suspended Angle Tower Used in UHV Transmission Lines

TAN Lianfei1，LI Jing2，ZHANG Liangru3，LI Shuai2，YU Mingzhi1
（1.China Energy Engineering Group Yunnan Electric Power Design Institute Co.，Ltd.Kunming 650051，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company Economic Research Institute，jinan 250021，China；3.State Grid Chiping Power Supply Company，Liaocheng 252100，China）

The suspended angle tower is the common type used in construction of UHV transmission lines，withstanding the transmission line load of little angle by suspended L-type insulators，effectively reducing the width of the route line and preventing the wind-deviation of conductors.Based on design theory and engineering experience，this article deduces the exact solution of line load acting on load point，presents the planning of tower head and the property of the whole structure.Compared with angle tower under the same condition，the suspended one saves lots of electrical fittings and insulators，reduces steel weight of the tower and material cost of the foundation，having obvious economic and social benefits.

suspended angle tower；load analyze；tower design；economy

TM752

A

1007－9904（2017）10－0054－04

2017-06-25

譚蓮飛（1986），男，工程師，從事線路結構設計工作。